本科生毕业设计设计题目：静止无功补偿器（SVC）仿真研究
中国矿业大学毕业设计任务书
学院应用学院专业年级电气05－1 学生姓名张贵稀
任务下达日期：2009年3月9 日
毕业设计日期：2009年3月9日至2009年6月5日毕业设计题目：静止无功补偿器（SVC）仿真研究
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
低功率因数是供电系统普遍存在的问题，已成为供电领域迫切需要解决的重要课题之一。无功补偿是维持电网电压稳定，维护电力系统安全运行的重要手段。无功补偿技术是当前研究的热点之一。无功补偿技术主要包括大功率电子器件、无功电流检测方法、无功的补偿控制技术等主要内容。基于本国国情，在我国较长一段时间内，静止无功补偿器(SVC)仍然占据重要地位，因此，本文选择以静止无功补偿器((SVC)为无功补偿研究对象。本课题要求：
1 熟悉SVC主电路的结构特点；
2 分析SVC的工作原理，建立合适的模型；
3 熟悉SVC的常规控制策略；
4 利用PSCAD建立SVC的仿真模型并利用仿真模型分析SVC对负荷进行无功补偿的过程。
院长签字：指导教师签字：
中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：评阅教师签字：
年月日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：评阅教师签字：
年月日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
摘要
电网功率因数偏低已成为当今供电领域迫切需要解决的重要课题之一。无功补偿是维持电网电压稳定，维护电力系统安全运行的重要手段。无功补偿技术主要包括大功率电子器件、无功电流检测方法、无功
的补偿控制技术等主要内容，是当前研究的热点之一。在较长一段时间内，静止无功补偿器(SVC)在无功补偿中仍然占据重要地位。
本文首先介绍了无功功率的产生与影响，阐述了无功补偿的作用于发展，分析了FC十TCR型SVC的基本元件与结构和工作原理。然后重点讨论了无功功率的检测方法与SVC的控制策略。最后论文在PSCAD/EMTDC环境下构建了SVC的仿真模型，并进行了仿真分析。仿真结果表明，由于采取了无功补偿措施，大负荷投入后，电压经过0.05S 的过渡过程后，相电压又恢复到原来的水平；系统线电压也恢复到原来的水平；负荷侧电流变化降低；电源侧电流值降低，节约了电能，同时降低了输电线上的损耗。
关健词：无功补偿； SVC； PSCAD/EMTDC；仿真
ABSTRACT
Grid power factor low power has become an urgent need to address the area of one of the important issues.Reactive power compensation to maintain voltage stability and safe operation of power system an important tool. Reactive power compensation technologies including high-power electronic devices, non-reactive current detection methods, the compensation of reactive power control technology, such as the main content is one of the hot current research.An extended period of time,Static Var Compensator (SVC) reactive power compensation in the s t i l l o c c u p y a n i m p o r t a n t p l a c e.
