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1、基于MATLAB电力系统无功补偿器的研究摘要： 随着电力电子设备、交直流电弧炉和电气化铁道等非线性、冲击性负荷的大量接入电网，引起了电网无功功率不足、电压波动与闪变、三相供电不平衡以及电压电流波形畸变等其它一系列电能质量问题，并严重威胁着电力系统的安全稳定运行。首先，本文介绍了无功功率的基本概念，介绍了无功功率对电力系统的影响以及无功补偿的作用。并详尽的阐述了国内外无功补偿装置的历史以及现状。其次，本文详细分析了静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG）的基本结构，控制方法和工作原理，以及各自优特点。并且阐述了它们的工作特性。再次，本文着重进行了对SVG型静止无功补偿器提高系统电压的理
2、论研究。利用MATLAB/SIMULINK仿真软件对SVG工作方式及利用SVG动态提高系统电压的原理进行仿真研究。并对仿真结果进行了全面分析。最后，本文完成了一种无功补偿控制器的设计，该控制器在系统硬件上采用了由STC生产的STC10F08X单片机作为主控制器。采用ATT7022作为电能检测芯片，实现电网参数的精确采样与计算。在系统软件上采用晶闸管控制投切电容器，实现了电容器的快速，无弧的投切。采用全中文液晶显示界面实时显示系统运行状况。关键字： 无功补偿，SVG，SVC，STC10F08XABSTRACTWith the power electronics equipment, AC and
3、 DC electric arc furnace and electric railways, and other non-linear, the impact of a large number of load connected to the grid, causing a power shortage of reactive power, voltage fluctuation and flicker, three-phase voltage and current power imbalances, and a series of waveform distortion and oth
4、er power quality problems and a serious threat to security and stability of power systems.First, this paper introduces the basic concepts of reactive power, reactive power described the impact on the power system and the role of reactive power compensation. and a detailed exposition of the internati
5、onal history of reactive power compensation device and the status quo. Secondly, a detailed analysis of SVG and SVC basic structure, control methods and work principles, as well as the advantages and features of SVG. And describes the work of SVG features. Again, this paper focuses on SVG for Static
6、 Var Compensator improve the system voltage theory. Operations through the derivation of the formula to explain how to stabilize the system voltage . we use MATLAB/SIMULINK simulation software works and the use of SVG dynamic principle improve the system voltage simulation. And a comprehensive analy
