无功补偿技术综述大工毕业论文.

1、网络高等教育本科生毕业论文（设计）题 目：无功补偿技术综述学习中心：奥鹏远程教育层 次：专 业：年 级：2015年春季学 号：学 生：指导教师：完成日期：2015年12月24日无功补偿技术综述内容摘要电网中无功功率的影响很大，它不仅使电网电压下降，影响电压的稳定性，还 会使输、配电线路上的有功功率和电能损耗增加，造成大量的电能浪费。因此， 该系统的功率补偿，减少无功电流在传输线，使系统的功率平衡问题一直是一个 关键的电力行业研究。随着电子设备的日益增加的需求在功的发展，电力网络分 布功越来越复杂，功补偿技术的要求也越来越高，传统的功补偿技术越来越不能 满足目前的需要。本文首先讲述了无功功率补偿

2、技术的研究目的和意义， 介绍了无功功率补偿技 术的研究现状和发展方向，阐述了无功功率补偿装置中无功算法、控制策略、装 置保护等方面的技术要求。本文重点介绍了静止无功补偿器 TVS静止无功补偿发生器SVG和有源滤波 APF其中SVC常用的有以下几种形式：固定电容加晶闸管控制电抗器型(FC+TCR) 晶闸管开关电容器型(TSC)、饱和电抗器型(SR)以及混合型(TCR+TSC作了详细的 介绍。文章的最后还为将来的设计研究提出了展望。关键词：无功功率补偿；静止无功补偿发生器；静止无功补偿器；有源滤波器3目录内容摘要I1 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 无功补偿技术的发展11.3 国内外研究和

3、发展动态 31.3.1 国内外无功补偿技术应用概况 31.3.2 无功补偿技术发展方向 42基于柔性交流输电系统(FACTS)的无功补偿技术52.1 TSC型补偿器52.1.1 晶闸管的触发原则62.1.2 主电路连接方式72.1.3 检测点的选择82.1.4 电容器的分组方式92.1.5 投切死角区间及减小投切死角的策略 92.1.6 串联电抗器的选择102.2 FC+TCR型补偿器 122.2.1 TCR+FC型补偿器基本原理 132.2.2 TCR+FC型补偿器主要接线方式 132.2.3 TCR+FC型补偿器系统组成 142.2.4 TCR+FC型补偿器控制策略 152.3 SR型补偿

4、器162.4 TCR+TSC 型补偿器 172.4.1 TCR+TSC型补偿器系统组成 182.4.2 TCR+TSC型补偿器控制策略 193基于全控器件的无功补偿技术 213.1 静止无功发生器(SVG)213.1.1 SVG的主电路结构213.1.2 SVG 的基本原理 22无功补偿技术综述3.1.3 SVG的控制策略233.2 有源滤波器（APF） 253.2.1 有源滤波器的分类253.2.2有源滤波器结构及工作原理 284 结 论33参考文献35致谢36ill无功补偿技术综述1 绪论1.1 课题的背景及意义在电力系统中，异步电动机和变压器设备消耗了大量的功。这些功如果不能 及时获得补

5、偿，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响：首先，无功功率的增 加会导致电流的增大，这不仅使设备及线路的损耗增加，而且还会威胁到设备的 安全运行；另外，电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器及其他电气设 备容量的增加，同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要 加大，这使电网的经济运行大打折扣；另外，无功储备的不足会导致电网电压水 平的降低。如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动，例如 电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加 恶化。随着经济的发展，人们对电能质量越来越高的要求，并保持功缘适量是电网 安全，稳定，经济运行的重要保障。

6、在上述的各种危害，如何快速、有效地补偿 电力系统中的功，是相关研究人员正在研究和亟待解决的问题。我国和世界上的发达国家（美国、日本）相比，无论从电网功率因数还是补偿 深度来看，都有较大的差距。目前，美国、日本等发达国家补偿度达 0.5以上, 电网功率因数接近1.0，而我国补偿度仅为0.45。我国的电网，特别是广大农村 电网，普遍存在功率因数低，电网损耗较大的情况。因此研究无功功率补偿对电网的安全经济运行有很重要的意义：a. 解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题。b. 促进节能。无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。如果无功功率 问题处理得好，不仅节约电能还可以减少系统变压器

7、和输变电设备容量。c. 通过研究无功功率测量，掌握无功功率的经济规律。通过统计、理论分析 和各项技术措施来达到经济运行的目的。d. 保证电能质量，促使电力系统安全运行。1.2 无功补偿技术的发展无功补偿的目的有：（1）改善电压调整；（2）提供静态和动态稳定；（3） 降低过电压；（4）减少电压闪变；（5）阻尼次同步震荡；（6）减少电压和电流 的不平衡。电力系统中，常见的无功控制方法有同步发电机、同步电动机、同步 调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。1. 同步调相机功补偿装置同步器是早期的代表，它是空载运行的同步电动机等效，过励磁 运行，向系统发出功，玩功的作用；在欠励磁运行，它吸收系统感性动