This article first introduced the generation of reactive power and influence, on the role of reactive power compensation in the development, analysis of TCR type SVC 10 FC basic components and structure and working principle. And then focused on detection of
reactive power control methods and strategy of SVC.The last paper in
the PSCAD/EMTDC environment SVC constructed the simulation model and simulation analysis. The simulation results show that, due to adopt a measure of reactive power compensation, the input load, the voltage 0.05S after the transition process, the phase voltage has returned to its original level; system line voltage is also restored to their original levels; load side to reduce current changes; power supply side current values decrease, saving electricity, while reducing wear and tear
o n t h e t r a n s m i s s i o n l i n e. Keywords：reactive power compensation; SVC; PSCAD/EMTDC; simulation
目录
第一章绪论 (1)
1.1 无功功率 (1)
1.1.1 无功功率的产生 (1)
1.1.2 无功功率的影响 (1)
1.2 无功补偿 (3)
1.2.1 无功补偿概念 (3)
1.2.2 无功补偿的作用及意义 (3)
1.2.3 无功补偿的发展 (5)
1.2.4 无功补偿问题的现状及对策 (6)
1.3 本文的主要工作 (7)
第二章SVC及其数学模型 (8)
2.1 静止无功补偿器（SVC） (8)
2.1.1 SVC概念 (8)
2.1.2 SVC的特点 (8)
2.1.3 SVC的应用 (9)
2.1.4 SVC的基本类型 (10)
2.2 TCR+FC型SVC设计 (10)
2.2.1 TCR特性 (10)
2.2.2 FC +TCR型SVC的基本结构 (12)
2.2.3 FC +TCR型SVC的工作原理 (14)
第三章无功补偿理论 (17)
3.1 无功功率检测方法 (17)
3.1.1 d-q矢量变换 (18)
3.1.2 基于d-q三相对称系统的瞬时无功功率 (20)
3. 2 SVC控制策略 (22)
3.2.1 概述 (22)
3.2.2 面对电力系统的闭环反馈控制策略 (23)
3.3 仿真主电路图的检测控制分析 (24)
3.3.1 仿真主接线图 (24)
3.3.2 主检测电路图 (25)
3.3.3 主控制电路图 (27)
第四章SVC的无功补偿仿真研究 (29)
4.1 模拟试验平台和仿真模型的搭建 (29)
4.1.1 仿真工具软件PSCAD/EMTDC简介 (29)
4.1.2 PSCAD/EMTDC的主要功能 (29)
4.1.3 PSCAD/EMTDC主要结构及元件库 (30)
4.1.4 PSCAD/EMTDC基本操作步骤 (31)
4.2 SVC的仿真 (32)
4.2.1仿真过程波形图及其分析 (32)
4.2.2 SVC未投入系统情况下仿真结果及其分析 (34)
4.2.3 SVC投入系统情况下仿真结果及其分析 (35)
4.3 本章小结 (37)
第五章总结与展望 (38)
参考文献： (39)
翻译部分 (44)
英文原文 (44)
中文翻译 (59)
致谢 (71)
第一章绪论
1.1 无功功率
1.1.1 无功功率的产生
众所周知，在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占很大的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。由于电网中存在大量必须吸收无功功率才能正常工作的感性负载，使线路电压与线路电流在相位上存在一个角度差，这样就引出了无功功率的概念。
无功功率是一个反映电源与负荷间的能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消耗能量。同时，无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响。
近年来，随着国民经济的发展和现代化高新技术的进步，电力网负荷急剧增大，电力系统中非线性用电设备逐渐增多，对电网感性无功要求也与日俱增，如可逆式大型轧钢机、炼钢电弧炉等冲击负荷、非线性负荷容量的不断增加。再加上电力电子装置应用的日益广泛，而大多数电力电子装置功率因数较低（如：相控整流器等)，工作时基波电流滞后于电网电压，使得电力网发生电压波形畸变，电压波动闪变和三相不平衡等，产生电能质量降低，电网功率因数降低，要消耗大量的无功功率，给电网带来额外负担，并影响供电质量。因此，提高电网功率因数己成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。
1.1.2 无功功率的影响
(l) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增
加，从而使发电机，变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。同时，也使得电力用户的起动及控制设备、测量仪表的规格也要相应的加大。
(2) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。设线路中电流了由有功分量和无功分量组成，线路电阻为R ，则线路损耗为：
222222()p q
P Q P I R I I R R U +?==+= (1-1) 其中，一部分损耗就是无功功率引起的。
(3) 使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。
在图1-1中引起的电压降为：
（1-2）
S s S Z R jX =+G jB
-
图1-1 等效电路图
另外，负载电流I 可由下式求得：
22()U G jU B P jQ I U G jB U U ?
