1、摘 要本文主要介紹MATLAB在靜止無功補償設計中的應用。總結了幾種常見的無功補償裝置，并比較了其優點及缺點。研究了靜止無功補償器（SVC)在提高電網電壓穩定性中的應用，對靜止無功補償器SVC的功能進行了說明。闡述了各種靜止無功補償技術的原理、優點、缺點以及其在電力系統中的應用情況。闡述了一種TCR-TSC型無功補償裝置（SVC)設計，對系統級模型進行理論分析，采用MATLAB對模擬系統進行了仿真。仿真結果表明加入SVC裝置的系統可以有效改善電網系統電壓變化，能顯著改善電網系統中電壓質量。關鍵詞：靜止無功補償裝置,功率因數，MATLAB仿真ABSTRACTThis paper describe

2、s the MATLAB application in the design of Static Var Compensator.It summarizes several common reactive power compensation,their strengths and weaknesses are compared.The application of static var compensator to improve voltage stability of power grid was studied. The function of static var compensat

3、or(SVC) was explained .The principle,advantageous and drawback of various static var compensator and there application in the electric system were expounded.A TCR-TSC static var compensator (SVC) is designed in this paper.It is theoretically Analysis the SVC system-level model. Then the model system

4、 is simulated by using MATLAB.The simulation results show that the SVC device can effectively improve the power system voltage changes can significantly improve the voltage quality in the grid system.Keywords：Static Var Compensator(SVC)，Power factor，MATLAB Simulation目錄1. 引言51.1課題背景51.2國內外研究現狀和研究意義61

5、.3論文工作介紹92. 無功功率及無功補償概述102.1 無功功率102.2無功補償的意義與作用122.2.1無功補償概述122.2.2無功補償的意義與作用122.3無功補償基本事項142.3.1 無功補償的原則142.3.2無功補償的方式142.3.4 配電網無功補償存在的問題152.4無功補償發展歷程163. 靜止無功功率補償器203.1概述203.2 SVC分類213.3 SVC動態補償原理213.4 晶閘管相控電抗器（TCR）223.4.1 TCR結構223.4.2 TCR的運行特性243.5晶閘管投切電容器（TSC）253.5.1 TSC的結構253.5.2TSC的運行特性264.

6、MATLAB仿真274.1 MATLAB概述274.2仿真的必要性和優越性294.3基于TCR和TSC仿真模型304.3.1晶閘管控制電抗器仿真圖314.3.2晶閘管投切電容器仿真圖324.3.3 SVC控制系統334.4仿真分析及結論35總結與展望37致謝39參考文獻401. 引言1.1課題背景在電力系統中，供電的質量、電網運行的安全可靠性和經濟性是最根本的問題。快速合理地調節電網無功功率，對交流電網的電壓穩定和系統電壓的調節，合理分配潮流及限制電網過電壓方面有著十分重要的意義。隨著電力工業的高速發展，超高壓、特高壓電網相繼投入運行，人們對供電質量及可靠性的要求越來越高。由此產生了一系列問題

7、：超高壓大電網的形成及負荷變化加劇，要求大量快速響應的可調無功電源來補償系統所缺無功，進而調整電壓，維持系統無功潮流平衡，減少損耗，提高供電可靠性。電力系統中，異步電動機和變壓器等設備要消耗大量的無功功率。這些無功功率如果不能及時地得到補償，會對電網安全、穩定運行產生不利影響：(1)降低發電機有功功率的輸出。(2)降低輸、變電設備的供電能力。(3)造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。(4)造成低功率因數運行，使電氣設備容量得不到充分發揮。另外，無功儲備的不足會導致電網電壓水平的降低。如果是沖擊性的無功功率的負載，還會使電壓產生劇烈的波動，例如電弧爐、軋鋼機等大型設備會產生頻繁的無功功率沖擊，

8、使電網的供電質量更加惡化。當前，人們對電能質量的要求越來越高，保持適量的無功裕度是電網安全、穩定、經濟運行的重要保障。鑒于以上所述種種危害，如何快速有效地補償電力系統中的無功缺額，具有重要的現實意義。從發電機和高壓輸電線供給的無功功率，遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。從電力系統的誕生開始，并聯補償技術就開始在電力系統中應用，傳統的無功補償設備有并聯電容器、調相機和同步發電機等，由于并聯電容器阻抗固定，不能動態地跟蹤負荷無功功率的變化；而調相機和同步發電機等補償設備又屬于旋轉設備，其損耗、噪聲

9、都很大。所以這些設備已經越來越不適應電力系統發展的需要。SVC是目前電力系統中應用最多、最為成熟的并聯補償設備，IEEE將靜止型無功補償器(SVC)定義為一種并聯型的靜止無功發生器或者吸收器，其輸出可以調節以交換容性或者感性電流，從而維持或者控制電力系統中的某些特定參數(一般為母線電壓)。現今所指的靜止無功補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設備，主要有以下三大類型：自飽和電抗器(SR)，晶閘管投切電容器(TSC)，晶閘管控制電抗器(TCR)。由于SR型靜止無功補償裝鼉不能附加其他控制信號，因此控制靈活性較差，運行噪聲大，為降低噪聲對環境的影響，有時要專門為飽和電抗器建造一個隔音室。不能分相調