8、力反应的 影响，负荷。通过自动励磁调节装置，同步器根据电压值平滑输出的局部变化(吸收)功率，电压调节，也有利于提高系统的稳定性。但是同步调相机是旋转机械， 功率损失较大，约1.5%到5%勺能力。小容量同步冷凝器单位产能投资成本较高， 适用于大容量同步冷凝器通常集中使用。由于该设备仍在使用的功补偿领域，并 与控制技术，其控制性能的提高。2. 电容器系统中的并联电容器，提高了容性负载，从系统的电容功吸收，相当于发出 感应功，满足电路的感性负载电感的功率需求，达到功。使用电容器的功率补偿， 一次性投资和运行成本相对较低，安装调试简单，损耗低，效率高(0.02%只损失本身的能力)，可以集中使用，又可以

9、分散安装。目前，在电力系统中的功补偿 能力的国内外约90%是用来实现并联电容器。但是并联电容器的电源电压和功率和 节点的平方成正比(QC = V2 / XC )，当节点电压下降，需要增加功率，降低供 电系统的反应。换句话说，补偿效果，改变系统电压，电容器的补偿效果不理想。3. 并联电抗器并联电抗器是功补偿装置的重要组成部分，用于改善与过量的电感电容功电 力系统有功功率平衡，传动功率小，后来轻负荷在电力系统中的早期是非常必要 的。因为在上述两种情况下，传输线的功小，和电容的影响线使传输线产生的电 容充电功率大于传输线的电感的功率，以维持系统的电压水平，必须满足系统功 率平衡，电压或功率的系统会增

10、加。为确保安全运行 。4. 无功补偿器静止无功补偿器(SVC)是第二代无功补偿装置，它被广泛用于输电系统波阻 补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是固定电 容器 + 晶闸管控制电抗器(Fixed Ca-pacitor + Thyristor Controlled- Reactor- - FC+TCR)、晶闸管投切电容器(Thyristor Switching Capaci-tor- -TSC)及晶闸管投切电抗器(Thyristor ControlReactor- TCR) 。1.3 国内外研究和发展动态1.3.1 国内外无功补偿技术应用概况传统的无功功率补偿装置装置主

11、要是传统的同步电容器和并联电容器。同 步调相机是早期功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅可以补偿功固定，对功 动态补偿的变化可以进行。由于该设备仍在使用的功补偿领域，并与控制技术， 其控制性能的提高。但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，技术远 远落后。在大多数的感性负载的实际经验，以低成本为无功补偿装置后，利用并联电 容器。电容补偿系统可以根据所需的无功控制系统的数量，自动切换补偿电容， 所以对价格较高的功率补偿方法。在电力系统中目前采用开关电容器或接触器投 切电容器。开关电容补偿措施，减少缺陷不好，反应慢，切换过程中产生的涌流 和过电压问题。此外，接触器投切电容器开关响应时间较短的

12、切换模式，这种功 补偿设备一旦被分配(10kV和380V)市场，尤其是在低压配电网络。但由于其 开关的随意性，并没有解决接触器暂态过程的电弧烧铸造成过电压，寿命短的问 题。同时，接触器补偿装置的响应时间也较大，在一些场合，快速负载变化可能 不同，不能达到动态补偿的目的。因此，从广义上说，的功补偿装置动态接触不 分离开关类。20世纪70年代以来，同步调相机(SC，Sy nchro nous Con de nser开始逐渐被基 于半控型器件晶闸管(SCR)的静止型无功补偿装置(SVC)所取代。虽然在FACTS概 念形成以前SVC就己存在，但由于SVC采用的阀元件也是电力电子器件，因此也 把SVC归

13、于FACTS控制器。早期的SVC静止无功补偿装置是饱和电抗器(SR,Saturated Reactor型的, 1967 年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置。SR比之SC具有静止、响应速度快等优点；但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，而 且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以 未能占据SVC的主流。电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装 置推上了无功补偿的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使 用基于晶闸管的 SVC ； 1978年，在美国电力研究院支持下，美国西屋公司 (Westingh

14、ouse Electric Corp)制造的使用基于晶闸管的SVC投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。由于使用基于晶闸管的SVC具有优良胜能，所以十多年来占据了 SVC的主导地位。因此，SVC 般专指 使用基于晶闸管的静止无功补偿装置。SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量， 从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，可分为晶闸管控制电抗 器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)以及两者的混合装置(TCR+TSC)，或者TCR与 固定电容器(FC)配合使用的静补装置(TCR+FC)等。1.3.2 无功补偿技术发展方向目前我国广

15、泛使用的是静止补偿器 SVC。其中，能够进行无功功率动态补偿的 基于智能控制策略的TSC仍然需要大力推广。随着大功率电力电子器件技术的高 速发展，未来的功率器件容量将逐步提高，应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应用 柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿，必将成为今后电力自动化系统的发展方 向。392基于柔性交流输电系统(FACTS)的无功补偿技术柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System) 是随着电力电子技术 的发展及其在电力系统中的广泛应用而产生的。目前基于 FACTS技术且应用于无 功补偿最为广泛的是静止无功补偿器(SVC)。SVC常用的有以下几种形式：