--=-== (1-3) 把(1-3)代入(1-2)可得：
()s s s s s
s P jQ
U R jX U R P X Q X P R Q j U U
?-?=++-=+ (1-4) 分析图中各参数可看出，和之间的夹角很小，因此:
(1-5)
在一般的电网中，比小得多，因此可以得出这样的结论：电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压一般影响较小。例如：电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质量。
(4) 功率因数降低，设备容量利用少，降低工业生产效益。
1.2 无功补偿
1.2.1 无功补偿概念
由上一节可见，无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的，无功补偿对于供电系统和负荷的运行都是十分重要的：电力系统网络中不仅大多数负载要消耗无功功率，大多数网络组件也要消耗无功功率。网络组件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。因此，合理的方法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即进行合理的无功补偿。
1.2.2 无功补偿的作用及意义
对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能：
(l) 降低过电压。
(2) 减少电压闪变。
(3) 阻尼次同步振荡。
(4) 减少电压和电流的不平衡。
(5) 对动态无功负荷的功率因数校正。
(6) 提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。
(7) 提高供用电系统及负载的功率，降低设备容量，减少功率损耗。
(8) 在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。
(9) 改善电压调整。稳定受电端及电网的电压，提高供电能量，在长距离输电线中合适的地方设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具有相当重要的实际意义：我国电网的建设和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。近年来，随着大功率非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染呈不断上升的趋势，无功调节手段的缺乏使得母线电压随运行方式的变化很大，导致电网（特别是配电系统）的线损增加、电压合格率降低。此外，随着电网的发展，系统稳定性的问题也愈加重要。电网的动态稳定性与快速无功功率调节器的性能有关；电网的电压稳定性与无功功率的有效提供有关。动态无功补偿技术是一种提高电压稳定性的经济、有效的措施，是促进电网安全稳定和战略防御的客观需求，利用它可以提高西电东送工程的输电能力以及受端系统的电压稳定性；为枢纽变电站提供动态无功支撑，从而提高电压稳定性；提高配电网电能质量的综合指标，改善系统的动态和静态品
质。
1.2.3 无功补偿的发展
就在配电力电网迫切需要先进的输配电技术来提高电能质量和系统稳定性的时候，电力电子技术和现代控制技术的迅猛发展，一种改变输电能力的新技术--灵活交流输电系统（Flexible AC Transmission System，简称FACTS）悄然兴起。FACTS技术是基于电力电子技术改造传统交流输电的系列技术，它可以对交流电的无功（电压）、电抗和相角进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用，实现电力系统安全、可靠和经济运行的目标。其发展经历以下几个阶段：
(l) 早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。至今在无功功率领域中这种装置还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但从总体上说这种补偿手段已显陈旧。
(2) 并联电容器的成本较低。把并联电容器和同步调相机比较，在调解效果相近的条件下，前者的费用要节省很多。因此，电容器的迅速发展几乎取代了输电系统中的同步调相机。但是，和同步调相机相比，电容器只能补偿固定的无功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此而烧毁的事故也时常发生。