7、sis of the simulation results. Finally,This paper completed a reactive power compensation controller hardware design .The controller on the system hardware used by the STC production STC1OF08X micro controller as master controller. As ATT7022 a power test chip, accurate sampling and calculation of t
8、he implementation of network parameters. The thyristor controlled switched capacitor, capacitor, no arc switching on the system software. The Chinese LCD interface real-time display system operating conditions. Keywords: Reactive compensation ； SVG ；SVC; STC10F08X 第1章 绪论1.1 课题背景随着现代电力电子技术的飞速发展，大量大功率
9、、非线性负荷的接入电网中，使得电网供电质量受到了严重的威胁。特别是一些像电弧炉、轧机、整流桥等非线性和冲击性负荷的大量使用是导致电能质量恶化的最主要来源，造成了一系列严重的影响。理想状态的电力供应要求频率为50Hz，电压幅值稳定在额定值的标准正弦波形。在三相电网供电系统中，A、B、C三相电压电流的幅值大小相等、相位差依次落后120度。但当电力用户的各种用电装置接入电力系统后，电力供应由理想的电力供应变成了电压电流偏离这种状态的非理想状态。电网中的许多用电负荷都具有低功率因数、非线性、不平衡性和冲击性的特征，这些特征严重地危害着电网的电力供应，可表现在：电压值跌落或浪涌、各次谐波含量大、电压波形
10、发生闪变、电压电流波形失真等，这样便出现了电能质量问题。实际电网中的电能质量问题主要表现如下：(1) 低功率因数，高电网损耗，高生产成本，低生产效率和较低设备使用安全性;(2) 无功负荷突变能直接引起电网供电电压降落与浪涌、电压波动和电压闪变，甚至能影响用电设备的正常使用与造成工农业生产的停产；(3) 非线性负荷的谐波电流造成电网电压畸变，它能导致如下结果：(a) 电力系统中继电保护及安全装置的误动作；(b) 电力电容器中通过的谐波及放大电网的高次谐波电流，使电容器过电流、过电压或者过温过热，造成电容器鼓肚现象，减少电容器的使用寿命、甚至会烧毁；(c) 造成电力变压器铁芯饱和，增加了铁芯损耗，
11、引起变压器发热减少其使用寿命；(d) 造成各种用电设备发热；(e) 加速各种用电设备绝缘的老化与击穿，带来经济上的损失；(4) 造成电网三相不对称，造成中心线过电流，引起中心线过温。静止型动态无功补偿装置即Static Var Compensator( SVC )是目前国内外解决这一系列问题普遍采用的方法，在无功负荷接入点处接入SVC装置后，无功负荷冲击得到抑制、高次谐波得到滤除、三相电网得到平衡、PCC点电压得到稳定和提高了电力系统的稳定性。在实际应用中，将固定电容器和晶闸管控制电抗器 (Fixed Capacitor Thyristor Controlled Reactor 即FC+TCR
12、 )组合在一起，这种FC+TCR型SVC就可以在感性与容性的整个范围内进行无功调节。在FC的配合下，TCR通过在90180度的范围内改变晶闸管的触发角便能连续无级地调节SVC系统从电网吸收或者发出无功功率。实际上，这种通过调节晶闸管的触发延迟角来等效改变电抗器的感抗来实现无功动态补偿的，同时根据不同控制的要求，SVC可以实现补偿点的电压接近稳定在给定值（额定值），实现补偿点处的功率因数为给定值（一般要求0.95），实现补偿点处保留给定量的无功功率。SVC最重要的性质是稳定电网端电压，快速响应无功的变化以及能进行分相补偿无功能力，平衡三相电网。在大型的具有冲击性、快速负荷变化、非对称、非线性负荷