10、節，不能直接與超高壓連接，由于自飽和電抗器在額定電壓時鐵芯需要工作于飽和狀態，磁通密度較高，鐵芯截面積比普通變壓器要小，所以單位容量損耗大，且散熱較難，制作要求高。自然相對來說價格較高。晶閘管投切電容器(TSC)是用晶閘管代替普通開關對多組電容器進行投切，補償方式為分級補償，優點是效率高(995997)，不產生諧波，多用于低壓電系統。缺點是不能連續調節，同時因為電容應在系統電壓與電容殘壓相等時才投入，所以響應速度較慢。晶閘管控制電抗器+固定電容器(TCR+FC)是目前最理想的SVC補償方式。獨的TCR由于只能提供感性的無功功率，因此往往與并聯電容器配合使用。并上電容器后，使得總的無功功率為TC

11、R與并聯電容器無功功率抵消后的凈無功率，因而可以將補償器的總體無功電流偏置到可吸收容性無功的范圍內。另外，聯電容器串上小的調諧電抗器還可兼作濾波器，以吸收TCR產生的諧波電流。過控制與電抗器串聯的反并聯晶閘管的導通角，既可以向系統輸送感性無功電，又可以向系統輸送容性無功電流。由于該補償器響應時問快(小于半個周波)，活性大，而且可以連續調節無功輸出，所以目前在我國的輸電系統和工業企業中用最為廣泛。又由于其具有連續調節的性能且響應迅速，使得它在校正動態無功荷的功率因數、改善電壓調整、提高電力系統的靜態和動態穩定性、阻尼功率振、降低過電壓、阻尼次同步振蕩、減少電壓和電流的不平衡方面都有較好的作用，且

12、維護簡單、成本較低。雖然近幾年基于變流器的STATCOM比起SVC具有更好的動態補償性能，但經濟性、裝置容量、技術現狀、可靠性和發展趨勢等各方面綜合考慮，在未來相長的一段時間內，SVC仍將是大量采用的動態無功補償技術。所以，SVC的理論研究及工程設計仿真將是本文的重點。由于電力系統非線性特點以及對系統安全運行要求的不斷提高，常規的SVC控制方法已經無法滿足電力系統發展的需要，而新一代的SVC控制系統的研究才剛剛起步，對一個經存在的龐大的電力系統，SVC面向不同的補償對象控制策略也是不一樣的。為充分發掘TCR型SVC的潛在能力，有必要對其控制方式進行深入的分析，本文對TCR型控制策略進行分析，找

13、出適合的控制方法，并在MATLAB上進行電力統建模仿真，分析其結果。1.2國內外研究現狀和研究意義目前廣泛應用于國內外輸配電系統的SVC在無功補償、改善電壓不平衡度、抑制電壓閃變等多方面性能優良，性價比和技術開發難度適合我國國情，是國內應用此類裝置的理想選擇。目前世界上幾個著名的電氣生產商(如瑞士ABB公司、德國西門子公司、法國阿爾斯通公司、美國通用電氣公司以及日本東芝、三菱等公司)在SVC裝置的研制方面都具有較為成熟的技術和經驗。國內的理論研究及探討的文章不少，但國產化產品的開發、生產缺少實質性的工作。原機械部于1985年從瑞士BBC公司引進SVC制造技術，水冷卻、光電觸發。但控制器仍采用模

14、擬技術，未能得到廣泛推廣。鞍山榮信公司于90年代引進烏克蘭TCR型SvC技術，采用熱管散熱、電磁觸發，控制器采用單片機等一系列技術，由于總體技術落后，但其價格較低、機制靈活，在國內鋼鐵行業推出得到了較廣泛的應用。1999年中國電科院在原國家電力公司的資助下開始了“靜止無功補償器實用化技術的研究”，并在2002年推出了TCR平臺，采用了全數字化控制、封閉式純水冷卻、綜合自動化、光電觸發等技術，并將其成功運用于電弧爐的治理工程。但就輸電網而言，對于高壓大容量的SVC國內尚不具備制造能力，特別是關鍵技術的系統集成能力。目前國內一些產家也推出了自己的TCR型SVC產品，但大多仍以低壓產品為主，主要的生

15、產產家有鞍山榮信公司、北京金白天正公司、中國電力科學研究院、保定三伊公司、西安電力電子研究所、深圳波宏公司等。但總體來看，國內對無功和電壓進行實時、動態補償和自動調節的技術還相對落后，國內對高壓TCR裝置研制和生產還處于起步階段。SVC在實際工程實踐中主要有以下應用：(1)輸電線路：在高壓輸電系統中SVC具有改善電壓控制、提高穩定性、增加電能力、阻尼系統振蕩、降低工頻過電壓等功能。電網負荷中心樞紐點電壓關系至系統電壓的穩定性和廣大用戶的電壓質量，用SVC技術能有效解決電壓控制問題，早己被國內外大量工程實踐所證實，但產SVC(TCR型)在我國電網中的成功應用僅開始于2004年。在遠距離輸電系統的

16、末端和中間站設置svc裝置，只要容量和技術性能(Up應速度與靈敏度等)合適，一般可在該處建立電壓支撐點。這些電壓支撐點可把線分成若干段，每段各自按照近于90。的傳輸功率角輸電。加拿大魁北克水電局將該省拉格蘭德河和拉剖第河上的16000MW水電送至負荷中心蒙特利爾，原方需架設10回735kV輸電線，現方案只有6回735kV輸電線，另外在4個變電站別安裝8組300Mvar總計2400Mvar的SVC裝置，取得了很好的經濟效益，而且定性也很好。電力輸送的能力會受系統阻尼不足的限制，改進阻尼的方法可以采取在發電機的勵磁系統中裝設對阻尼有適當控制的SVC。SVC可以裝設在電力系統的任何地點，這就是說可選