(3) 静止无功补偿装置（SVC）近年来获得了很大发展，已被广泛用于输电系统阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是晶闸管控制电抗器+固定电容（TCR+FC）。晶闸管投切电容器（TSC）也获得了广泛应用。静止无功补偿装置的重要性是它能连续调节补偿装置的无功功率。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。TSC只能分组投切，不能连续调节无功功
率，它只有和TCR配合使用，才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节。由于具有连续调节的性能且响应速度，因此SVC可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。因TCR装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，也产生大量的谐波，所以，固定电容器通常和电抗器串联构成谐波滤波器，以滤除TCR中的谐波。
(4) 比SVC更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器（SVG）。SVG也是一种电力电子装置。其最基本的电路仍是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用主要是电压型。SVG通过不同的控制，既可使其发出无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功率，呈电感性。采用PWM控制，即可使其输入电流接近正弦波。
尽管SVG与APF在理论上拥有SVC无法比拟的优势，但是限于目前全控型电力电子器件的电压、电流水平，要做到大容量补偿，成本太高。现在广泛应用于国内外输配电系统的SVC在无功补偿、改善电压不平衡度、抑制电压闪变等多个方面的性能表现优良，并且其性价比和技术开发难度适合我国国情，是国内应用此类装置的理想选择在我国较长一段时间内，静止无功补偿器(SVC)仍然占据重要地位，因此，本文选择以静止无功补偿器((SVC)为研究对象。
1.2.4 无功补偿问题的现状及对策
过去电力系统广泛使用的无功补偿方式是固定电容器补偿，采用的原则是“分层分区，就地平衡”。但是现在由于负荷的构成发生了变化，传统的补偿方式已不能适应电力系统的要求，而基于电力电子元器件构成的静止无功补偿装置（Static Var Compensator，SVC）、静止同步补偿装置（static synchronous compensator，STATCOM）等柔性输配电设备则能很好地对无功功率进行动态补偿，具有广阔的前景。前面所提到的由于无功短缺而造成的电压快速崩溃也可以使用这些新设备进
行预防。由于成本问题，目前除了在冶炼企业中SVC得到了大量的应用之外，在电网中只有高电压等级的变电站才有应用，在中压和低压的变电站中鲜有应用。
无功补偿问题的对策如下：
(l) 继续推行无功就地补偿的政策，在冶炼等无功动态变化的行业要求采用SVC等补偿设备。
(2) 在大城市配电网中，如果存在很大的集结空调负荷等坏特性用电设备，在公共母线上也要加装动态无功补偿设备，防止电压崩溃。
(3) 对原有的电压和无功功率控制设备，采用新型完善的控制策略，发挥其在基础无功负荷补偿的作用。
(4) 在采用新型的设备治理无功的同时，注意对谐波状况的监测与治理。
1.3 本文的主要工作
无功补偿是维持电网电压稳定，维护电力系统安全运行的重要手段。无功补偿技术是当前研究的热点之一。无功补偿技术主要包括大功率电子器件、无功电流检测方法、无功的补偿控制技术等主要内容。本文主要研究最广泛的是TCR+FC型SVC在电力系统无功补偿中的应用设计及计算机仿真，主要包括以下内容：
(1) 通过对电能质量要求的分析阐明了无功补偿装置研究的重要性；概述了用户电力技术的发展状况和种类。根据具体研究要求，选择了合适的主电路形式和控制算法类型。
(2) 针对电力系统对SVC控制器的要求，采用闭环反馈控制方式。
(3) 利用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC，对所建立模型进行分析SVC对负荷进行无功补偿的过程，以验证所设计控制算法及模型的正确性。
第二章SVC及其数学模型
2.1 静止无功补偿器（SVC）
2.1.1 SVC概念
静止无功补偿器(Static Var Compensator--SVC)，全称为静止型动态无功补偿装置，属于有源补偿器，所谓静止是指没有运动部件，这和同步调相机不一样，它是一种专指基于晶闸管的静止型动态无功补偿装置，属于柔性交流输电技术范畴，将电力电子元件引入传统的静止并联无功补偿装置，从而实现补偿的快速和连续平滑调节的补偿装置。通常是由并联电容器组(或滤波器)和一个可调节电感量的电感元件组成。SVC与一般的并联电容器补偿装置的区别是能够跟踪电网或负荷的无功波动，进行无功的适时补偿，从而维持电压的稳定。
