1、- I -摘要近年来，由于电网容量的增加，对电网的无功要求也与日增加，同时对电能质量的要求也越来越高。传统无功补偿装置很难达到单位功率因数的补偿，电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。TSC 是目前广泛使用的无功补偿方式，具有结构简单、费用较低的优点;论文首先介绍了无功功率补偿的意义和现状，无功功率的作用。介绍了 TSC 基本结构和原理，建立了的数学模型，对稳定性进行了分析。其次，在分析 TSC 特点后，确定了整体控制策略:TSC 以无功功率为主要控制目标，而大部分无功功率由 TSC 补偿，本文重点介绍 TSC 静止无功补偿稳定
2、系统电压的研究。为验证本文研究的控制策略的有效性，在 MATLAB/Simi LINK 环境下对 TSC 进行了仿真研究。对 TSC 系统进行了设计，仿真。结果验证了该控制算法的有效性，能增加系统的稳定性，减少电容器动作的次数。通过SIMULINK 建立了 TSC 仿真模型，对仿真波形图进行了分析，结果表明 TSC 型静止无功补偿在提稳定系统电压方面能满足要求，显示出该无功补偿方式具有较大的应用价值。关键词： 无功功率 静止补偿 稳定电压 - II -AbstractIn recent years, due to the increase of power capacity, the reac
3、tive power demands of electricity, and with increasing more and more is also high quality requirements. Traditional reactive compensation device is difficult to achieve unit power factor compensation, grid reactive power imbalance will cause the system voltage fluctuation, the huge will cause seriou
4、s damage to the electric equipment, appear system voltage collapse and stable destruction accidents. TSC is currently the extensive use of reactive compensation methods, has simple structure, low cost advantages;It firstly introduces the significance of power compensating reactive power and status q
5、uo, and reactive power function. Introduces the basic principle and structure, TSC, the mathematical model was established for stability is analyzed, and discusses the method of harmonic restrain themselves. Secondly, in the analysis, determines the TSC characteristics in overall control strategies:
6、 TSC of reactive power as the main control goal, but most of the reactive power compensation by the TSC, this paper puts emphasis on the introduction of TSC static reactive compensation stable system voltage research. In order to validate this paper studies the effectiveness of the control strategy,
7、In MATLAB/Simi LINK environment TSC simulations were performed. TSC system design, the simulation. Results verify the effectiveness of the control algorithm, can increase the stability of system, reduce the number of capacitor action. Established by simulink.this simulation model for simulation TSC