17、擇最有利的安裝地點，能做到瞬時控制無功功率，控制程度能選擇，既能提高暫態穩定性，又能加強阻尼，SVC可以同時兼作不同的用途，只要選擇不同的優先次序及不同的控制方式即可實現，不論電網經受何種干擾，也不論振蕩頻率是多少，均可獲得對電網的最佳效果。高壓自流輸電是一種與交流輸電相輔相成的先進輸電方式。自流輸電系統有時需要采用SVC來解決以下問題：補償無功。整流站及逆變站各需40-60的補償無功，這些無功應通過交流濾波器、并聯電容器、并聯電抗器、同步補償機及SVC等按具體情況進行配合來滿足，吸收諧波，調整電壓，抑制過電壓，降低絕緣要求。電弧爐作為非線性及無規律負荷接入電網，將會對電網產生一系列不良影響，

18、其中主要問題是：導致電網三相嚴重不平衡，產生負序電流，產生高次諧波，其中普遍存在如2，4偶次諧波與3，5，7次等奇次諧波共存的狀況，使電壓畸變更為復雜化，存在嚴重的電壓閃變，功率因數低。SVC具有快速的動態響應速度的特點，它可向電弧爐快速提供無功電流并且穩定母線電網電壓，最大限度地降低閃變的影響，SVC具有的分相補償功能可以消除電弧爐造成的三相不平衡，濾波裝置可以消除有害的高次諧波并通過向系統提供容性無功來提高功率因數。(3)軋機及其他大型電機對稱負載引起電網電壓降及電壓波動，嚴重時使電氣設備不能正常工作，降低了生產效率，使功率因數降低；負載在傳動裝置中會產生有害的高次諧波，主要是以5，7，l

19、l，13次為代表的奇次諧波及旁頻，會使電網電壓產生嚴重畸變。安裝SVC系統可解決上述問題，保持母線電壓平穩。 (4)城市二級變電站(66KV-IIOKV)：在區域電網中，一般采用分級投切電容器組的方式來補償系統無功，改善功率因數，這種方式只能向系統提供容性無功，并且不能隨負載變化而實現快速精確調節，在保證母線功率因數的同時，容易造成向系統倒送無功，抬高母線電壓，危害用電設備及系統穩定性。TCR結合固定電容器組FC(fixed capacitor)或者TCR+TSC可以快速精確的進行容性及感性無功補償，穩定母線電壓、提高功率因數。并且，在改造舊的補償系統時，在原有的固定電容器組的基礎上，只需增加

20、晶閘管相控電抗器(TCR)部分即可,用最少的投資取得最佳的效果，成為改善區域電網供電質量的最有效方法。(5)電力機車供電：電力機車運輸方式在保護環境的同時也對電網造成了嚴重的“污染”，因電力機車為單相供電，這種單相負荷就造成了供電網的嚴重三相不平衡及低的功率因數，目前世界各國解決這一問題的唯一途徑就是在鐵路沿線適當位置安裝SVC系統，通過SVC的分相快速補償功能來平衡三相電網，并通過濾波裝置來提高功率因數。顯然，SVC技術對解決上述問題具有相當重要意義。當然，具體的最佳解決方案應通過深入細致分析，作技術經濟比較后才能得到。隨著SVC技術國產化的成功，SVC在國內電網中的應用有廣闊前景。因此，S

21、VC具有較高的研究價值和較好的市場應用前景。1.3論文工作介紹本文主要介紹靜止無功補償的基本原理。1.介紹無功功率和無功補償基本概念以及無功補償在電力系統中的作用。2.介紹SVC的工作原理以及SVC在無功功率補償中的重要作用，著重介紹TCR型和TSC型的SVC基本原理、運行特性。3.通過MATLAB自帶的Simulink仿真環境，結合具體事例建立仿真模型以及對仿真結果的分析。4.通過MATLAB仿真對比FC-TCR和TSC-TCR在靜止無功補償中的作用5.對全文工作進行總結，并對今后的工作進行了展望，提出需要進一步改進和完善之處。2. 無功功率及無功補償概述2.1 無功功率交流電網以及接在交流

22、電網上的設備一單通電，就會產生一個與所加交流電壓相關的時變電場，同時會產生一個與所流經電流相關的時變磁場。當這些電場和磁場建立起來時，能量就會被儲存起來，而當這些電場和磁場消失時，能量就被釋放出來。除了在電阻元件上的消耗，所有能量耦合設備，包括變壓器和能量轉換裝置（例如電動機和發電機），都根據它們儲存和釋放能量來運行的。對于圖2.1a所示的交流電路，從電壓源到負荷的瞬時功率可以由瞬時電壓v和瞬時電流i計算得出 （2.1）在穩態時，因此 （2.2）其中，V和I分別是v和i的均根值（rms)。式（2.1）和式（2.2）可以用圖形來表示，如圖2.1b所示。式（2.2）包含有兩個倍頻（2）分量，第一項