16、固定电容加晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)晶闸管开关电容器型(TSC)、饱和电抗器型(SR)以及混合型(TCR+TSC)2.1 TSC型补偿器TSC型补偿器是一种断续可调的发出无功功率的动态补偿装置。其单相原理如图2.1所示。由一组并联的电容器组成，每台电容器与双向晶闸管串联接入电 网。晶闸管在这里起开关作用以替代机械开关。运行时根据电网对无功的需求决 定投入电容的组数。图中每组电容串联的小电感用来抑制投切电容时产生的冲击 电流。TSC接入三相电网时一般采用三角形连接。C1 C2 Cn图2.1 TSC型补偿器单相原理图TSC的关键技术问题是投切电容器的时刻选取。电容组的最佳投切时间是晶 闸管

17、两端电压为零的时刻，也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。TSC般采用过零投切，采用过零投切时电路的冲击电流为零。为了投切效果更好，必须 对电容预先充电。TSC装置的发展已经有了很长历史，根据TSC装置的实际使用效果和反馈，前 人在技术上进行了很多的改进和创新。如何总结已有的经验，选择适合于 TSC的 技术是本节研究的重点2。TSC的典型装置通常有两部分组成 ：一部分为TSC主电路，它包括晶闸管、 补偿电容器及阻尼电抗器；另外一部分为 TSC控制系统，主要由数据采集和检测、 参数运算、投切控制、触发控制4个环节组成。本节将从无功算法的选择、晶闸管的触发原则、主电路的接线方式和控制策略等9个方

18、面对TSC动态无功补偿有关技术进行比较深入的论述。2.1.1晶闸管的触发原则普通晶闸管投入时间总的原则是，此刻的TSC的输入电容，也是晶闸管开通时刻，必须是电源电压和电容器的预充电电压相等的时刻。因为根据在电容器中 的电容器的特性，当电压阶跃变化，会产生冲击电流，很可能破坏晶闸管或不利 影响电源的高频振荡1,2,3 0如果第一电容器充电电压等于电源电压的峰值在传导，在峰值功率的输入电 容，由于在电源电压比点的变化（时间导数）为零，因此，目前 IC是零，那么电 源电压（即电容电压）将根据改变正弦波电流上升率，即按正弦规律上升。在这 种方式中，目前影响整个投资过程不仅，目前也没有改变。这就是所谓的

19、理想输 入时间。图2.2以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。虫二图2.2图功率补偿说明图选取合适的触发时刻总的原则是，TSC投入电容时，也就是晶闸管开通的时刻, 必须是电源电压与电容器残压的幅值和相位相同。但是无论投入前电容器充电电 压（也称残压）是多少，其往往都是不易测量的，所以必须通过其他一些方法来 解决电容器残压测量的难题。1. 过零触发电路晶闸管电压过零触发电路如图2.3所示。当电源电压与电容器的残压相等时， 晶闸管上电压为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投入指令存在， 此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的平稳导通。 当TSC投入指令撤销时

20、，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下次发出投入 指令，TSC才会在零电压时重新投入。投入命令图2.3晶闸管电压过零触发电路2. 反压触发一般来讲，无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值，则在一个 周期内，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。利用这一点，在晶闸管承受反压时， 触发脉冲序列开始，这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状 态0在两种触发电路中，晶闸管电压过零触发的使用范围最为广泛，无论电容残 压出于何种状态，其都适用。反压触发的成功率和电容器残压密切相关，只适用 于电容器残压小于电源峰值的情况。2.1.2 主电路连接方式TSC的主电路按照晶闸管和电容器的连接方式5

21、，大致可以分为4种类型：星 形有中线、星形无中线；角外接法、角内接法。其中前两者统称为星形接法。电容器与电网并联，其额定电压应与电网一致。在三相供电系统中，额定电 压与电网电压单相电容分相同时，正常情况下，连接成一个三角形，可以补偿较 大的效果。这是因为：如果切换到星形连接时，相电压为线电压的倍，因为，所 以功输出将是一个1 / 3次三角形连接的方法。考虑成本因素，本工程采用三角 形接法。根据晶闸管的位置，三角形接法分为角方法外，角内接法。1. 角外接法晶闸管处于电容器三角形的外部。按照电工理论中的“一Y变换原理，在电容器总容量相等的情况下，角外接法和星形无中线对外电路所表现的特性都是 一样的

22、。与角内接法相比，体积小，但不易控制，投切时暂态过程较长。适合于 三相平衡负载。2. 角内接法晶闸管处于电容器三角形的内部。该接法对系统无污染，相对另外3种接法,晶闸管电流定额电流小，只有相电流的 58%但晶闸管额定电压定额较大。当有较TSC与 TCR组大不平衡负载时，三角形接法的电容器组也可令各相电容值不等，根据各相负荷 大小作分相补偿。三相不平衡负荷的补偿装置就是使用角内接法的合形式。a.内三角接法b.外三角接法c. y型连接图2.4主电路常用接线方式2.1.3 检测点的选择检测点的选择直接关系到电容器的投切算法，而不同的检测点所能达到补偿 效果也大不相同。目前的 TSC无功补偿系统，对于