8、fluctuations, analyzed, the results showed that the TSC type static reactive compensation in the voltage stabilizing system can meet demands, which shows that the reactive power compensation methods it has great practical value. Key words: Reactive power Static compensator Stable voltage- III -毕业设计（
9、论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并
10、提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其- IV -它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： - V -目录摘要 .IAbstract.II1 前言 .11.1 课题背景 .11.2 国内外在该方面的研究现状及分析 .21.3 本文所做的工作 .52 TSC 型静止无功补偿器的基本结构与工作原理 .62.1 TSC 的基本原理 .62.2 TSC 主电路选择和拓扑结构 .72.3 TSC 投入时刻选取分析 .82.4 本章小结 .113 TSC 静止无功补偿稳定系统电压 .123.1 TSC 控制策略 .123.2 九
11、区图法控制原理 .123.3 TSC 控制方式 .143.4 TSC 应用现状、问题及解决方案 .163.5 本章小节 .184 TSC 工作原理的仿真研究 .194.1 关于 MATLAB 仿真软件 .194.2 建立仿真模型 .194.3 TSC 仿真分析 .204.4 本章小结 .22结 论 .23参考文献 .24致 谢 .26- 1 -1 前言本章主要说明无功功率补偿的目的、意义与国内外研究现状，无功功率与系统电压变化的关系；1.1 课题背景能源是经济发展的物质基础，而能源紧缺是一个世界性的严峻问题。合有效地利用能源，最大限度地节约能源对人类的可持续发展具有深远的战略义。因此，被称为“
12、第五能源”的节能技术引起了世界各国的高度重视。电能国家的支柱能源和工业经济的命脉，既是最重要的能源，又是消耗其它能源产的能源产品，所以节约电力资源是节能的重要内容。近年来，由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加。解决好电无功补偿问题，提高功率因数，以降低线损，节约能源，挖掘发供电设备的力，是当前各国电网发展的趋势。目前我国城网、农网无功补偿不足，调节段落后，造成电压偏低，损耗较高，2004 年全国平均线损率高达 6.9。与些发达国家相比，约高出 23 个百分点，这对日供电量以百万度甚至千万度的城市来说，这个数字是不可低估的。因此中国节能技术政策大纲明确出要降低线损和配电损失,增加无功补偿
13、容量。在电网中，大多数负载(如电机、电弧炉等) 和网络元件( 如变压器、传线等) 的运行不仅需要电源为其提供有功功率，而且还需提供相应的无功率。这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送显然是不合理的也是不可能的。合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率这就是无功补偿。无功补偿对供电系统和负荷的运行都具有十分重要的意义其作用主要体现在以下几个方面：无功功率的增加，会导致电流的增大和视在功率的增加，从而使导线发电机、变压器及其它电气设备容量的增加。而进行无功功率补偿提高供用系统及负载的功率因数，对电网来说可以挖掘发供电设备潜力，降低设备量，减少设备及线路的功率损耗，对用户来说不但避
14、免了因功率因数低于规值而受罚，而且减少了用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗从而减少了电费的支出。因此无功补偿是电力系统及工矿企业节能降耗的重手段；电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率大。而冲击性的无功负载会使电网电压产生剧烈的波动，使供电质量严重低，对无功功率进行动态补偿可以稳定受电端，提高供电质量；在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电统的稳定性，提高输电能力等等；- 2 -对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，
15、则使转子绕组超过允许温升，为保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定的出力。此外，原动机的率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。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，它对供电系和负载的运行都是十分重要的。网络组件和负载所需要的无功功率必须从网某个地方获得，因为这些无功功率由发电机提供并经过长距离传送是不合的，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产生无功功率，即进行合理的无功补偿 。1.2 国内外在该方面的研究现状及分析从电力系统的诞生开始，补偿技术就开始被应用，随着电力系统的发展，各种补偿装