23、平均值為，其倍頻分量的峰值為，這一平均值就是從電源流向負荷的有功功率P；第二個倍頻的分量的峰值為，其平均值為零。如果用向量來表示，圖2.1a網絡中的復功率可以表示為： （2.3）式中，P是有功功率，單位為瓦特（W），Q稱為無功功率，單位為乏（Var）。比較式（2.3）和（2.2）可以看出，式（2.2）中瞬時功率第二個倍頻分量的峰值就是無功功率。為了產生所需要的耦合電場和磁場，無功功率是必須的。它是電路中電壓和電流負載的一個組成部分，但它不產生有功功率消耗。事實上無功功率是所有交流電網的一個重要組成部分。在大功率電網中，有功功率和無功功率的單位分別為兆瓦和兆乏。圖2.1 交流電網中的電氣參數電磁

24、型設備將能量儲存在它們的磁場中，這些設備吸收滯后的電流，從而產生正值Q，因此通常被稱為無功功率吸收器。靜電型設備將能量儲存在電場中，這些設備吸收超前電流，從而產生負值Q，因此被看做是無功功率的發出器。官方定義：國際電工委員會給出的無功功率的定義是：電壓與無功電流的乘積為無功功率。其物理意義是：電路中電感元件與電容元件活動所需要的功率交換稱為無功功率。電網中電力設備大多是根據電磁感應原理工作的，他們在能量轉換過程中建立交變的磁場，在一個周期內吸收的功率和釋放的功率相等。電源能量在通過純電感或純電容電路時并沒有能量消耗，僅在負荷與電源之間往復交換，在三相之間流動，由于這種交換功率不對外做功，因此稱

25、為無功功率。從物理概念來解釋感性無功功率：由于電感線圈是貯藏磁場能量的元件，當線圈加上交流電壓后，電壓交變時，相應的磁場能量也隨著變化。當電壓增大，電流及磁場能量也就相應加強，此時線圈的磁場能量就將外電源供給的能量以磁場能量形式貯藏起來；當電流減小和磁場能量減弱時，線圈把磁場能量釋放并輸回到外面電路中。交流電感電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與磁場能量之間的往復轉換。從物理概念來解釋容性無功功率：由于電容器是貯藏電場能量的元件，當電容器加上交流電壓后，電壓交變時，相應的電場能量也隨著變化。當電壓增大，電流及電場能量也就相應加強，此時電容器的電場能量就將外電源供給的能量以電場能量形式貯藏起來；

26、當電壓減小和電場能量減弱時，電容器把電場能量釋放并輸回到外面電路中。交流電容電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與電場能量之間的往復轉換。無功功率分類：1.感性無功：電流矢量滯后于電壓矢量90° 如電動機、變壓器、晶閘管變流設備等2.容性無功：電流矢量超前于電壓矢量90° 如電容器、電纜輸配電線路等3.基波無功：與電源頻率相等的無功（50HZ）4.諧波無功：與電源頻率不相等的無功2.2無功補償的意義與作用2.2.1無功補償概述 電力系統中，不但有功功率要平衡，無功功率也要平衡有功功率、無功功率、視在功率之間的相量關系功率三角形，由式cos=P/S可知，在一定的有功功率下，功率

27、因數cos越小，所需的無功功率越大。為滿足用電的要求，供電線路和變壓器的容量就需要增加。這樣，不僅要增加供電投資、降低設備利用率，也將增加線路損耗 。為了提高電網的經濟運行效率，根據電網中的無功類型，人為的補償容性無功或感性無功來抵消線路的無功功率。無功補償的意義與作用隨著我國國民經濟的飛速發展，電網規模的逐漸增大，工業電弧爐、軋鋼機、 電力機車等沖擊性負荷在工業應用領域中大量使用，這些負荷功率因數低，無功變化大且急劇，運行時會造成低壓配電網電壓的急劇波動，從而惡化電能質量和造成大量線路損耗，而且在系統中注入了大量的高次諧波，嚴重影響了系統供電的電能質量，使用戶的正常工作受到不同程度的影響。如

28、何對上述負荷的供電采取有效的補償，快速地提供其在動態過程中所需的無功，從而抑制其引起的電壓波動和閃變，在國內越來越引起供電部門和工業用電大戶的關注。因此，提高供電的可靠性和電能質量，提高配電網的經濟運行水平具有重要的價值，這也是推動電力工業技術進步的要求。 無功補償的主要作用就是提高功率因數以減少設備容量和功率損耗、穩定電壓和提高供電質量，在長距離輸電中提高輸電穩定性和輸電能力以及平衡三相負載的有功和無功功率。安裝并聯電容器進行無功補償，可限制無功功率在電網中的傳輸，相應減少了線路的電壓損耗，提高了配電網的電壓質量。具體如下：1提高電壓質量把線路中電流分為有功電流Ia和無功電流Ir，則線路中的

29、 電壓損失: 式中： P有功功率，KW Q無功功率，Kvar U額定電壓，KV R線路總電阻， Xl線路感抗，因此，提高功率因數后可減少線路上傳輸的無功功率Q，若保持有功功率不變，而R、Xl均為定值，無功功率Q越小，電壓損失越小，從而提高了電壓質量。2提高變壓器的利用率，減少投資 功率因數由提高到提高變壓器利用率為： 由此可見，補償后變壓器的利用率比補償前提高S%，可以帶更多的負荷，減少了輸變電設備的投資。3減少用戶電費支出 （1）可避免因功率因數低于規定值而受罰。 （2）可減少用戶內部因傳輸和分配無功功率造成的有功功率損耗，電費可相應降低。4.提高電力網傳輸能力有功功率與視在功率的關系式為：