13、的动态无功补偿领域得到了广泛的应用。SVC装置有效地抑制和改善这些负荷所引起的电能质量问题，在解决电压畸变、电压波动和闪变问题上，具有着显著的作用。所以近年来，SVC在世界范围内其市场一直在迅猛地发展，目前已经在静止无功补偿领域特别是在高压输配电系统中占据了主导地位23。与SVC相比，静止无功发生器(SVG)调节速度更快且不需要大容量的电容电感等储能元件，谐波特性好，同容量占地面积小，在系统欠压条件下仍能容易实现给定的无容功率，可以等效成一个受控电流源，无功调节能力强。正是由于这些优点，SVG在改善系统电压质量，提高电力系统稳定性方面具有SVC无法比拟的优点。尽管在理论上拥有这些无法比拟的优势
14、，但是限于目前全控型电力电子器件的耐压电压、电流水平，要做到大容量的补偿装置，成本太高。因此，目前广泛应用于国内外输配电系统中的无功补偿装置依然是SVC，它在无功补偿、平衡电网电压、改善电压闪变与波动等方面具有优秀的性能，单位容量的价格低廉等特点，在下面各场合中得到了广泛的应用。(1) 电弧炉电弧炉是一种在电网中最为典型的非线性及非对称负荷，当电弧炉接入电网后，对电网造成了一系列负面的影响，而且在电弧炉的不同工作阶段对电网的影响也是不同的，其影响具体如下：导致电网的严重三相不对称，产生负序电流和高次谐波（包括奇次与偶次谐波），严重时能导致电网电压发生畸变和产生电压的闪变，导致电网中功率因数偏低
15、。根据电弧炉的负荷特点，采用普通的静态补偿装置是难以满足补偿的要求的。用户可以利用SVC具有快速响应速度的优越特性来解决上述问题，SVC系统通过检测电弧炉负载瞬时消耗的无功电流，并同时提供等值的无功电流来来满足其无功的消耗，从而避免了直接从电力系统中获取，实现了稳定电网PCC点处母线电压，增加冶炼装置有功功率的输出，提高冶炼效率和产品的合格率，并且能有效地减少电压闪变对别的电力用户的影响。SVC同时还具有的分相补偿负荷的能力，可以消除对电网造成的三相不平衡，固定滤波支路在滤除特定高次谐波的同时向电力系统提供无功功率，这样可以提高了系统的功率因数。(2) 轧机等大型电机型的对称负载这些电机类负载
16、的主要特点是：易引起电网电压降落和电压波动，尤其是在电机的启动与制动过程中消耗大量的无功功率，对电网造成比较大的冲击，甚至会使附近的电气设备不能正常工作。一般传动装置中会产生6K1次谐波，导致电网电压发生严重畸变。当安装SVC系统后，便可以有效地解决上述问题，稳定交流母线电压，提高系统功率因数。(3) 城市二级变电站在区域电网中，系统无功的补偿与功率因数的改善一般都采用分级投切电容器组的方式，由于电容器组只能有级地向系统提供无功功率，这就意味着：第一，此方式不能随负载的微小变化来实现相应的快速精确无功补偿；第二，当电网轻载的时候，由于架空线之间的电容效应，使得电网母线末端电压升高，此时无法消耗
17、电网中过剩的无功功率来降低母线末端的电压值；第三,当电网中功率因数很高的时候，易向电力系统倒送无功，抬高了系统母线电压，对电力设备安全及其系统稳定性造成了威胁，甚至可能会击穿电力设备的绝缘，造成了经济损失。SVC系统能够准确快速地进行无功补偿、稳定母线电压、提高功率因数的同时并能解决无功倒送问题。(4) 远距离电力传输在世界范围内，已经无数次证明了SVC可以显著提高电力系统输配电性能，在不同的电网条件下，在电网中适合的位置安装SVC系统可以保证一个平衡的电压，可以稳定系统电压、减少电力传输线路损耗、提高输电线线路传输能力，让现有电网发挥出更高的效率、提高瞬变稳态极限、增加小干扰下的阻尼、增强电
18、压控制及稳定性。(5) 电力机车供电目前电力机车的供电一般采用单相供电方式，而单相负荷就造成了供电网的严重三相不对称和低功率因数。在铁路沿线两侧安装SVC系统是目前解决这一问题的有效方法，利用SVC系统具有分相补偿和快速补偿的特点来平衡三相电网，并利用FC支路来提高电网功率因数。1.2 无功补偿装置的研究发展无功补偿装置在早期多采用并联电容器或者同步补偿器，他们多被用于集中补偿系统的高压侧。到目前为止，并联电容器仍作为一种主要的补偿方式存在，而且它的应用范围非常广，唯一的区别在于控制器的不断更新进步。同步补偿器的实质就相当于一台同步电机，它的工作原理是电动机会随着励磁电流的电流值发生变化而变化
