大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：无功补偿技术的应用研究—以SVC的设计为例
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 工程管理
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年4月26日
目前电网把提高功率因数作为迫切需要解决的问题。通过提高功率因数进而确保电网质量，能够采取的有效方式之一就是无功补偿，而在无功补偿中静止无功补偿器（SVC）起着十分重要的作用。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与发展，对静止无功补偿器（SVC）、晶闸管控制电抗器（TCR）以及晶闸管投切电容器（TSC）等的结构和基本原理进行了深入分析。最后论文在simulink环境下构建了SVC的仿真模型，并进行了仿真分析。通过仿真得知，静止无功补偿器采用晶闸管控制电抗器加晶闸管投切电容器的方式，能够达到不错的无功补偿效果，使控制目标得以实现。
关键词：无功补偿；静止无功补偿器；晶闸管控制电抗器；晶闸管投切电容器
目 录
4 结论
1 引 言
1.1无功补偿的产生及其作用
无功补偿全称无功功率补偿，是一种在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境的技术。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少电网的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。
电网中存在很多感性电抗，如电动机和变压器产生的电力负荷，这部分设备在日常运行中需要一定的无功功率。将容性设备如同步调相机、电容器并联安装在电网中，有利于为消耗的感性电抗提供无功功率，避免电网中流动的无功功率减少。因此，通过对输电线路进行降低，最大程度减少损耗的电能，优化电网运营环境，这也是无功补偿。要想提高功率因素使电网电压持续稳定，确保电能的高质量，建议采取理想的无功补偿方法。
迅速对电力系统的无功功率实现动态补偿，实现了下列功能：
（1）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）调整动态无功负荷的功率因数；（6）提升电力系统的动静态稳定水平；（7）协调工作电压，保证电网的电压质量。
1.2无功补偿的发展现状
我国电网始终存在无功补偿容量不足和配备不科学的问题，尤其是无功容量缺乏有效调整，极少有无功设备可以较快响应。近年来，随着经济的飞快发展，一些地区就迅速变成了负荷中心。随着这些大功率负荷的不断增加，电网的无功补偿装置容量越发不足，电压更加难以控制，谐波污染也越发严重，这对电网的供电质量、供电可靠性都造成了重大影响，使用户的正常工作受到了一个比较大的影响。滞后的无功调节技术导致电压在运行过程中发生巨大的改变，无形增加了电网的线损，引起电压剧烈波动，波形不稳定等众多问题。
同时，随着电力系统贯彻落实互联网技术，深入推进西电东送战略，以及普遍应用了大容量超/特高压直流输电，促使我国初步产生了特高压互联电网，大电网形成、传输与分配无功功率一定程度影响了电网电压运行质量与安全。电网产生了复杂的无功耦合，由此带来的无功电压问题直接威胁了电网运行的稳定、安全和经济性，对于电网无功电压调控的突出问题，相应增加了控制电压的难度。
当前，我国主要通过电容器实现交流电网的无功补偿配置，500kv变电站配置了相似容量的电容器和电抗器，而220kv变电站一般不需要配置电抗器；校核以后的500KV线路可以与高压电抗器实现配置，当通常不能及时调整无功容量；新建的500kv变电站基本采取无载调压主变压器，即利用了有载调压设备，保证了运行的安全性，避免反复进行调压；SVC主要应用在特殊用户侧，极少配置在电网中，但运行经验还有待积累； AVC系统技术的投人使用，开启了无功电压调控的新阶段，从运行值班人员人工调整、VQC就地控制等传统控制方式转人新的自动闭环控制阶段。由于电网规模大而且特性复杂、发展速度快而不均衡，当前电网的无功电压调控遭遇到诸多困难和挑战：