23、检测点选择主要有两种，如图 2.5 所示5。检测点A检测补偿以后的无功状况，由于不能直接检测负载的无功功率，不 易实现多组电容器的一次快速投切，通常采用逐级渐进的投切方式，较慢地达到 对应补偿值，因此仅适用于负载运行较平稳，无大容量冲击负载，不需要快速动 态补偿的场合。检测点B直接检测负载的无功状况，其优点是仅根据负载 Q和lq测得值，决 定电容器投入组数，是一种只管投切，不管控制补偿后实际效果的控制方式，其 优点是控制方式简单，可一次快速投切多组电容器，缺点是静态补偿的精度较差。有关专家还提出了兼顾两者优点的闭合控制方式，即检测点设在 A处，检测 补偿后的无功功率 Q又通过 Q求得负载的全部

24、无功功率 Q,即完全补偿时所 需投入的全部电容器的无功功率，这种设想可通过微机来实现，又因可一次投入应投的全部电容器，获得快速的动态补偿特性，是目前公认的比较理想方案辺D；负载图2.5主电路常用接线方式2.1.4 电容器的分组方式利用TSC补偿装置时，由于输出不能连续调节，电容器分组构成对补偿效果 影响显著。为了延长每个电容器的使用寿命，电容器的开关频率应尽可能降低， 并且每个开关时间基本相当。为了实现更高程度的补偿，同时避免过度补偿，包 容量应尽可能小。两者之间是有矛盾的，提出合理的分组策略是一个重要的研究 内容。电容器组等容分组和不等容分组模式。所谓的等容分组，指的是电容器的容 量等于在每

25、一组中，本实用新型具有易于实现自动控制等优点，缺点是补偿差价， 获得薪酬差别较小，必须增加组数，相应的控制设备和占用的空间也需要增加。所谓不等容分组方式，就是指各分组电容器的容量不相等，其优点是利用较 少的分组就可获得较小的补偿级差。例如150kvar电容，按照8:421原则进行分组可实现16级组合，各组容量分别是lOkvar、20kvar、40kvar、80kvar，只需 4组就可以达到10kvar的补偿级差，若按等分方式，必须分成15组才能达到lOkvar 的补偿级差。本文采用了按照8:4:2:1原则分组的不等容分组方式，虽然软件控制比较复 杂，但却大大节省了电容器所占用的空间，也大大节约

26、了电容器投切开关的数量， 实现了较高的补偿精度的同时也大大节约了补偿装置的成本。2.1.5 投切死角区间及减小投切死角的策略由于TSC系统的电容器容量是离散的，是通过非连续的方式调节负载功率因 数，所以必然存在负荷在某些工作情况下，无法达到理想的功率因数。为了说明 这个问题，我们取希望补偿到的功率因数区间为0.95-1，当负载的功率因数在这个区间时，就说明负荷符合电网对用户的无功考核要求。一般工农业用户负载的功率因数处于0.4-0.9之间，这里假设当负载的最大功率为1,其对应的功率因数0.56，此时，如果要把功率因数补偿到1,需要电容 器容量：Qc =1 .1 0.562 /0.56 =1.4

27、8。如果电容器按照8:421分配，则最小的 电容器组为1.48/15=0.0986 。当系统有功负荷在0.43-1变化时，当全部的电容器组投入亦不足以使功率因 数达到最小的考核要求0.95 （欠补）。例如，当有功是最大值1,功率因数为0.45 时，此时即使全部四组电容1.48投入，功率因数也只能达到0.89，显然不在希望 的区间。由于一般电容器配置都是以可能出现的最小功率因数配置，并有一定的 裕量，所以这些死角区间在实际系统中不会出现。当系统有功负荷为在0-0.43变化时，死角区间主要包含两部分：除了反映全 部电容投入亦达不到要求的区间外，还包括投切电容后功率因数要么小于0.95，要么超出1

28、（倒送无功）。例如当有功功率为 0.2时，功率因数为0.92时，此时 无功为0.0852，如果投入一组最小的电容 0.0986，贝U 0.09860.0852电容过补不 符要求,不投则功率因数不符要求。这正说明了当负荷太小时，在某些情况下，会由于找不到合适投切方案而形成“投切振荡”。所以在轻负荷时，应该闭锁控制器投切电容。2.1.6 串联电抗器的选择在实际电网中，谐波电流对电容器的破坏影响是不容忽视的。在负载电路中， 谐波主要来自两个方面：变压器的磁性畸变，可以引起以5次谐波为主的电压;其次是电网系统中越来越多的非线性负载引起的各次谐波。假设Xt为电源侧电抗，Xc为电容器电抗，X为电源侧5次电

29、抗，Xcn为电容器5次电抗，En为电源侧5次谐波电压值，则Xt5Xn(2. 1)(2. 2)Xcn二 EnL EnXTn _Xcn(2. 3)(2. 4)X Tn Xcn此谐波电流和基波电流相叠加，会引起异常的过电流。通常工程上采用串联电抗器来抑制过大的谐波电流。如果令5次谐波电压为2%电源测电抗为5%勺电抗，这时投入阻抗为100%的电容器，5次谐波电流为：X100%=40%5 5 -100/5当串入6%勺电抗器时,lnX100%=5.7%5 5+6 5 -100/5可见使用电抗器限制谐波电流效果非常明显。图 2- 9为串联电抗器前后电流 波形的对比。可见当不串联电抗器时，电流波形畸变非常严重