19、，主要表现为平滑的改变输出的无功电流，包括电流的方向和大小，这样做有助于电力系统的稳定运行。但同步补偿器的缺点是：成本太高，安装比较复杂，维修护理比较困难，正是这些缺点使得同步补偿器的推广受到限制。在衡量电能质量的标准中，电压作为一个重要的指标对电网稳定运行起到重要作用。研究无功功率对维持电网电压稳定、提高电能质量、降低线路损耗、保证工农业安全生产具有重要的意义。 在交流电路中，电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率将电能转化为其他形式能量（机械能、光能、热能）。无功功率比较抽象，它是用来在电气设备中建立和维持磁场，用于电路内电场与磁场交换，因此它不对外做功。凡是有电气线圈的电
20、气设备，都需要建立磁场，这就要消耗无功功率。 无功功率不是无用功率，电动机的转子磁场就是靠从电源吸取无功功率建立的。变压器需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，从而在二次线圈感应出电压。在正常情况下，电气设备的正常运转不但需要有功功率，还需要无功功率。 电力系统中，电网各节点的电压水平与无功功率有不可分割的联系，无功功率的不足会造成电网电压的下降，降低发电机有功功率的输出、降低输变电设备的供电能力、造成线路电压损失增大和电能损耗增加、造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。 由于从发电机经高压输电线传输的无功功率远远满足不了符合的要求，因此需要在电网中设置一些无功补
21、偿装置来补充电网的无功功率，以保证用户对无功的需求，使用电设备在额定状态下工作。在当今电力用户中，不难发现在工业中存在大量无功功率变化频繁的设备，如电动机、电炉、变压器等。在普通用户中又有大量对电力系统电压稳定性有较高要求的精密电气，如计算机等，这些都使得对电力系统中无功功率的补偿变得尤为重要。1.3无功补偿的相关原理1.3.1无功补偿的概念提高系统功率因数的途径一般有：提高系统自然功率因数；安装无功补偿装置。无功补偿的原理简单来说，就是提供负载所需要的无功功率，将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器在吸收能量，能量就在它们之间交换，即阻感性负
22、载需要的无功功率可由电容器提供，反之，阻容性负载需要的无功功率可由电抗器提供，因此，按照负载的性质安装不同的设备可以提供负载所需要的无功功率而不再需要从电源获得，减轻了电力系统的压力。负载需要的无功功率Q，装设无功补偿装置后，补偿的无功为QC，这样电源输出的无功减少了QC，功率因数由原来的提高到补偿后的，视在功率由原来的减少到，但有功功率并没有变化。视在功率的减少可相应的减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供电设备的投资。由功率损耗公式（2.1）和电压损耗公式（2.2）可见电源输送的无功功率的减小，使电力网和变压器的功率损耗下降，提高了供电效率，并且降低了电力网中的电压损耗，提高了供电质量1
23、415。 （2.1） （2.2）如前所述，工农业及家用等用电设备大部分是阻感负载，可看作电阻与电感串联的电路，其功率因数为 （2.3）图2.2 并联电容器无功补偿电路图将、串联电路并联接入电容C后，电路如图2.2所示。该电路的电流方程为 （2.4）并联电容后电压U与i的相位变小了，即供电回路功率因数提高了，根据补偿后的电流与电压的相位关系，分为电流滞后电压的欠补偿和电流超前电压的过补偿，在这种过补偿情形下，变压器的二次电压会引起一定的升高，而且阻容性的无功功率也会加大了电能的大量损耗。假如供电线路的电压也是因此而产生增大，那么，相继也会增大电容器它本身功率的消耗，使温度有一定的升高，电容器的寿
24、命将会受到影响。1.3.2 无功补偿容量的确定补偿容量的确定的方法有很多种，但是，他们的目的都是为了提高配电网所要求的一些运行指标。我们来介绍几种常用于选择补偿容量的选择方法17。(1)为了提高功率因数而需要抉择的补偿容量如果电力网最大负荷月的平均的有功功率的值为Pw，没补偿时的功率因数为，进行补偿完的功率因数为，那么补偿容量的方式可用公式（2.5）计算 （2.5）若需要将功率因数提高到大于，小于，则补偿容量可用式（2.6）确定。 （2.6）(2) 为了降低线损耗的需要来选择补偿容量线路的损耗是电力网运行参考的一项重要经济指标，在确定网络参数的条件下，线路的损耗与流过导线的电流值的平方成正比。