30、 可見，在傳輸一定有功功率的條件下，功率因數越高，需要電網傳輸的功率越小。2.3無功補償基本事項 無功補償的原則從電力網無功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率，尤以低壓配電網所占比重最大。為了使電網補償能取得最佳的綜合效益，要綜合比較各種無功補償的經濟效益和最優分布方案，應按照“全面布局，分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。國家電力系統電壓和無功電力技術導則規定，無功補償與電壓調節應以下列原則進行：a.總體平衡與局部平衡相結合；b.電力補償與用戶補償相結合； c.分散補償與集中補償相結合；d.降損與調壓相結合，以降損為主。無功補償的技術原則：無功補償應

31、盡量分層(按電壓等級)和分區(按地區)補償，就地平衡，避免無功電力長途輸送與越級傳輸（詳見：國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則）。無功補償在實際應用中應當就地、分級實行，避免這一級的諧波污染影響到他用電等級。無功補償的方式 配電網無功補償的主要方式有五種：變電站補償、配電線路補償、隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。后三者屬于低壓配電網的補償方式。下面簡要介紹一下這五種補償方式的優缺點：變電站補償：針對電網的無功平衡，在變電站進行集中補償，補償裝置包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等，主要目的是平衡電網的無功功率，改善電網的功率因數，提高系統終端變電所站的母線電壓，補償變電站主變壓器和高壓

32、輸電線路的無功損耗。這些補償裝置一般集中接在變電站10kV母線上，因此具有管理容易、維護方便等優點，缺點是這種補償方式對10kV配電網的降損不起作用。配電線路補償：線路無功補償即通過在線路桿塔上安裝電容器實現無功補償。線路補償點不宜過多；控制方式應從簡，一般不采用分組投切控制；補償容量也不宜過大，避免出現過補償現象；保護也要從簡，可采用熔斷器和避雷器作為過流和過壓保護。線路補償方式主要提供線路和公用變壓器需要的無功，該種方式具有投資小、回收快、便于管理和維護等優點，適用于功率因數低、負荷重的長線路。缺點是存在適應能力差，重載情況下補償不足等問題。隨機補償：隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接

33、，通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補償勵磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負荷。隨機補償的優點：用電設備運行時，無功補償投入；用電設備停運時，補償設備也退出，而且不需頻繁調整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護簡單、事故率低等。隨器補償：隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷，主要是變壓器的空載勵磁無功。配變空載無功是用電單位無功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導致電費單價的增加。隨器補償的優點：接線

34、簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制低壓電網無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網損，具有較高的經濟性，是目前補償無功最有效的手段之一。跟蹤補償：跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶04kV母線上的補償方式。適用于lOOkVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。跟蹤補償的優點是運行方式靈活，運行維護工作量小，比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。但缺點是控制保護裝置復雜，首期投資相對較大。但當這三種補償方式的經濟性接近時，應優先選用跟蹤補償方式。 配電網無功補償存在的問題無功倒送問題：無

35、功倒送會增加線路和變壓器的損耗，加重線路供電負擔。固定補償部分容量過大，也容易出現無功倒送。三相不平衡問題：系統三相不平衡同樣會增大線路和變壓器的損耗。對三相不平衡較大的負荷，比如機關、學校等單相負荷多的用戶，應考慮采用分相無功補償裝置。諧波的問題：諧波含量過大時會對電容器的使用壽命產生影響，甚至造成電容器的過早損壞；并且由于電容器對諧波的放大作用，將使系統的諧波干擾更加嚴重。因此做無功補償時必須考慮諧波治理，在存在較大諧波干擾，又需要補償無功的地點，應考慮增加濾波裝置。優化的問題：目前無功補償的出發點往往放在用戶側，只注意補償用戶的功率因數。然而要實現有效的降損，必須從整個電力系統出發，通過

36、計算全網的無功潮流，確定配網的補償方式、最優補償容量和補償地點，才能使有效的資金發揮最大的效益。2.4無功補償發展歷程無功功率補償裝置先后經歷了早期調相機，到目前廣泛采用的并聯電容器、并聯電抗器、各種類型的SVC，以及新出現的新型靜止無功發生器(STATCOM)。下面分別介紹各種無功功率補償的特點。1、同步調相機調相機是電網中最早使用的無功補償裝置。調相機的基本原理與同步發電機沒有區別，它不發有功功率只輸出無功電流，因此不需要原動機拖動，沒有啟動電機的調相機也沒有軸伸，實質就是相當于一臺在電網中空轉的同步發電機。調相機的工作是通過改變激磁電流的大小來實現無功功率的調節。當增加激磁電流時，其輸出

37、的容性無功電流增大。當減小激磁電流時，其輸出的容性無功電流減小。當激磁電流減小到一定程度時，輸出無功電流為零，只有很小的有功電流用于彌補調相機的損耗。當激磁電流進一步減小時，輸出感性無功電流。在系統電壓偏低時，過勵磁運行供給無功功率而將系統電壓調高；在系統電壓偏高時，欠勵磁運行吸收系統多余的無功功率而將電壓調低。調相機容量大、有較大的過負荷能力、對諧波不敏感、可以雙向、連續調節：能獨立地用調節勵磁來調節無功的大小；并且具有當電網電壓下降時輸出無功電流自動增加的特點。但其價格高，效率低，運行成本高；起動、運行、維修復雜；動態調節響應慢：不適應太大或太小的補償；發生失磁故障時將加重系統的電壓波動。

