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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）   

题    目：特高压直流输电换流站中的无功补偿设计

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层    次：       专科起点本科        

专    业：    电气工程及其自动化     

年    级：         年  季       

学    号：                     

学    生：                        

指导教师：                       

完成日期：      2023年7月28日      

内容摘要

随着国民经济发展，对电能的需求日益增加。电能从发电厂被制造到升压变电所再经过长距离运输到配电所，最后送到用电用户。这其中会产生有功功率损失以及大量无功功率产生，无功功率的大量增加会使得电能质量下降以及功率因数的降低，影响生产效率，所以在电能传输过程中及时补充无功功率势在必行。

本文首先研究了无功功率产生以及其对电网影响，分析了TSC+TCR的工作原理。然后重点讨论了无功检测计算方法，最后论文在simulink仿真软件中，以110/10kv电力系统为背景，设计出了一套TSC+TCR补偿系统，仿真结果表明：

在TCR投入运行后，系统趋于稳定，功率因数得以补偿，提升了电网电压，使负载侧电流与电压同相位。并且本设计考虑了投入TCR产生谐波，在TSC电容部分，加入了电感和电阻来抑制谐波，减小了投入补偿装置对系统的扰动。本设计对于无功补偿具有相应速度快，可以无级调节，并且根据电路实际运行无功来自动进行补偿，节约了电能，减小了输电过程中的损耗。

关键词：无功补偿，晶闸管控制电抗器，晶闸管投切器，PQ检测法

目  录

内容摘要............................................................................................................................ I

1  绪论............................................................................................................................. 1

1.1  课题的背景及意义......................................................................................... 1

1.2  国内外研究和发展动态................................................................................. 1

1.2.1  国内外无功补偿装置应用概况......................................................... 1

1.2.2  无功补偿装置发展方向..................................................................... 2

1.3  论文主要工作................................................................................................. 3

2  无功补偿的基本概念................................................................................................. 4

2.1  无功补偿的工作原理..................................................................................... 4

2.2  无功补偿装置................................................................................................. 6

2.3  无功补偿容量的选择................................................................................... 13

3  特高压直流输电换流站中的无功补偿设计方案................................................... 15

3.1  特高压直流输电换流站无功补偿设计要点............................................... 15

3.2  恒无功调控................................................................................................... 16

3.3  特高压直流输电换流站无功补偿装置选择............................................... 16

4  特高压直流输电换流站中的无功补偿方案分析................................................... 17

4.1  无功补偿装置的应用................................................................................... 17

4.2  无功补偿效果分析....................................................................................... 19

5  结   论..................................................................................................................... 21

参考文献......................................................................................................................... 22

1  绪论

1.1  课题的背景及意义

当今世界正步入市场经济的高速发展期,各行各业对电的需求量日益增加。其中最影响国民经济的就是功率因数和电压等级了。在电力系统由于线路传输视在功率是不变的，如果功率因数过低，也就是无功功率过多，会导致电压降落较大，影响输电效率，增加电能生产成本，对国民经济造成不利影响。

无功功率，其实反应的是电源与负荷之间能量交换的物理量，其本身并没有消耗功率，而是展现了能量转化的一个物理量。在有电抗的交流电路中，磁场或者电场，在运行的一个周期中，一段时间从电源吸收能量，一段时间发出能量，整个周期平均功率为0，但是在这一段时间内，电能一直在电感性设备和电源之间交换，交换速度最大值就是我们常说的无功功率。

视在功率包括有功功率和无功功率。有功功率主要是将电能转化为机械能等用于负载做功；无功功率消耗电能，将其转化为另一种形式的能量。补偿无功功率可以

（1）增加传输电能有功所占比例。

（2）减少供电设备的容量，可以节约成本，减少投资，有利于环境保护。

（3）减少线路传输电能时的损耗。

1.2  国内外研究和发展动态

1.2.1  国内外无功补偿装置应用概况

在供电系统中,不能忽略无功功率控制的平衡对电压的影响,由于无功功率限制的增多或降低,均会对系统电压造成很大的波动并会加大电力消耗,因此必须改变无功功率限制的电流输出,通过加装无功补偿装置等均能维护无功功率的平衡,以维持电压在正常范围内,同时降低功率消耗。

传统的无功补偿装置有同步调相机，这是一种可以自动生产无功的电动机，既可以生产感性无功又可以生产容性无功，对系统无功补偿具有良好适应性。所以在上世纪90年代数十年中,同步调相机在电力无功功率调整中始终充分发挥着主要功能。但是，因为同步调相机的本质是，它具有噪声大、响应速度慢等缺点，不能迅速满足系统无功功率需求。所以从七十年代开始,同步调相机就开始逐步的被静止无功补偿设备所替代,其中的有些国家甚至于几乎完全不再采用同步调相机。