25、经过推算，此种情况下补偿容量是与第一种情况下是一样的。(3) 从提高运行电压需要来确定补偿容量在配电线路的末端，特别是重负荷、细导线的线路。运行电压较低，加装补偿电容以后，可以提高运行电压，这就可能在补偿电容过大时产生过电压，所以要考虑选择多大的补偿电容是合理的。在此种情况下有 （2.7）其中，投入电容母线电压值； 阻抗容性分量； 变电所母线电压。(4) 用补偿当量进行选择补偿容量当我们选用补偿当量来确定补偿容量值的时候，线路可以被分成N段，计算出每一段的有功功率的损耗值，即 （2.8）其中，第段线路的补偿容量的值 第段线路的无功功率的值 第段线路的电阻值。则N段线路有功功率损耗值减少的总值为
26、 （2.9）可得，补偿容量 （2.10）其中，无功功率的无功经济当量，即线路进行投入单位补偿量时有功功率损耗的减少值。此外，还有按运行费最小、年支出费用最小确定补偿容量以及考虑负荷分布时的补偿容量等等补偿容量的确定方法，根据实现的目标不同选择不同的确定补偿容量的方法，然后应用到无功补偿器的控制策略中，才能设计出更加合理的无功补偿控制器。 1.4无功补偿的研究现状无功补偿技术会随着现代电力电子技术的飞速发展而随之发展。根据电力电子技术在无功补偿中应用方式的不同，现代无功补偿装置一般可以分为如下类型：（1）同步调相机同步调相机是同步发电机的一种特殊类型。同步发电机可以看作是一个既可以发出无功功率也
27、可以发出有功功率且功率大小可调节的等效电源。在非额定功率因数下，分析同步发电机的视在功率可近似的以一种比例分析电机的定子额定电压和电流的乘积。当改变功率因数时，发电机发出相应的无功和有功功率会相应改变，同时转子电流、定子电流以及拖动电机的机械输出功率也会有相应的变化。假定在不考虑负载要求，发电机发出的无功功率和有功功率的值会很大。当发电机正常运行时，大部分情况是以滞后的功率因数为主，但当系统处于低负荷运行时，电网中无功功率损失较少，传输电路中负的无功功率增加，此时电机需进相运行刁一有利于电网的稳定运行，但与此同时输出的有功功率也在随着减小。所以一般很少采用此种方法进行无功调。专门调节无功功率的
28、同步调相机应运而生，它的任务就是调节励磁电流使得电机处于欠励或过励的状态，根据装设点的电能参数进行发出和吸收无功功率。同步调相机是一套双向、连续、输出功率大小可调的适用于强励磁大容量的集中补偿的功率补偿装置，但有损耗大、运行和维护比较复杂且动态性能较差、一旦失磁它对电网电压的波动影响很大等缺点。（2）饱和电抗器(Saturated Reaetor，SR)补偿器是由一个多相的谐波补偿自饱和电抗器与一个可投切电容器并联组成。这种电抗器由9个等距分布的铁芯构成，在任何时刻，9个铁芯中只有一个是非饱和的。此外，每个铁芯在每个周期的正向和负相交替饱和一次，这样，1个周期内就有18种不同的非饱和状态。这个
29、过程导致产生的特征谐波次数为18k1 (k=1，2，3，)次，也就是17，19，35，37等次谐波。SR的附加内部补偿将谐波水平进一步削弱到小于百分之二，因此减小了采用外部滤波器的必要性。SR型补偿器具有内在的电压控制能力，它能够直接响应端电压的变化而无需采用晶闸管开关或外部控制来调节电压。在应用于超高压系统时，SR型补偿器通过藕合变压器连接到输电系统母线上。由于SR型补偿器采用铁芯结构，因此具有内在的能够承受3至4pu过电流的能力，这使得它非常适合于控制短时的过电压。但是，SR的过负荷能力可能会受到斜率校正电容器的限制，尽管可以在严重过电压时采用火花间隙来旁路斜率校正电容器，但这是以牺牲过电
30、压调节特性为代价的。由于SR的高强度磁滞伸缩噪声，使它常常被安装在很厚地包裹起来的地方。除了保护用火花间隙和带负荷分接头切换开关，饱和电抗器是一种非常可靠的设备，因此通常用在控制电压的大幅偏移；缓解电压闪变；在直流输电终端进行无功补偿。SR型补偿器不能加外部控制，因而不具备提高交流系统阻尼，从而改善交流系统稳定性的能力。（3）晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reaetor，TCR) SVC中最重要的组成部件之一。IEEE对晶闸管控 制 电 抗 器 ( T C R ) 的 定 义 是