16、置不断出现，如采用机械投切的电容器和电抗器对系统进行的无功功率补偿，改善系统的电压水平。但由于机械投切会造成较大冲击，人们开始在负荷中心安装同步调相机，调相机可以平滑的调剂无功功率，而且既可以吸收也可以发出无功功率，因此具有较强的补偿控制功能，对调节负荷中心的无功功率平衡和维持负荷中心的电压水平有重要的作用。随着社会的发展，对于电能质量的要求不断提高。电力系统瞬时的不平衡可能导致安全稳定问题，因而只有补偿装置得具有快速响应的能力，才能用于处理系统问题。机械调相机由于其机械投切装置惯性大，动作时间在秒级，已经无法满足电力系统的要求。20 世纪 70 年代，晶闸管的身影开始出现在补偿装置中，采用高
17、压大容量快速的电子开关代替机械开关应经成为趋势。一系列的晶闸管投切的补偿装置，如 TSC、TSR 、TCR及综合补偿装置 SVC，成为当今主流。而传统的机械投切装置由于是旋转设备，运行维护都很复杂，响应速度也较慢，且随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋转带来的噪声等问题也使得居民越来越不满意，因此同步调相机也逐渐被 SVC 等补偿装置所取代。晶闸管投切或控制的补偿装置彻底的改变了机械投切速度慢的特点，控制速度快、维护简单、成本较低，因此在电力系统得到十分广泛的运用。但这种病例补偿装置本身也存在一定问题，如晶闸管控制的装置只能以斩波方式工作，而产生较大的谐波，其次这些装置接入系统后改变晕系统的阻
18、抗特性，过多安装设备可能导致出现谐波。因此在系统电压偏低或偏高时，阻抗型装置的特点（如电压低时电流减小，导致补偿装置容量裕电压平方成比例下降）会影响补偿效果。20 世纪 80 年代，高压大容量关断器件的发展，如 IGBT、GTO 等。开始出现基于可判断器件的电压源或电流源变流器的并联补偿装置，由于此类装置的特性完全脱离了组抗性装置的特点，成为完全可控的电压源或电流源，使得补偿性能得到较大的提升。体积变小、调节速度快（可达到 10ms）等优点可以将其做成模块，根据电力系统需求灵活运用。其典型代表有 STATCOM 和 APF 装置。从 20 世纪 90 年代起，基于变流器的补偿装置获得广泛的应用
19、。目前世界上像 ABB、西门子、阿尔斯通等著名大公司都推出- 3 -了自己的此类型的产品。同时我国清华大学也研制了基于变流器的 20MvarSTATCOM准装置，目前正在河南电力系统运行。2003 年 8 月 14 日美国东部大停电事件进一步的使人们意识到电力系统稳定性的重要性，特别值得我们注意的是相控技术、脉宽调制技术和四象限变流技术相结合，产生的柔性交流输电系统FACTS。其中 FACTS 的多个类型都具有谐波抑制和无功补偿能力，代表着今后的研究和使用方向。而出于环境和可持续发展战略考虑，基于新能源(如风能、太阳能等)的技术正在得到广泛的关注和逐步的应用。我们要知道电力电子器件技术本身高速
20、发展，未来的功率器件开关容量会逐步升高，价格则相应下降，而利用有源滤波器的谐波抑制和 FACTS 技术的无功功率补偿将成为未来电力自动化系统的主流。而如何充分利用系统原有电容、电抗和变压器设备与新技术相融合，也将是一个十分重要的研究课题。根据连接方式不同，无功功率补偿可以分为并联补偿、串联补偿和混联补偿三种。而由于并联补偿方式接入和切除都很方便，因此，在电力系统中得到最为广泛的应用。以下是并联补偿具有的特点：1 并联补偿只需要电力系统一个节点，并联补偿的另一个为大地或悬空的中性点，因此并联装置可以容易地接入电力系统。2 并联补偿不会改变电力系统结构，接入方式简单，可以将并联补偿接入造成的影响尽
21、量减小到最小，许多情况下可以做到无冲击投入运行和无冲击退出运行。3 由于电力系统本身具有较大的短路容量，并联补偿装置与接入点的短路容量相比通常较小，因此并联补偿对节点的控制能力通常较弱，它主要通过注入或吸收电流改变系统中的电流分布。因此并联补偿装置适应于补偿电流，对于电压的补偿能力相对较弱。4 由于并联补偿中能控制接入点的电流，而电流进入电力系统后如何分布系统本身确定，因此并联补偿产生补偿效果后通常可以使附近的区域受益，适合于电力部门采用，而串联补偿可以针对特定用户，因而对特定用户的补偿采用串联补偿更加合适。5 并联补偿装置需要承受全部的节点电压，而输出电流要么是后所承受的电压决定的，要么是可
22、以控制的。因此并联补偿装置通常受系统电压的限制。通过并联补偿可以方便地向系统注入或吸收无功功率或者有功功率，控制电力系统无功功率的平衡。并联系统在实际中的广泛应用，将大大提高电力系统的安全稳定性，供电可靠性和运行效率，同时大大提高电能质量。但由于并联补偿装置也存在很多形式，对此，我们对并联补偿做更进一步的分类。 根据并联补偿装置器件分类： 机械投切阻抗装置：如断路器投切电抗器、电容器； 晶闸管投切阻抗装置：如 SVC 等； 基于变流器的可控型有源补偿装置：如 APF 等。- 4 -根据补偿对象不同无功补偿技术分类： 负荷补偿装置； 系统补偿装置。根据补偿的反应速度分类：静态补偿装置：如同步调相