（1）电网在不同区域，其不同电压等级产生了较大的负荷特性差异，网络上的无功损耗特性千差万别，而且在负荷峰谷差大的地区，无功容感特性随时间呈现剧烈的变化。这对电网无功电压调节提出了更高要求。
（2）无功资源在电网内分布存在不均匀性，当电压等级不同时，无功反复不断流动，增加了损耗。具体表现为220kv及以下电网无功分层严重缺乏平衡能力，而500kV及以上电网无功出线结构性过剩，导致500kV电网需向220kV下送大量无功。
（3）由于220kV无功支撑能力不足，加上无功电源与负荷分布不均导致不同区域、不同季节的电压增加了调力度。仅在高压侧统一安装有载抽头，导致中压侧和低压则电压调节被绑定，可能产生电压控制效果的冲突。
（4）随着电网负荷增长，相应增加了外电送人比例，快速降低了大型受端系统电源比例，进一步加重无功损耗，主网电压质量有进一步 恶化的趋势。
（5）电网电压表现出严峻的稳定问题，在西电东送的输电线路出现问题，如直流、交流线路发生闭锁和断线等问题，亦或是直流落点地区引起短路问题，直接降低了受端电网母线电压，基于受端感应电动机负荷动态特点与逆变站控制功能的影响，甚至会威胁电压运行的稳定性，增加了大规模停电的概率，后果十分严重。协调AVC系统调控与其他紧急控制策略，亟需相应分析工具。
（6）有些变电站无功补偿配置欠缺合理性，比如：容量装置、组数、性质等不能满足科学要求。重载区域对容性无功补偿总量提出了更严格的要求，轻载区则更加需要感性无功补偿，根据设计标准实现配置，不能对站点调整需求统一考虑，与各个区域的调控需要难以有效适应，同时单组无功补偿容量大小也对实现调控目标造成影响。
（7）AVC系统与VQC系统等需要不断增强现场调控配合能力。虽然VQC系统最大程度保证了电网电压质量，但其难以综合改进电网的全部电压无功，直接影响了节能降耗；AVC系统在具体应用过程中，由于在不同电网中控制目标无法均衡分布无功资源，导致控制难度的增加，在二者共同存在阶段，有必要不断改进协调制度。
（8）需进一步完善省地调控间的协调。无功自下而上的平衡和电压自上而下的控制，均需省地间协调优化，确保系统电压调控安全、无功潮流优化分布。
整体上分析，在现有条件下当前电网不能就地实现平衡分布无功，在上下级电网和不同区域之间的同级电网间，大量的调控配合问题便是有效解决调控问题，从而对目标电压有效控制，并且要求无功配置达到峰谷时期的无功要求，在策略调整上凭借策略组合全面彰显调控功能，在达到控制目标的基础上满足各个调控主题的优化要求。如果上述配合难以达到规定要求，直接造成电网实际无功电压调控能力与调控要求不相符，在电网、上下级电网之间无法科学波动无功，对无功电压调整水平造成较大影响，造成系统运行中出现稳定性不足的问题。
1.3 无功补偿规划的原则与目标
1.3.1 规划的原则
（1）按电压原则进行补偿。
使负载对无功电力的需要能够得到满足，使电压在既定范围内运行，确保电力系统安全可靠，这是并联电容补偿应达到的最基本目标。如果电厂出线电压等于或低于20kV，则通常情况下，母线电压应控制在额定电压的百分之十以内。所以，各级电网送受端可以存在百分之十左右的电压降。输送无功电力大小与线路压降成正比，压降增大，相应产生更多的无功电力。为最大程度彰显发电机无功容量的功能，在电压合理的差异区域内实施无功补偿，以便使线路能够更多地将无功电力传输给受端。在电力系统中违反经济补偿原则时可以应用电压原则，尤其适用于极小无功补偿量的系统。根据该原则的实行，电网中不断出现无功波动，增大了波动距离，进一步增加了系统内部的有功耗损。
（2）按经济原则进行补偿。
当电力系统配置了足够多的无功补偿设备，
在保证管理质量的前提下，对无功补偿并联时应根据经济原则实现补偿。经济原则具体是指就地分区域逐层达到平衡，它的主要目标是降低电网有功损耗，实现年度成本最低。可以将500kV变电站看成一个供电区，35 ~220kV变电站看成一个平衡单位，供电企业看成平衡区，基于经济原则进行补偿以避免变电站之间和地区之间出现无功电力频繁流动的情况。对用户提出相关的要求，当出现最大有功负载时可以产生0.98-1.0的功率补偿因数，并且能够根据无功负载情况适时对补偿容量进行调整，使之达到平衡，不向系统传输无功。
1.3.2 规划的目标
基于每个规划年的负载情况，通过计算优化，电网每年计算所需的电容补偿量，设计变压器最合理的调压配置方案，以实现下列目标：