31、： 一 种 新 型 、 并 联 型 晶 闸 管 控 制 电 抗 器 ， 它 是 通 过 控 制 晶 闸 管 的 导 通 时 间 使 得 有 效 电 抗 可 以 连 续 的 变 化 。 一 个 基 本 的 单 相 T C R 由 一 对 反 并 联 的 晶 闸 管 和 一 个 线 性 的 空 心 电 抗 器 串 接 而 成 。 反 并 联 的 一 对 晶 闸 管 就 像 一 个 双 向 开 关 ， 晶 闸 管 阀 在 供 电 电 压 的 正 半 周 期 内 导 通 ， 而 晶 闸 管 阀 在 供 电 电 压 的 负 半 周 期 内 导 通 。 晶 闸 管 的 触 发 角 以 其 两 端 之 间
32、电 压 的 过 零 点 时 刻 作 为 计 算 的 起 点 。（4）晶闸管投切电抗器(ThyristorSwitehedReactor，TSR)晶闸管投切电抗器(ThyristorSwitchedReactor，TSR)是TCR的一种特例，它属于并联型无功补偿装置。装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数。由此可见TSC的无功调节是有级的，.它无法连续的输出无功，这使其在使用中存在合理选择电容，适当分级的问题。但它的优点也明显，即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染等。（5）晶闸管控制变压器(Thyristor Controlled Transformer，TCT)TCT是
33、一种高漏抗变压器，它将电抗器和变压器合并成一种设备从而大幅缩减了成本，传统的TCR铁芯不具有大的过载能力，这恰恰是TCT的优点所在。它的有效电抗是通过控制晶闸管阀组的触发角来实现的，阀组的触发与一次侧相电压过零点保持同步。因为高阻抗变压器次级电压可以较低，故主电路和门极电路便非常简单的安装绝缘。但由于TCT没有降压变压器，即电容器及滤波器需要直接安装在高压母线上，故需要高额定电压的无源元件，从而导致成本的增加。需要指出的是，TCT的结构避免了高压环境下为承受高电压需串联数量巨大的晶闸管阀组而导致的很多问题，因此他在高电压级别的电网中非常有前景。（6）晶闸管投切电容器(Thyristor Swi
34、tehed Capaeitor，TSC)TSC是一种并联型晶闸管投切电抗器，通过控制它的晶闸管阀导通或零导通，便可以使他的有效电抗呈阶梯型变化。其结构中两个反并联晶闸管的作用是将电容器并入或断开电网，其中串联的下电感的作用是抑制电容器并入电网是造成的冲击电流。此外，与TCR相比较，TSC虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波及损耗较小的优点。因此，TSC在电力系统中也获得了较广泛的应用。传统的无功补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机是早期无功补偿的典型代表，同步调相机固定的无功功率和变化的无功功率进行补偿，因此在无功补偿领域得到广泛使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能
35、也在不断改善。但是它属于旋转设备，运行时噪声和损耗都比较大。目前虽在使用，但在技术上已显落后。由于在实际中遇到的大多是感性负载，所以后来多采用低成本的并联电容器做无功补偿装置。电容器补偿可以根据整个系统所需要的无功功率的多少，由控制系统自动投切电容进行补偿，因此，从性能上讲是一种比较优越的补偿方式。然而，由于电容器的容量是一个恒定的值，系统的无功功率变化的情况下，电容器本身的投切只有一种可能那就是有级别的，难免会表现出过补偿或者欠补偿，我们对系统所需的无功功率的变化不能采用动态的跟踪。一般情况下，采用的是串联电抗器来解决的，这样装置投入时的涌流就会被限制，从而高次谐波的影响就会被很好的抑制住。
36、然而在系统中是有谐振的，发生并联谐振使系统谐波放大是有可能发生。 随着现代电力电子技术的不断进步。相控技术和脉宽调制等技术都被引入电力系统。近些年又出现的新技术-柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System-FACTS）, 是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术，柔性交流输电系统能够增强交流电网的稳定性并降低电力传输的成本。该技术通过为电网提供感应或无功功率从而提高输电质量和效率。作为世界领先的供应商，西门子的多种柔性交流输电系统已经在全球的多个项目中成功应用。静止无功补偿器（SVC）是一种采用与输