30、。当串联6%勺电抗器时，电流波形恢复正常。可见使用电抗器可以限制电流畸变。200-200100300400500600压 电!I-/ /X/ / jTjj / / /( /k / yV% F/1200700流 电b图2.6a电源电压波形图2.6b不串联电抗器的电流波形图2.6c串联电抗器的电流波形电抗器除了限制谐波电流的作用外，还可以有效抑制电容器投入时的充电电 流，起到保护电容器和电流互感器的功能。在选用电抗器时，电抗器额定电流应 稍大于电容器的额定电流。另外由于串联电抗器的缘故，加在电容器上的工作电 压也升高了，因此对电容器的额定电压选择、电容器投入时实际能起到的补偿效 果都应做一定的调整

31、和校正 。2.2 FC+TCR型补偿器TCR型补偿装置有两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联接入电网，其单相 原理如图2.7（a）所示。在三相电网中多接成三角形。TCR装置相当于交流调压 器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90 180。当触发角为90时, 晶闸管全导通，导通角为180。此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角 与补偿器等效导纳之间的关系可知：增大触发角可增大补偿器的等效导纳，这样 就会减小补偿电流中的基波分量。所以通过调整触发角的大小可以改变补偿器所 吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。TCR的响应时间小于半周波，可连续吸收无功功率，但其电流中有谐波，有 功率损耗，补

32、偿器的体积大，成本高。单独的 TCR不能发出无功功率，所以可将 并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。FC+TCF型补偿器由若干不可控电容器与 TCF并联而成，如图2.2 （b）所示, 电容器的容量为负载所需的无功总量，电感为可变电感。通过控制双向晶闸管的 导通角，即可向系统输送容性或感性无功功率。当导通角为零时，晶闸管全导通， 电感支路相当一个纯电感，消耗最大的无功功率，补偿器向系统输出最小的无功 功率。增大导通角，电感支路的电流减小，电感吸收的无功功率减小，补偿器输 出的无功增大。当导通角为90。时，电感支路相当于断开，吸收零无功，此时补 偿器输出最大无功功率。由于该补偿器响应时间快（

33、小于半周波），灵活性大，而且可以连续调节无功 输出，所以目前在我国的电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中 含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成本也比较高。(a) TCR型补偿器(b) FC+TCR型补偿器图2.7 TCR型、FC+TC型补偿器2.2.1 TCR+FC型补偿器基本原理TCR+FC型 SVC 的单线简图如图所示。其中TCR( Thyristor Con trolledReactor )是晶闸管控制电抗器，FC ( Fixed Capacitor )是几组固定电容器。每 个单相支路中，补偿电抗器和晶闸管阀配合使用TCR+FC型SVC是通过晶闸管阀控制流过电抗器的电流，

34、来达到控制无功功 率的目的。根据负荷无功功率QV的变化情况，来实施改变电抗器的无功功率QTCR (感性无功功率)，当负荷无功 QV增大时，TCR产生的无功QTCR减少; 当负荷无功QV减小时，TCR产生的无功QTCR增加。即不管负载的无功功率如 何变化，总要使二者之和为常数，即 QV+QTCR常数，这个常数等于谐波滤波器 组发出的容性无功功率 QC的数值，使取自电网的无功功率 QN为常数或为0,即:QN=QC-(QV+QTCR)=常数(或0),则能实现电网功率因数二常数，电压几乎不 波动，从而达到无功补偿的目的，以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。 关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需

35、的流过补偿电抗器的电流，晶闸管变 流装置和控制系统可以实现这个功能，通过采集母线的无功电流值和电压值，合 成无功值，和所设定的恒无功值进行比较，计算得到触发角大小，通过晶闸管触 发装置，使晶闸管流过所需电流。2.2.2 TCR+FC型补偿器主要接线方式三相的TCR接线通常采用三角形联结。这样的电路并联到电网上，就相当于 三相交流调功电路。由于采用三角形联结，故线电流中将不会存在3次及3的倍数次谐波。在实际工程中还常常将每一相的电抗分成如图2.8所示，分别接在晶闸管对的两端。这样可以使晶闸管在电抗器损坏时能得到额外的保护图2.8 TCR的接线方式2.2.3 TCR+FC型补偿器系统组成2.2.3

36、.1TCR 设计每个TCR支路由一个晶闸管阀和两个分裂电抗器相串联。晶闸管阀由多个晶 闸管对串联以获得10kV额定电压和承受正常运行的过电压情况，两个晶闸管在正 负半周交替导通，实现对交流电流的开关与控制。在电压的每个正的或负的半周中，从电压峰值到电压过零点的间隔内触发晶 闸管，承受正向电压的晶闸管导通，电抗器进入工作状态。通过改变投入时刻的 相位来控制电抗器电流有效值的大小，从而改变吸收的无功功率，一般容量的选 择要比FC电容器组的容量稍大方能满足连续改变无功功率的要求。此外，TCR的工作是会引起谐波电流的，因此需要安装滤波器来尽量减少SVC对系统的谐波电流注入。223.2滤波器设计通常的滤