38、2、并聯電容器補償并聯電容器補償是目前應用最廣的一種無功補償方式，其電壓等級和補償容量可以通過電容器的串聯、并聯來實現，理論上可以達到任何的電壓等級和補償容量。由于沒有旋轉部件，因此運行時基本上沒有噪聲。并且目前隨著無功補償電容器技術的發展，高壓電容器的損耗率已降至O05以下，而調相機的有功損耗滿載時占額定功率的1855，50額定負載時占299，25額定負載時高達515，而且自愈式電容器其自身都有自愈能力使得其可靠性大大提高。1999年底全國電網調相機與并聯電容器容量之比已達l：256左右。由于電容器阻抗與頻率成反比，因此對于系統中的高次諧波呈現低阻抗，易于系統阻抗形成串并聯諧振，對系統中的諧

39、波進行放大。同時由于大量諧波的流入易引起電容器的過負荷運行，使電容器發熱超過設計值，減少電容器的使用壽命。并聯電容器補償具有功率損耗小、投資少、可自動投切、維護簡易、容量可任意選擇等特點，但不能連續調節、負荷調節特性差，這是由于當無功負荷增大，電容器的補償容量與電壓的平方成正比因電壓下降而無功輸出減小，故調壓效果下降：對系統中的高次諧波有放大作用，在諧波電流過大時，可能引起內部過熱，嚴重時甚至引起爆炸。3、并聯電抗器并聯電抗器調壓主要用在超高壓(330kV及以上)系統的線路上，其主要功能是：吸收容性電流，補償容性無功，使系統達到無功平衡；削弱電容效應，限制系統的工頻電壓升高及操作過電壓。其不足

40、之處是容量固定的并聯電抗器，當線路傳輸功率接近自然功率時，會使線路電壓過分降低，且造成附加有功損耗，但若將其切除，則線路在某些情況下又可能因失去補償而產生不能允許的過電壓。4、靜止無功補償器靜止無功補償器(SVC)是用戶電力技術(CustomerPower，CusPow)的一種，是20世紀70年代初期發展起來的新技術。“靜止"是針對旋轉的同步調相機而言的，國內多稱其為動態無功補償器，這是針對固定電容器組(FixedCapacitor，FC)而言。SVC是通過控制晶閘管的導通角來快速調節并聯電抗器的大小或投切電容器組。它對調節負荷功率因數、穩定和平衡系統電壓、消除流向系統的高次諧波電流

41、、平衡三相負荷等有顯著的作用。將它裝設于高壓輸電系統可用以控制長距離輸電線路甩負荷、空載效應等引起的動態過電壓，改善系統的暫態穩定性，抑制系統的無功功率及電壓振蕩。它具有價格適中，性能可靠等特點。SVC最基本的兩種類型結構為晶閘管相控電抗器型(TCR)和晶閘管投切電容器型(TSC)。TCR和TSC可以相互之間組成TCR+TSC，或者與FC組成TCR+FC和TCR+TSC+FC等混合型結構，對于負載補償絕大多數采用TCR+FC型。5、靜止無功發生器靜止無功發生器(Static var Generator，SVG)也被稱為靜止同步補償器(STATCOM)161，是在20世紀80年代以來出現的更為先

42、進的靜止無功補償裝置。圖3.3為SVG的基本構成，它由直流電容、電壓型變流器和與系統連接的變壓器構成。裝置中6個可關斷晶閘管(GTOIGBT)分別與6個二極管反向并聯，適當控制GTOIGBT的通斷，可以把電容器C上的直流電壓轉變成為與電力系統電壓同步的三相交流電壓，裝置的交流側通過電抗器或變壓器并聯接入系統。適當控制逆變器的輸出電壓就可以靈活地改變SVG的運行工況，使其處于容性負荷、感性負荷或零負荷狀態。與SVC相比，SVG的響應速度更快，運行范圍更寬，諧波電流含量更小，尤其重要的是，電壓較低時SVG仍可向系統注入較大的無功電流。在穩態情況下，SVG的直流側和交流側之間沒有有功功率交換，無功功

43、率在三相之間流動，因此它的直流儲能元件(電容器)只需要較小容量的電容即可。圖3.3SVG系統原理圖和電壓電流特性曲線與SVC相比，SVG的調節速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲能元件，諧波含量小，同容量占地面積小，在系統欠壓條件下無功調節能力強。此外，SVG裝置用銅和鐵較少，且有優良的補償特性，因此是新一代無功補償裝置的代表，有很大的發展前途。綜合上述我們可以得出各無功補償的方法的優缺點如表11所示。項目裝置同步調相機（SC）SVC或FC+SVCTSCTCR+TSC或TCR+MSCSVG響應速度慢較快較快較快快吸收無功連續連續分級連續連續控制簡單較簡單較簡單較簡單復雜諧波電流無大無大小分相

44、調節有限可以有限可以可以損耗大中小小很小噪聲大小小小很小表11 各種無功功率動態補償裝置的優缺點3. 靜止無功功率補償器3.1概述靜止無功功率補償器（Static Var CompensatorSVC）是指其輸出隨電力系統特定的控制參數而變化的并聯連接的靜止無功功率發生裝置或無功功率吸收裝置。這里的“靜止”是專指SVC沒有運動或旋轉部件。與同步調相機相比較，SVC 是完全靜止的設備。但它的補償過程是動態的，即可根據系統無功功率的需求或電壓的變化自動跟蹤補償。SVC的一個重要特征是主要依靠晶閘管等電力電子器件完成調節或投切功能，它可以頻繁地調節和投切，其動作速度是毫秒級的，遠比機械設備的動作速度