37、电网络并联以实现动态的感应或无功功率补偿。其主要作用是控制输电线路和系统结点上的电压质量和无功功率。由于使用交流接触器来投切电容器会产生巨大的冲击涌流，且闭合时产生的触头抖动会引起电弧。现在的静止无功补偿器一般专指使用晶闸管投切的无功补偿设备。晶闸管投切电容器（Thyristor Switch Capacitor-TSC）和晶闸管控制电抗器（Thyristor Control Reactor-TCR）是其典型代表。TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分的足够细，基本上可以实现无级调节。目前国内外对SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络控制和专家系统等智能控制手段
38、也被引入SVC控制系统，这使得SVC系统的性能更加提高1。世界上已投入运行的SVC大约150套，我国运行于500kV的输电系统也有5套，形式为TSC+TCR或是TCR+MSC，均是进口产品。国内工业应用的TSC型装置大约有20套，其中一部分为国产，另一部分为进口。低压0.4kV的供电系统中有各类TSC型国产无功补偿装置在运行。静止无功发生器（Static Var generator-SVG）是FACTS的新一代装置，是采用可关断晶闸管（GTO）构成的自换相变流器，通过电源逆变技术提供超前或滞后的无功功率。它是随着电力电子技术的发展而发展的，特别是1976年L.Gyugui等人提出利用交流接触器
39、进行无功补偿的理论以及80年代以来高功率大电流全控器件的发展而出现的进行动态无功补偿的静止无功补偿器。1979年日本研制出世界上第一台20Mvar的强迫自换相的桥式SVG，1991年日本研制出首台80Mvar的SVG，1994年美国研制出无功功率达到100Mvar的SVG。在我国，1995年清华大学和河南省电力局研制出首台作为工业试验装置300Mvar的SVG，续之在1999年实现了20Mvar的SVG并网成功。目前，国内外在SVG建模、控制方式、结构设计和不对称控制方面做了很多的研究，但是目前依然有很多的理论和实际应用问题需要解决。而且其控制的复杂性使得控制器件的价格变得异常昂贵，所以目前还
40、没有普及应用。对于我国而言，大功率电力电子器件依然需要进口，使得SVG装置在我国实现普及依然需要相当长的时间。而在低压无功补偿装置中要求装置体积小、重量轻、结构简单易于安装和维护，因此，TSC和TCR装置适合于无功就地补偿的广泛应用。但SVG具有调节速度快且不需要大容量的电容、电感元件，谐波含量低的优点，必然使其成为无功补偿装置的发展方向。1.5无功功率补偿的意义无功功率是按电磁感应原理工作的某个交流供用电设备和交流电源之间的能量交换，这种能量互换的最大值称为无功功率。这部分能量是用电器工作所必须的，但不能转换为我们所需要的能量，如机械能和热能。为了形象的描述电源利用的程度，我们提出了功率因数
41、的概念，功率因数就是电路中有用功率和视在功率（电源总功率）的比值。由此可见，提高电网的功率因数对国民经济发展的重要意义。功率因数的提高，能使发电设备的容量得到充分利用，减少线路电流和功率损失。通常我们用来提高功率因数的方法就是补偿法。即采用能够提供无功功率的装置来补偿用电设备所需的无功功率，降低电源的功率损失，提高功率因数，采用电力电容器来补偿用电设备所需无功功率的方法，称为电容无功补偿法。这是由于理想的电容器在电路里是不消耗电能的，它只是从电源吸收电能转换成电场能，再把电场能转换成电能还给电源，完成它与电源之间的能量互换，因此电容上的功率也是无功功率，它的无功功率是由于电容上的电流I超前电压
42、90引起的，而我们的用电设备大多数都是感性负载，其工作时由于电流滞后引起的无功功率刚好与电容引起的无功功率相反。所以我们可以利用电容工作时产生的无功功率来补偿用电设备在工作时消耗的无功功率。1.6 本文的主要工作详细分析课题任务，对无功补偿器的历史和现状进行分析，并对无功补偿的原理进行了深入的研究，并将其综合。本论文主要包括以下主要内容：（1）论文研究的背景、意义及国内外研究状况。（2）提出SVG与SVC两种常见的无功补偿方法，介绍其结构特点及工作特性。（3）建立MATLAB仿真模型，进行MATLAB仿真校正。（4）着重进行了对SVG型静止无功补偿器提高系统电压的理论研究。（5）本文根据以上所