东北大学在一篇名为《TCR-FC型静止动态无功补偿方案设计与仿真技术实现》一文中设计出来的无功补偿装置，具有数据采集、自动计算所需补偿电纳的功能，可以将响应时间控制在10ms以内，便于及时对系统补偿无功功率；而在中南大学一篇名为《三相不对称负荷的TCR+FC型》硕士论文中，其不仅对功率进行了补偿，还充分考虑到了不对称负荷的实际情况，其还运用了TMS320F2812DSP芯片来实现对整体系统的控制，但是这个控制系统较为复杂，不利于非专业人士进行仿真计算；在华北电力大学大学一篇名为《TCR型静止无功补偿装置的研究》中设计出来的补偿装置，运用了PWM波形来控制晶闸管导通角，具有良好的控制功能。

在国外，无功补偿设备也可以应用于输配电网、远距离传输电能、风力发电厂、大型工业，尤其是是钢铁生产公司、电气化铁路等。^[3]现在无功补偿装置使用最多的是SVC，但是大容量的SVC技术一直被国外ABB公司和Siemens公司占据，SVC技术全球占比如图所示

西门子集团在上世纪70年代已开展研发采用晶闸管控制的无功补偿技术的工作，西门子公司于1980年就生产出了第一套技术成熟的TCR产品并且被成功收购，1984年，他们还生产出了具有响应速度快特点的TSC补偿装置。

GE是第一个提供TSC设备的公司，其在串联补偿领域拥有先进的技术和生产能力，目前，GE提供的串联补偿装置的总容量超过了29Gvar。另外，GE还推出了性价比不错的MSC装置。

1.2.2  无功补偿装置发展方向

传统的无功补偿是用普通开关将电容器或者电抗器投入电网，它会产生很大的冲击电流，而且，将电容器从电路中切除时，会产生拉弧现象，现已被动态补偿装置逐渐代替。早期的动态补偿装置是同步调相机SC，它是用来专门产生无功功率的同步电动机，它能产生不同大小容性或者感性的无功功率。70年代以来，同步调相机已经开始逐渐被静止无功补偿装置（SVC）所代替。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行其使用了晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院的支持下，美国西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际使用。静止无功补偿装置包括晶闸管控制的电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）以及两者的混合装置TCR+TSC，或者晶闸管控制电抗器和固定电抗器（FC）或机械投切电容器（MSC）混合使用的装置。在国内SVC越来越广泛的被应用于电力系统中，成为电力系统中支持电网电压的重要手段^[4]。

1.3  论文主要工作

本文主要对特高压直流输电换流站中的无功补偿进行设计。

全文共分为五章，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；

第二章无功补偿的基本概念，主要包括无功补偿的工作原理、无功补偿装置以及无功补偿容量的选择。

第三章特高压直流输电换流站中的无功补偿设计方案，主要包括特高压直流输电换流站无功补偿设计要点、恒无功调控以及特高压直流输电换流站无功补偿装置选择。

第四章特高压直流输电换流站中的无功补偿方案分析，主要包括无功补偿装置的应用和无功补偿效果分析。

本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2  无功补偿的基本概念

2.1  无功补偿的工作原理

在三相对称系统下，三相传输容量、有功功率P，无功功率Q，线电压以及功率因数之间的对应关系可表示为

                              （1）

其中，是系统负载上电压和电流之间的相位差，也就是我们常说的功率因数角^[8]。因为在实际运行中传输线路电阻很小，所以会有，我们假定RX时，系统无功功率和系统电压的特性曲线如图3所示。由于系统电压变化较小，所以图2的横坐标也可以换为无功电流，由图可知，随着无功功率增加，系统供电电压下降。

图2 无功补偿原理单相电路

图3 动态无功补偿原理

在电力系统分析中，系统特性曲线可近似用下列公式表达

或者写为

式中无功功率为零时的系统电压

    ——系统短路容量

由公式5可以看出，系统总的无功功率的变化将引起系统电压变化。如果系统安装无功补偿装置，则系统总的无功为线路本身无功和补偿无功量累加则

我们可以看出整个系统无功变化时，如果补偿器提供的补偿值可以对应补偿的变化，就可以让整个系统无功功率Q保持不变，也就是说，从而推出，最终达到供电电压保持不变的目的，这就是动态的无功补偿原理。当使整个电力系统总无功功率值Q=0，也就是运行在图中C点时，此时也就使功率因数等于1的点，也就是实现了对无功功率的完全补偿。

在分析整个系统的时候，我们经常把负载也考虑在内。因为负载的变化，负载可能增加整个系统的无功功率，也可能降低系统的无功功率。所以总体系统电源就相当于串联了一定阻抗的电压源。如图4左图所示。将负载考虑之后的整个系统电源电压为没有接入补偿装置之前的电压。因为补偿装置具有维持补偿点电压保持不变的作用，所以它可以被看作一个恒定电压源。其电压值是供电系统没有接入补偿装置之前的系统电压值，记为。其电压电流特性曲线如图4右图所示。

在图4左图中，由于负载侧无功变化，使连接点处电压变化，

图4 理想补偿器等效电路及特性

系统接入补偿装置后，电压恢复到正常值，此时补偿器吸收无功功率为

也就是说一台可以吸收无功为的补偿装置，可以补偿系统电压为变化为

然而由于材料损耗、响应时间时间长短不一等，实际的补偿无功功率时候电压、电流的特性曲线一般是有一定倾斜的，电压会随着吸收感性无功的增大而增大。如图5右图所示，在没有接入补偿装置时，我们设系统电压变化为，则投入补偿器后补偿器吸收无功功率为