45、要快。SVC的稱呼也有一個統一的過程。在靜止無功功率補償應用的初期，它還沒有明確的定義，因而稱呼也很多。在國外，除了稱之為SVC外，還被稱為靜止電壓并聯穩定裝置（SVS）、靜止并聯穩定裝置（SSS)。國內在70年代末開始引入靜止無功功率補償時稱之為動態無功功率補償裝置，后來又稱其為靜止無功功率系統和SVC。在1986年幼國際大電網會議組織（CIGRE）第38專業委員會（電力系統分析和技術）統一規定為SVC后，才在國內外統一稱為SVC。SVC的基本作用是連續而迅速地控制無功功率，并通過發出貨吸收無功功率來控制所連接的輸電系統的節點電壓。因此SVC的顯著特點是能快速、平滑調節容性或感性無功功率，實

46、現動態補償。靜止無功功率補償系統中的各種無功功率補償器都是用無功功率器件（電容器和電抗器）產生武功功率，兵器根據需要調節容性或感性電流，這種調節可以采用聯系調節或投切的方法進行。目前，由于它的兩大特點：一是靜止型，其主要部件是無轉動部分；二是動態補償，其反應速度很快，能及時跟蹤無功功率快速變化做出變化、調節性能好、運行損耗和維護費用低，并且可作為多方面應用等優點。所以，SVC被廣泛應用，而且頗具有發展潛力。與傳統的電容器及同步調相機相比，它的唯一缺點是設計制造相對比較復雜。目前，靜止無功功率補償器已廣泛用于輸電系統、工業網系統。在輸電系統，控制長距離輸電線甩負荷、空載效應等引起的過電壓（動態）

47、；改善系統的暫態穩定抑制系統的無功功率及電壓振蕩；維持輸電線的電壓，提高線路輸送有功的能力，特別是由于它的快速反應，使其能對故障引起的系統擾動提供較好的阻尼。在工業網系統中，能使電壓閃變削弱到規定值范圍以內；調節負荷功率因數，限制無功功率向系統倒流，減少無功功率引起的損耗，提高輸電網的輸送有功功率的能力，穩定和平衡系統電壓；限制流向系統的諧波電流；平衡三相負荷，減少工業網對通信系統的干擾，提高用電質量。3.2 SVC分類常見的SVC有四種形式：SR(自飽和型電抗器型)、TCR(晶閘管控制電抗器)、TCT(晶閘管控制高漏抗變壓器)、TSC(晶閘管投切電容器)。國際大電網會議將SVC分為：機械投切

48、電容器型(MSC)、機械投切電抗器型(MSR)、自飽和電抗器型(SR)、晶閘管控制電抗器型(TCR)、晶閘管投切電容器型(TSC)、晶閘管投切電抗器型(TSR)、自換相或電網換相器型(SCCLCC)7種。3.3 SVC動態補償原理SVC對電力系統中的無功功率進行快速的動態補償，可以實現對動態無功負荷的功率因數的校正、改善電壓調整、提高電力系統的靜態和動態穩定性、阻尼系統振蕩、降低過電壓、減少電壓閃爍、阻尼次同步振蕩、減少電壓和電流的不平衡。應當指出的是，以上這些功能雖然是相互關聯的，但實際的靜止無功不差裝置往往只是對其中某一條或者某幾條為直接控制目標，其控制策略也因此不同。因此，這些功能有的屬

49、于對一個或者幾個在一起的負載的補償效果（負載補償），有的則是以整個輸電系統性能額改善和傳輸能力的提高為目的（輸電補償），而改善電壓調整，提高電壓穩定度，則可以看作是兩者的共同目標。在不同的應用場合，對補償裝置容量要求也不一樣，要求的容量較小，而以電力系統性能為直接控制的系統用無功補償裝置，則要求較大的容量。下面以改善電壓調整的基本功能為例對無功功率動態補償的原理作簡單介紹。圖3.1(a)所示為系統、負載和補償器的單相等效電路圖。其中，U為系統線電壓：R和X分別為系統電阻和電抗。設負載變化很小，故有AU<<U，則假定R<<X時，反映系統電壓與無功功率變化的特性曲線如圖3.

50、1(b)中實線所示，由于系統電壓變化不大，其橫坐標也可以換為無功電流。可以看出，該特性曲線是向下傾斜的，即隨著系統供給的無功功率Q的增加，系統電壓下降。由電力系統中的分析可知，系統的特性曲線可近似用下式表示： (3.1)或者寫為： (3.2)式中無功功率為零時的系統電壓。 系統短路容量。圖3.1無功功率動態補償原理（a）單相電路簡圖 （b）動態補償原理可見，無功功率的變化將引起系統電壓成比例的變化，投入補償器后，系統供給的無功功率為負載和補償器無功功率之和，即： （3.3）因此，當負荷無功功率變化時，如果補償器的無功功率隨反方向變化以使得保持不變，即，則，從而供電電壓保持不變。圖3.2（b）示