37、波方法是配置无源滤波器，既可以滤除谐波，又可以补偿一定容量 的无功。对装设于电力系统中的 SVC装置而言，系统谐波含量相对较少而且比较 稳定，主要谐波源就是SVC装置本身，因此设计起来相对简单，一般只需要装设 5 次以上的单调谐滤波器即可，必要时装设高通滤波器。但对于补偿冲击性负荷的 SVC装置，在设计滤波器时，不仅要考虑装置本身产生的谐波，还需要考虑负荷侧 产生的大量非特征谐波和偶次谐波，关键是要具有充足的设计经验，才能使得滤 波器设计的性价比最高。另外，滤波器在实际工作中并不是处于真正的谐振状态。 为防止谐波电流过大，考虑到系统一般呈感性，通常将滤波器设计成感性偏调谐， 这样也避免了与系统

38、发生谐振的可能。2.2.3.3SVC主回路设计方案SVC装置一次部分主要由电容器、电抗器、晶闸管、空开、接触器等组成，SVC 装置接在单母线上，其中5次、7次滤波器分别为等容量的两组支路，与 TCR支 路共同接在该10kV母线上。223.4控制系统组成控制系统是整个SVC的核心部分，主要由A/D采集系统、DSP运算单元、脉冲 移相电路、电光转换装置等相互独立的硬件模块组成，另外还包含监测系统和保 护系统。A/D采集系统的主要任务是采集系统、负载的实时电压、电流。DSP运算单元具备信号采样和处理、控制算法的实现、触发脉冲的输出等功能， 是整个系统最为核心的部分。TCR脉冲发生板的作用是根据DSP

39、空制运算单元输出的触发脉冲及同步电压的 输入信号，发出经过移相的高频脉冲，以控制TCR主电路里晶闸管的导通角度来改变接入系统的等效电抗。同步信号是由电源兼同步变压器输出的交流信号，经 双半波整流，再经同步整形环节变成方波，然后经锯齿波发生器变成与电源同频 的同步锯齿波信号。该信号与控制角信号相比较，并将比较结果输出至脉冲发生 环节（高频调制电路），即得到移相之后的脉冲序列。电光转换装置：由于晶闸管的触发需要提供光信号，所以产生的脉冲序列要 经过电光转换装置转化成光信号，然后通过光纤传送到主电路一端。2.2.4 TCR+FC型补偿器控制策略TCR型补偿装置有两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联接入

40、电网，其单相 原理如图2.9（a）所示。在三相电网中多接成三角形。TCR装置相当于交流调压 器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90 180。当触发角为90时， 晶闸管全导通，导通角为180。此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角 与补偿器等效导纳之间的关系可知：增大触发角可增大补偿器的等效导纳，这样 就会减小补偿电流中的基波分量。所以通过调整触发角的大小可以改变补偿器所 吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。TCR的响应时间小于半周波，可连续吸收无功功率，但其电流中有谐波，有 功率损耗，补偿器的体积大，成本高。单独的 TCR不能发出无功功率，所以可将 并联电容器与TCR配合使用构成

41、无功补偿器。FC+TCF型补偿器由若干不可控电容器与 TCF并联而成，如图2.9 （b）所示，电容器的容量为负载所需的无功总量，电感为可变电感。通过控制双向晶闸管的 导通角，即可向系统输送容性或感性无功功率。当导通角为零时，晶闸管全导通， 电感支路相当一个纯电感，消耗最大的无功功率，补偿器向系统输出最小的无功 功率。增大导通角，电感支路的电流减小，电感吸收的无功功率减小，补偿器输 出的无功增大。当导通角为90。时，电感支路相当于断开，吸收零无功，此时补 偿器输出最大无功功率。由于该补偿器响应时间快(小于半周波)，灵活性大，而且可以连续调节无功 输出，所以目前在我国的电力系统中应用最为广泛。但该

42、补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成本也比较高(a) TCR型补偿器(b) FC+TCR型补偿器图2.9 TCR型、FC+TC型补偿器2.3 SR型补偿器SRSR型补偿器中，由饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压的特性，能 维持连接母线的电压水平(其中的串联电容器是用来校正饱和电抗器伏安特性的 斜率)，对冲击性负荷引起的电压波动具有补偿作用。与其并联的滤波电路能吸收 谐波并校正功率因数。SR型补偿器具有快速、可靠、过载能力强、产生谐波小等 优点。另外，SR还具有有效抑制三相不平衡的能力，当电网三相电压不平衡时， 饱和电抗器的三相呈现不同的饱和程度，使三相电压趋于平衡

43、。目前应用中的 补偿器通常采用二-三柱和三-三柱饱和电抗器。由于运行中电抗器长期处于饱和 状态，铁芯损耗较大，而且饱和电抗器的造价较高，所以目前国内应用较少。饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置 也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱 和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作 绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。 SR的缺点是：造价高，损耗大，有振 动和噪声，调整时间长，动态补偿速度慢。由于具有这些缺点，所以饱和电抗器 的静止无功补