图5 实际补偿器的等效电路及特性

可见与理想补偿器比较下，所要吸收的无功功率减小了，而连接点电压并不像理想补偿时保持正常值不变，而是变化了

2.2  无功补偿装置

（1）电压无功控制VQR

这种无功补偿方法主要是通过投切电容器、调节变压器抽头来实现电压和无功基本平衡。这种补偿方式主要用九区图控制策略来进行控制。

九区图控制是表示控制电压和无功大小来调节系统的整体无功。具体控制是控制系统收集系统输入的无功功率和低电压一边的电压值，然后根据下图中的不同控制策略得出不同控制方式。下图为九区图。

图6 九区图

其主要控制策略为，当系统里面主变压器的抽头上调时，系统的电压上升，也就使得用户端消耗无功功率上升；同理当抽头下调时，系统电压就会下降，用户端消耗无功功率减少。当需要提高电压时，可以就地补偿电容器，使得系统无功功率下降，系统电压上升；电容器不投入使用的时候，电压就会下降。

（2）静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）

从某种意义上来讲，SVG还有STATCOM在很多方面有相似之处，以至于许多资料将两者归为一类。静止无功发生器可以从系统吸收或者发出可以调节的感性或者容性电流，并且广义上定义的 SVG 实际上可简单地认为就是一种无功电源，只要施加适当的控制，它可转换成任何特殊或多用途的并联无功补偿器^[12]。由于 SVC 和STATCOM 都具有可以调节吸收或者发出感性或者容性无功的能力，所以两者都可以被看作SVG的一种特殊形式 ^[2]相对于STATCOM 而言，SVG 所包含的概念应该更广泛上些。事实上，静止类无功补偿设备还有很多种，这里只是罗列了一些主要应用的设备。随着时代的进步，各行各业需求也不断增加，许多新型补偿装置也应运而生，但是新出现的一些补偿装置还没有被 IEEE 或国际/国内的权威组织给子定义，本文就不在列举^[2]。

（3）静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）

静止无功补偿装置SVC分为TSC、TCR、SR。主要是由晶闸管和电容装置等组成，通过晶闸管来控制电容组的投入运行与否来对系统进行无功补偿。常常在具体使用时，SVC所分的这三种会配合来使用来达到平滑无极调节的作用，可以根据电网实际运行武功需要来进行补偿。

2.2.1晶闸管投切电容 (Thyristor Switching Capacitor, TSC)

静止无功补偿装置为一种并联连接的晶闸管投切电容器，它的等效电抗值由晶闸管是否导通来决定。根据这一概念TSC中的电容组，要么投入工作，要么完全断开，因而不能实现无级调节。因为电容两端电压不能突变，否则会有强大的冲击电流产生，破坏晶闸管、击穿电容器组，所以TSC中不会设置导通角可以调节的晶闸管^[10]。因此，TSC投入运行的时刻只能在电容电压的过零点运行，这样可保证提供给系统的无功功率能根据需要以阶跃方式变化。

TSC的基本原理如图所示，两个反并联的晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，通过控制电容投切时刻，来对无功功率进行补偿。

图７ TSC基本原理图

图7中从左到右分别是单相结构简图、分组投切的TSC单相简图、电压-电流特性图。

由于在补偿时，如果一次性投入大量电容器，很可能会造成过补偿的现象，引起无功倒送，对电网产生危害。所以我们常常把电容器分为几组，分组进行投切，所以TSC在补偿时，只能阶跃式进行补偿，无法做到平滑调节，其一次补偿容量只能为提前设定值。并且因为投入的电容器数量不同，补偿装置所具有的电压电流特性图也会有所不同。

由于电容器两端一旦突然承受高电压，就可能导致大量冲击电流，会对电容组以及TSC中的晶闸管产生危害。所以何时在系统中投入电容组显得尤为重要。我们一般选取电容充电电压和系统电压相同时投入，要求电容器电压和相位都和系统电压电位相同。因为电容的电压电流特性方程

为了使电容电流和电压变化为0，当电容电压已经是系统电压峰值的时候，投入系统之后，两者之间没有电压和相位差。所以不会产生冲击电流。这样就使得电容器电压可以随系统电压正常变化，没有冲击电流产生，这个时候就是我们常说的理想投入时刻^[9]，调谐在n次谐波频率的单调谐滤波器电容器与电抗器关系是

由于系统谐波电压最终会限制在比较小的数值内，可以忽略，即可以认为系统交流母线电压只量。这样，滤波支路除流过n次谐波电流外，还流过由引起的基波为^[9]

则滤波器的基波无功容量即补偿容量

其中补偿容量已知，按无功补偿容量分配值，则可以确定电容器参数值C为

式中，为n次滤波器分配的无功补偿容量；n次谐振次数；为系统额定线电压；，为工作角频率^[9]。

则可以根据谐振频率求电感L

设滤波器品质因数为q，则

综合考虑滤波效果和损耗，q值一般选择为30~60。