51、出了進行動態的無功補償，并使系統工作點保持在常數當使系統工作點保持在=0，即圖中的C點時，就實現了功率因數完全補償。可見補償因數可以看做是改善電壓調整的功能特例。3.4 晶閘管相控電抗器（TCR）TCR是晶閘管型SVC的最重要的組成部件之一，盡管TCR可以單獨使用，但它更經常地和固定電容器或晶閘管投切電容器相結合，在選定的超前-滯后補償范圍內對無功功率實施快速、連續的控制。3.4.1 TCR結構單相TCR如圖3.2所示，基本單相TCR由反并聯的一對晶閘管閥T1、T2與一個線性的空心電抗器相串聯組成。反并聯的一對晶閘管就先一個雙向開關，晶閘管閥T1在供電電壓正半波導通，而晶閘管閥T2在供電電壓負

52、半波導通。晶閘管的觸發角以及其兩端之間電壓過零點時刻作為計算的起點。圖3.2 單相TCR結構圖TCR觸發角可控范圍是90°180°。當觸發角為90°時，晶閘管全導通，此時TCR中的電流為連續的正弦波形。當觸發角從90°接近到180°時，TCR中的電流呈非連續脈沖形，對稱分布于正半波和負半波。當觸發角為180°時，電流減小到零。當觸發角低于90°時，將在電流中引入直流分量，從而破壞兩個并聯閥支路的對稱運行。晶閘管一旦導通，電流的關斷將發生在其自然過零點時刻，這一過程稱為電網換相。而TCR是按電網換相方式運行的。電網換相過程的一

53、個特征是一旦閥開始導通，任何觸發角的變化只能在下個半周期起作用。三相TCR由三個單相TCR按照三角形連結而成，如圖3.3所示。每一相中的電抗器被拆分兩半，分別放置在反并聯晶閘管對的兩側，以防止當電抗器的兩端發生短路時，整個交流電壓加到晶閘管閥上而導致損壞。圖3.3 三相TCR結構圖3.4.2 TCR的運行特性沒有電壓控制時TCR的運行，可以將整個TCR支路用一個等效的連續可變電抗器來替代，通過電抗器的正弦電流與流過TCR中的非正弦電路的基頻分量相等。從而可以得到3.3.6的電壓電流特性，它的邊界由最大允許電壓、最大允許電流和TCR最大導納構成，在正常運行區域內，可以視作連續可調電感。120&#

54、176;140°Vsvc90° 發出極限吸收極限Isvc圖3.4 無電壓控制TCRV-I特性圖如果TCR采用電壓控制，則圖3.3.6所示的正常運行區域就被壓縮到一條特性曲線上，如圖3.3.7所示。這種特性曲線體現了補償器的硬電壓控制特性，它將系統電壓精確地穩定在電壓設定值Vref上。正常情況下，控制器通過控制電抗器注入節點的感性無功功率，來維持節點電壓不變。當電壓升高，運行點將向右移動，控制器通過增大晶閘管閥的觸發角增大注入節點的感性無功功率，保持節點電壓。當運行點到達控制范圍的最右端，節點電壓進一步升高后將不能控制系統來補償，因為TCR的電抗器已經處于完全導通狀態，所以運

55、行點將沿著對應電抗器全導通的特性曲線向上移動，此時補償器處于過負荷范圍，超過此范圍后，觸發控制將設置一個電流極限以防止晶閘管閥因過電壓而損壞。在特性曲線的左側，如果節點電壓過分降低，補償器就會達到極限，運行點將會落在欠電壓特性上。圖3.5 有電壓控制的V-I特性圖3.5晶閘管投切電容器（TSC）3.5.1 TSC的結構一個基本的單相TSC是由一對反向并聯的晶閘管閥與一個電容器和一個小的限流電抗器組成的，反向并聯的晶閘管閥的作用如同一個雙向開關，如圖3.6所示。晶閘管卡關的導通時間為整個半波，因此TSC不像TCR，它不是相位控制的。安裝小型串聯電感器是為了限制電流的暫態分量，包括電壓期間的電流暫

56、態分量，計劃投切操作時的電流暫態分量，錯誤時刻投切操作所引起的電流暫態分量，或電壓極性不合適時投切操作產生的電流暫態分量。三相TSC有三個單相TSC按三角形連結而成，通常由同樣的三角形連結的降壓變壓器二次繞組供電。a） b）圖3.6 TSC結構圖單相TSC結構圖b）三相TSC結構圖3.5.2TSC的運行特性TSC電壓-電流運行特性是離散的，如圖3.7所示。這個特性的形狀決定于TSC單元的數目、它們各自的額定容量、以及用來避免電容器頻繁投切的滯環電壓。在電壓閉環控制時，TSC將母線電壓調節到范圍內。圖3.7 TSC電路原理和運行特性曲線4. MATLAB仿真4.1 MATLAB概述MATLAB

57、是MATrix LABoratory（“矩陣實驗室”）的縮寫，是由美國MathWorks 公司開發的集數值計算、符號計算和圖形可視化三大基本功能于一體的，功能強大、操作簡單的語言。是國際公認的優秀數學應用軟件之一。20世紀80年代初期，Cleve Moler與John Little等利用C語言開發了新一代的MATLAB語言，此時的MATLAB語言已同時具備了數值計算功能和簡單的圖形處理功能。1984年，Cleve Moler與John Little等正式成立了Mathworks公司，把MATLAB語言推向市場，并開始了對MATLAB工具箱等的開發設計。1993年，Mathworks公司推出了基于個人計算機的MATLAB 4.0版本，到了1997年又推出了MATLAB 5.X版本（Release 11），并在2000年