43、述静态无功补偿器的原理完成了一种无功补偿控制器的硬件设计。第2章 无功功率补偿有关理论的研究2.1 无功功率补偿的基本原理我们是这样描述无功补偿的：在同一电路上并联起来具有容性功率负荷的装置和具有感性功率负荷的装置，在这两种负荷之间使得能量相互交换与转换。这样，感性负载所需要的一些无功功率可由容性负荷输出的一些无功功率进行补偿。图2-1 无功功率补偿原理图无功补偿的作用和原理可由图2-1来解释，图中字母的含义参照表2-1所示。表2-1 无功功率补偿标识的含义标识含义感性负荷从电源吸收的无功功率无功功率补偿装置的补偿无功功率电源输出的无功功率减少后的值而由图我，我们可以发现进行无功补偿后，系统的
44、功率因数由提高到；其视在功率由减少为。在以往的学习中可以得到以下公式：, ，。2.2 常用的无功补偿方法无功补偿方式的合理性选择应该遵循以下几个原则：（1）尽量减少无功功率的流动，采取就地补偿的原则；（2）采用分级补偿原则的时候，集中装设应和分散装设协调配合工作，同时以分散补偿为主；（3）防止系统向电网倒送无功功率，即禁止在低负荷情况下过补偿。理想状态中，最好的无功补偿方式是哪里有无功功率哪里就进行补偿。然而，在实际电网中却是可望而不可及的事情。无论是变压器、输电线路还是各种负载，都需要无功。在实际的电网中，按照补偿电容器安装位置的不同，无功补偿的方式可以以下几种：（1）集中补偿：在高低压配电
45、线路中安装并联电容器组；（2）分组补偿：在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器；（3）单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器等；（4）在系统补偿装置的选择时，常常要综合使用多种补偿方式，最终达到最为经济合理的补偿目标。他们的比较结果如表2-2所示。低压无功补偿的方式如图2-2 所示。图2-2 低压无功补偿装设方式表2-2无功补偿方式的比较无功补偿方式具体操作适用场所优点缺点集中补偿在用户专用变电所或配电室的低压母线上装有电容器主要用于负荷波动幅度不大的线路末端和负荷容量较大 的地点集中的场合配电变压器的供电能力和设备的利用率高；母线、变压器和高压输电线路上的有功和无功损
46、耗减少；电压质量得到改善；管理、维护操作方便设备的一次性投资较大分组补偿将电容器组按低压配电网的无功负荷分布分组装设在相应的母线上，或直接与低压干线相连接适用于电负荷点较多(比如多个车间)，而且距离较远的场合对于负荷比较分散的用户，有利于实行无功分区平衡，体现了无功“就地平衡”的原则，可增加设备的承载能力运行条件较差，维护极为不便就地补偿将电容器组直接装设在用电设备旁边适用于长距离大用电设备的场合节约电能最多，并且可以减少前面的配变电设备、配电线路等的损耗投资高、利用率低2.3 无功补偿的意义无功补偿的意义如下：(1) 稳定受电端及电网的电压，提高供电电能的质量，改善输电系统的稳定性，增加变压
47、器带载容量，提高输电能力。 (2) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，节约能源。 (3) 通过控制功率变化，阻碍系统振荡。 2.4 无功补偿装置的结构本设计中电容器分为4 组，整个补偿电容器组的结构如图2-3 所示。整个无功补偿装置有以下各部分组成，详见表2-3。图 2-3 补偿电容器组结构表 2-3 无功补偿各部分组成第3章 静止无功补偿器（SVC）3.1 SVC的工作原理SVC是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。SVC 的显著特点是能快速并且连续地对波动性负荷进行补偿, 有效地抑制系统电压波动和闪变, 同时滤除系统中的高次谐波, 并通过分相调整并改善系统的三相平衡度。3.2 SVC的结构特点SVC的优越性是它能连续快速调节补偿装置的无功功率输出。这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角得以实现的，因此SVC的核心是TCR。TCR为SVC中的重要一员，它的主要作用是通过调节可变电感来达到感性负载的无功功率的快速、平滑调节的目的。TCR的单