44、偿器应用的比较少。2.4 TCR+TSC型补偿器TCR+F（型和TSC型补偿器都能有效的补偿系统中的无功电流，但各有自己的 缺点，TCR+F（型补偿器容易产生谐波，而 TSC型补偿器对于冲击性负荷引起的电 压闪变不能进行很好的抑制。二者的缺点正是对方的优点，所以TCR+TS（型补偿器应运而生。由TCR提供可调的感性无功功率，FC提供容性无功功率，同时作为5、7次谐波的滤波器，当FC提供的容性无功不足时，TSC投入运行。图2.10 TCR+TSC型补偿器C2U所有形式的SVC都属于并联无功补偿装置，补偿原理都是通过控制晶闸管的 触发角，改变接入电网中的等效电纳，从而达到调节输出无功的目的。但这些

45、SVC设备之所以能产生感性无功功率，依靠的仍然是其中的电容器。这就导致SVC与静电电容器有着同样不可逾越的障碍，即当电压水平过于低下，急需无功补偿时， 补偿器的输出反而会减少结合TSC和 TCR的各自的优点，可构成投切时间可精确控制，投入冲击电流 小，无功功率可连续调节的动态无功功率补偿器，即TSC+TC的无功功率补偿器,也称为混合型静止补偿器。它包括一组晶闸管控制电抗器和多组晶闸管投切电容 器，如图所示，图2.11（b）为该类补偿器的电压电流特性图。O(a) TSC+TCR型SVC单相电路简图(b) TSC+TCR型SVC电压电瀛特性图2.11 TSC+TCR基本原理图图 2.11(b)中的

46、折线 0-(1)-(1 )、0-(2)-(2 )、0-(3)-(3 )、0-(4 ) 分别为TCR并联一组、两组、三组、四组电容器所对应的电压电流特性图。由于混合型无功功率补偿器在使用时，是TCR和电容器投切组数配合操作，所以该补偿器的电压电流特性图应为 O-(4)-(1 )。在TCR的控制系统当中，应有 电容器投切组数的信息，以保证当电容器投入组数增加时，适时调整TCR中晶闸管的触发延迟角来平衡因电容器投入组数增加所引起的容性无功功率的变化。2.4.1 TCR+TSC型补偿器系统组成对于基于TCR+TS的 SVC其控制系统主要是根据控制目标来设计，控制目标一般是稳定电压或是调节功率因数。控制

47、电路通过检测系统变量及补偿器变量来 决定需要投切电容器的组数及相应 TCR的触发角，由投切逻辑命令来产生相应的 投切脉冲信号，从而调节整个补偿器吸收的无功功率。基于DSP的无功补偿器的控制系统通常应包含以下几个方面：(1) 系统有关变量的检测：根据控制系统目标检测所需的系统及负载侧的电压 电流，包括网侧与负载侧电压采集，TCR及 TSC支路电流采集等。(2) 信号处理：通过采集信号计算系统无功及补偿导纳，得出投切逻辑命令及 触发角大小。(3) 脉冲生成：由投切逻辑及触发角命令，结合 SVC侧电压的同步方波信号， 通过脉冲生成模块产生相应的脉冲信号，经放大隔离驱动晶闸管的开通，从而实 现对SVC

48、吸收无功功率大小的有效控制。图2.12即为TCR+TS型SVC的控制系统原理图。该原理图是以稳定系统电压 为控制目的的，Vref即为目标电压值VrefIsysVsys円四节Ar -* Hjvc “Bprim- BsccVme$SVC 系统生成冲离大 脉隔放投切逻辑命令 及触发甬大小图2.12 TSC+TCR控制系统原理图242 TCR+TSC型补偿器控制策略无功补偿装置的核心是其控制系统，即控制器。而决定一个控制器性能好坏 的关键是该控制器的算法程序的设计。以下基于新型换流变压器的动态无功补偿 装置控制器的控制策略及无功算法TSC的控制系统和有类似想法的TCRg制系统，控制电路和大致相同的TC

49、Rg 制电路，只有逻辑功能的控制电路来决定哪一组电容器或切除为中心。应该指出 的是，具有一定的滞后非线性环节在 TSC控制系统是必要的，这可以在短时间内 来回投入和切除电容器组的开关点避免。例如，当补偿电压稳定为目标，在控制 系统中的迟滞非线性环节的引入可以使电容器TSC低于低阈值的系统电压接入系统，当系统电压高于高阈值的切除，而不是平等的阀值输入和去除，以防止在开 关电压振荡不定。同时，应注意当 TSC和TCR的使用构成的混合型静止补偿控制 器，控制系统应能使 TSC电容器、晶闸管触发延迟角的调整与使用，确保连续补 偿的电压-电流特性。对于TSC+TC型的SVC系统，当所有的TSC支路投入时

50、，可使该无功补偿系 统输出最大的容性无功 Qcmax而当所有的TSC支路切除，投入TCR(a=900)时， TCR输出最大的感性无功 Qlmax;当要求输出的容性无功 QvQcmaX寸，则投入K组 TSC使得(K-1) Qcmax/NvQvKQcmax/N再调节TCR的晶闸管触发延迟角，使得多 余的容性无功功率K Qcmax/N-Q被 TCR支路吸收，而当要求装置输出感性无功时， 只需将所有TSC支路切除，只投入TCR即可，并调节TCR的触发延迟角即可调节 其输出的感性无功功率，直到满足所需的无功功率为止。尽管投切电抗器的时候， 会产生一定的谐波，但当该无功补偿装置与滤波系统并联运行时，谐波会