（1）经济目标。系统需要最小的补偿电容量，降低了有功损耗，获得理想的补偿效果。
（2）电压质量。各各个节点电压数值与期望数值产生最小差异。
（3）电压稳定。综合思考电压的稳定性，相应提升了电压稳定裕度。
1.4论文主要工作
本文主要对无功补偿技术进行了研究，全文共分为三章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义，论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章静止无功补偿的应用，介绍了静止无功补偿器的概念、特点和分类，并重点介绍了TCR+TSC混合型静止无功补偿器的设计及其原理；
第三章SVC的无功补偿仿真研究，包括仿真工具软件、仿真主接线图、SVC的仿真结果与分析和TCR-TSC型无功补偿装置仿真分析四部分；
最后是结论部分，对全文进行了总结和概括。
2 静止无功补偿器的应用
2.1静止无功补偿器（SVC）
2.1.1 SVC概念
SVC属于一种有源补偿设备。该种装置是以晶闸管为基础的具有静止特点的无功补偿，这里提及的静止是部件不会发生旋转。
通过使用静止无功补偿器能够显著提高电力系统的稳定可靠性，使电网系统可控性强，并且能够提高电能质量，实现节能效应。一般情况下，SVC构成包括两类，一类是电容器，另一类是可控的电抗器。相较于一般电容器并联补偿设施，SVC动态监测了电网与负载需求的无功波动状况，进而实现对电网和负载的自动无功功率补偿，以提高电网运行的稳定可靠性。
FACTS技术的概念提出以后，半导体技术不断发展，大功率电子设备持续提升功能，新的控制手段的不断出现，相应提出了很多FACTS装置。目前已经存在的FACTS装置包括十几种。其中灵敏性最强的交流输电系统即SVC，这也是应用时间最早的控制设备之一。其是目前电力系统中功能最好、应用最为广泛的装置之一。
2.1.2 SVC的特点
SVC的主要特征是快速反馈，灵敏度极高，可以有效识别端电压发生的细小变化。它的优点包括持续不断响应无功功率、节省成本、降低消耗、维护方便等。其在世界市场内凭借优越的功能不断增加了市场份额，并且在无功补偿静止装备中发挥了关键作用。对比直流换流设备，应用SVC可以对直流系统进行无功补偿操作，体现出下列优点：
（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）当直流换流设备发生闭锁问题时，可以通过SVD对电压有效降低。
SVC还可以达到以下的目的：
（1）提高电力系统的电压调整能力。
（2）对系统中枢母线电压给予支撑，相应增加了电压波动频率，明显提升了电压水平。
（3）改善系统的静态、暂态电压。
（4）过电压发生短暂性降低（包括工频过电压和谐振过电压）。
（5）电压与电流在校正过程出现不平衡现象（即非对称控制）。
（6）使线损明显降低，提高了输电线路的输送水平。
（7）控制电力系统的功率谐振。
（8）阻尼电力系统发生同步谐振。
（9）确保端电压与相位相对稳定，降低因电压波动而导致的闪烁或者对其他电压造成影响，导致其他电压产生波动。
2.1.3 SVC的应用
SVC在电力系统的主要应用分为：
（1）用于负荷用户的无功补偿，其作用是：
l 改善功率因数；
l 动态变化的补偿负载产生了相应无功；
l 对电压有效调节，避免电压发生巨大的波动与闪变；
l 消除大量高次谐波，优化电压波形；
l 在不平衡负载处起平衡化作用；
l 保证冲击负载设备运行质量，提高电气设备的安全水平。
（2）用于电力系统的无功补偿。其作用是：
l 提高输电线路的输送功率；
l 按指定要求调整系统电压；
l 抑制电力系统的次同步谐振；
l 保持电力系统的静态和短暂的运行稳定性；
l 在电力系统功率振动过程中保证充足的阻尼力矩；
l 成功化解电力系统产生的多余无功，从而对短暂过电压有效限制；
l 为直流输电系统提供必要的换相无功以及采取电压管控措施；
l 对系统形成的负序电流分量严控，保证与三相电压的连接点保持平衡；
l 对终端变电所、枢纽变电所提供无功功率补偿，以达到灵活调相的目的。
工业应用中一般在负荷母线上连接TCR+TSC支路，但对输电系统应用常常还要通过降压变压器在10-35kv电压等级接入SVC。SVC的容量，对于工业用户来说常为10-50Mvar，对主要用在输电系统的无功补偿时，一般则达到100-300Mvar。