23、机等；动态补偿装置：如 TSC 补偿装置等。在实际情况中，大多数都是感性负载，需进行大量的无功补偿。电力企业通常采用并联电容器的方法进行补偿。然而并联电容器可以安装正在全系统的各个点上，根据安装位置的不同，得到的效果也就不同。以下是几种不同位置补偿方式介绍：就地补偿它就是根据个别用电设备对无功功率的需求量将单台或多台电容器组分散地与用电设备并联。其特点是：用电设备运行时，无功功率补偿投入，用电设备停止运行时，补偿设备也退出，因此不会造成无功功率倒送；同时还具有投资少、占地小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。个别补偿分为低压个别补偿和高压个别补偿。低压个别补偿适用于补偿个别大容
24、量且连续运行的无功功率消耗。其特点在于补偿效益大，不仅能减少高压线路中的无功功率，同时也减少了低压线路中的无功功率，减少电器设备的容量和导线的截面，降低电能的损耗。但对于不经常使用的设备，所安装的无功功率补偿器利用率很低，大量低压设备没有安装或不适宜安装补偿器而引起的电能损耗得不到有效改善。而采用高压个别补偿除了具有低压个别补偿的优点外，而且更能有效地降低设备启动的冲击性，减少变压器容量裕度。集中补偿集中补偿是指并拢电容器接在汇流母线上，根据母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。其优点是方便安装，有利于控制电压水平，且易于实现自动投切、运行可靠、利用率高、维护方便、能减少配电网和用户变压器的
25、无功负荷和电能损耗；其缺点在于当设备不连续运转或轻负荷，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压抬高，电压质量变差，因此，补偿装置需要较频繁投切；不能减少电力用户内部各配电线路的无功负荷补偿和电能损耗。集中补偿同样可分为低压集中补偿和高压集中补偿。低压集中补偿是根据低压母线上的无功负荷而直接控制低压无功功率补偿装置的投切。此时由于电容器的投切是按组进行，并不能做到平滑调节。特点是接线简单、运行维护工作量小、无功功率就地平衡，从而提高配变电利用率，降低网损，具有较强的经济性，是目前无功功率补偿中最常用手段之一。而高压集中补偿一般直接装在 610kV 高压母线上。主要特点：在减少高压母线线路的
26、无功功率损耗的同时，提高本变电所的供电电压质量；可根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加；提高供电能力、减少线损稳定电压。但这种补偿方式只能补偿高压母线前面所有线路上的无功功率，而高压母线后面的无功功率得不到补偿。分组补偿- 5 -分组补偿方式基本集中安装在变压器低压侧的母线或输电线路中，减少了电力系统到用户线路上的高线线损和变损，克服了集中固定补偿容量较大时的涌流过大等问题，并能有效的增大配电线路的供电能力，节电效果好。此外，在低负荷时，可以相应停运数个电容器组，以防止过补，投资较为经济。但是需要人工频繁投切，可能出现投切不及时而到时少补或过补
27、的现象。这种补偿方式具有集中补偿的几乎所有优点，但在无功功率补偿容量和范围相对较小些，效果明显，因而也得到了较为普遍的运用。混合补偿混合补偿就是相对于大容量的低压负荷和高负荷采取个别补偿，同时在低压母线或高压母线上安装电容器，集中补偿大容量高低负荷的无功功率需求。这种补偿方式避免了全面个别补偿所带来的安装、控制、保护、运行时的麻烦和无功功率传输距离长、无功功率传输容量大、功率损耗大的缺点，因此在电力系统中，混合补偿在实践中被广泛运用。随器补偿与跟踪补偿随器补偿与跟踪补偿是两种不叫特殊的补偿方式，也是目前最有效的手段之一。随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器
28、空载无功功率的补偿方式。其优点在于接线简单、维护管理方便，能限制电网无功功率基荷，使该部分无功功率平衡，从而提高配电变压器利用率，降低网损。跟踪补偿是指以无功功率补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户母线上的补偿方式。其优点在于运行方式灵活，运行维护工作量小，比随器补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但是控制保护装置复杂，首期投资较大，一般被一些大型用电企业所采用。1.3 本文所做的工作本文首先简述了无功功率相关概念以及研究的意义，提出研究无功功率的必要性和重要性。通过介绍无功补偿技术的历史及现状使我们了解未来的发展趋势，让我们把握住主流技术，重点讲述 TSC 静止补偿技术提高系统电压。1 阐述无功功率补偿的目的、意义与国内外研究现状，说明无功功率与系统电压变化的关系。2 TSC 型静止无功补偿器的基本结构与工作原理。3 TSC 静止无功补偿器稳定系统电压，减少波动的研究。4 用 MATLAB 对 TSC 静止无功补偿进行仿真，分析波形图。5 总结全文。