51、被滤波 系统大大吸收，从而大大降低了谐波回流电网的百分率。当然，如何在设定的无 功功率附近协调TSC和 TCR的配合运行，以便抑制在临界点的振荡问题也是不容 忽视的问题。(1) 根据网系统侧折算过来的等效导纳，结合参考电压或设定的功率因数，决 定了 TSC的投切组数，及TCF投入应抵消的容性无功功率。(2) 控制电容器组投入所引起的暂态过程最小的时刻。(3) 通过调节TCR勺触发延迟角，来抵消TsC投入所输出的过多那部分的容性 无功功率，从而达到调整电压至设定值或功率因数至设定值。3基于全控器件的无功补偿技术3.1 静止无功发生器(SVG)SVG勺基本原理和并联模型的建立 SVG( Stati

52、c Var Gen erator )，也就是静 止无功发生器，还称作高级静止无功补偿器ASVC(Advaneed Static Var Compensator)或者静止补偿器 STATCOMStatic Compensator)，是专指由自换相 的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的设备。3.1.1 SVG的主电路结构SVG采用电流型桥式电路和电压型桥式电路两种结构。直流侧采用的分别是电容和电感这两种不同的储能元件。电压型桥式电路，需要再串联连接电抗器方能 并入电网，电感的用处是滤除装置投入时产生的谐波给电网带来的过电压；而电 流型桥式电路，则需将吸收换相产生的过电压的电容器并联在交流侧上

53、。两种电 路结构图分别如下图：其三相电压型主电路基本构如图3.1和其三相电流型主电路基本构如图3.2。SVG主要由以下几个部分组成：主电路、控制电路、驱动电路。 主电路采用基于VSI拓扑结构形式，采用具有自关断能力的大功率电力电子开 关器件IGBT，主电路直流侧采用电压支撑电容，其作用是储能和电压支撑，电压 源逆变器(VSI)通过耦合变压器与电力系统耦合在一起。r图3.1三相电压型SVGi电路基本结构空涼电网r3.1.2 SVG的基本原理SVG勺基本原理是利用可关断、大功率、高频率电力电子器件组成自换相桥式 电路，经过电抗器并联在电网上，实时调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相 位，或直接控制

54、其交流侧电流，使桥式电路吸收或者发出满足要求的无功电流，3.3 oSVG的电压-电流特性图如图3.4a所示。跟TCR等这样传统SVC设备相同，将 电网电压的参考值变化，能够使得电压-电流特性上下移动，SVC的电压-电流特性 如图3.4b所示。但与其传统的SVC电压、电流特性相比，不同的是当电网电压下 降，补偿器的电压，电流特性向下调整时，SVG能够调节变流器交流侧电压的幅值 以及相位，致使其所能供给的最大无功电流ILmax和ICmax保持稳定，只受其电力半导器件的电流容量的制约。但是相对传统的SVC设备，因为它可以供给的最大电流各受并联电抗器和并联电容器的阻抗特性的制约，所以电压的降低的同时

55、它们会减小。所以，SVG的运行范围与SVC的相比来说更大。图3.4 SVG和SVC的电压-电流特性比较3.1.3 SVG的控制策略3.1.3.1SVG 的理论基础静止无功发生器是一种动态补偿装置，它对无功电流的实时检测提出了很高 的要求。无功电流检测是是保障补偿器工作性能的关键技术，无功电流检测的快 速、准确及灵活性直接影响到 SVG的跟踪、补偿特性和应用范围。所以，在选择 无功电流的实时检测方法时，必须保证：精度高、具有瞬时性、算法简单、配合 使用的硬件简单、实现方便、具有多种功能等。而交流功率理论又是无功电流检 测的理论基础。无功功率的理论包括两种：一是传统的功率理论；一是瞬时无功 功率理

56、论。在传统的功率理论中，有功功率、无功功率、视在功率及功率因数的 概念皆一目了然；但在含有谐波时，或三相电路不平衡时，功率现象相对复杂， 传统功率理论不能正确的对它进行解释、阐述。而由赤木泰文提出的瞬时无功功 率理论，极好的克服了这方面的问题，尤是在无功电流的检测方面优势明显，这 个理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率和 瞬时有功功率。3.1.3.2SVG的控制方法SVG是快速可控的无功补偿装置。SVG作为在电力系统中的使用，一般有两个 作用：一个是提高功率因数，另一个是改善系统电压。所以，要选择SVG的控制策略我们就应该考虑补偿器要达到的功能和应用的场景，这里包括开环、闭环控 制还有它们相结合的控制方法，这与传统的 SVC装置的原则基本一致。但 SVG的 控制方法较传统的SVC要繁琐，外闭环反馈控制量与调节器的选取也需要依据补 偿器要实现的功能来设定。根据控制物理量，由无功电流参考值调节SVG产生所需无功电流的具体控制方法，可以分为直接电流控制和间接电流控制两大类。前 者是通过控制逆变器输出电压的幅值和角度来实现，称为间接电流控制法；后者 是通过PWM方式