FACTS技术的概念提出以后，大量的FACTS装置先后被提出。SVC 作为灵活交流输电系统FACTS中的重要一员，是其中一类较早就得到广泛应用的一种FACTS控制器。也是目前世界电力系统应用最多、最为成熟的并联补偿设备之一。IEEE将静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC)定义为一种并联型的静止无功发生器或吸收器，其输出可以调节以交换容性或者感性电流，从而维持或者控制电力系统中的某些特定参数(一般为母线电压)。
2.1.2 SVC的特点
SVC比以往的调相机具有投资省、损耗小、维护简单、可靠性高，特别是响应速度快、控制效果显著等一系列优点，早已在电力系统中获得广泛应用，为电力系统提供了新的动态电压支撑手段。当使用SVC 对直流系统进行无功补偿时，和用直流换流器控制相比，它具有如下优点:
(1) 无功功率控制与有功功率无关。
(2) 无功功率控制HVDC运行无关。
(3) 无功功率控制不影响其他换流器。
(4) 当直流换流器闭锁时，能用SVC来降低过电压。
静止无功补偿器最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化，为此，它要连续调节与电力系统交换的无功功率，这种恒电压特性也是动态并联补偿或分段补偿中最基本的要求，为了减少电压的变化引起的闪烁和其他电压的波动，这个特性也是同样重要的。第二个重要性质是响应速度。补偿器的无功功率，应该对端电压的微小变化迅速做出响应。
2.1.3 SVC的应用
SVC被用作波阻抗补偿，并被用作长距离、高压输电系统的分段补偿。另外它们在负荷补偿方面有很多的用途。从实用的观点出发，SVC 装置主要用于对冲击性负荷用户的就地补偿和用于对电力系统的无功补偿:
(1) 用于冲击性负荷用户的无功补偿，如用于轧钢机、矿山绞车、电弧冶炼炉、电焊机、电气机车、高能加速器、频繁启动的电动机等。其作用是:
a) 改善功率因数;
b) 补偿负载在动态过程中所需的无功;
c) 调整电压，减少电压波动和电压闪变;
d) 滤除大部分高次谐波，改善电压波形;
e) 在不平衡负载处起平衡化作用;
f) 提高冲击负载设备及其邻近电气设备的运行安全性。
(2) 用于电力系统。其作用是:
a) 提高输电线路的输送功率;
b) 按指定要求调整系统电压;
c) 抑制电力系统的次同步谐振;
d) 提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性;
e) 提供阻尼力矩以抑制电力系统的功率振荡;
f) 吸收电力系统中突然涌现的过剩无功，抑制暂时过电压;
g) 对直流输电系统的换流站，提供换相无功和实施电压控制;
h) 减少系统中的负序电流分量，对连接点的三相电压起平衡作用;
i) 在枢纽变电所或终端变电所灵活的补偿无功功率，提供随机性调相功能。
2.1.4 SVC的基本类型
SVC的构成形式有多种，应用于电力系统的静止无功补偿器主要有三种类型，即SR(自饱和型电抗器型)、TCR(晶闸管控制电抗器)、TSC(晶闸管投切电容器)。
目前静止无功补偿装置种类很多，但使用最广泛的是TCR+FC型SVC。
2.2 TCR+FC型SVC设计
2.2.1 TCR特性
本文主要介绍的正是电力系统中广泛应用的TCR+FC型静止无功补偿器，故以下仅对其重要元件TCR、结构、原理做详细说明。
晶闸管控制电抗器(TCR)是SVC中最重要的组成部件之一，IEEE将晶闸管相控电抗器(TCR)定义为一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管的导通时间，它的有效电抗可以连续变化。下图2-1给出了单相可控硅或晶闸管控制电抗器(TCR)的电路，它由一个电抗器与两组可
控硅串联而成，其中两可控硅接成正反向并联被称为TCR阀。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波导通，而晶闸管阀在供电电压的负半波导通。晶闸管的触发角以其两端之间电压的过零点时刻作为计算的起点。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于接入了电感性负载的交流调压电路。
图2-1 单相TCR电路
若电源电压Vs表示为：
（2-1）根据图3.1，回路电压方程可写为:
（2-2）设边界条件，则可解出上式中电流表达式：
（2-3）其中，为可控硅触发角，单位用弧度。
由上式可知，对应于不同的触发角，可以得到不同的电流，也同时对应着不同的两端电压。在电力系统的补偿装置中，我们只讨论基波电流下SVC的参数情况，根据傅立叶分解，基波电流的一般形式可写为: