静止无功补偿的特性分析与仿真研究

杨 斌，李 宏

(西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065)

随着经济的快速发展，电网规模的不断增大，工业电弧炉、轧钢机、电力机车等冲击性负荷在电网中的比例越来越大，这些负荷功率因素低，而且会造成电网电压波动及无功功率的剧烈变化，从而恶化电能质量和造成大量线路损耗，高次谐波污染也非常严重，对系统供电质量造成重大影响，使用户的正常工作受到较大的影响。如何采取有效措施，根据需要对无功进行动态补偿，减少设备损耗，提高供电质量，在电力系统领域的研究中，有非常重要的意义［1］。因此，提高输电系统的稳定性，对提高配电网的经济运行水平有极其重要的作用，对促进工业进步有着重要的贡献。

无功补偿主要有以下几个方面的作用:(1)在三相负载不平衡的情况下，进行适当的无功补偿，可以平衡有功功率及无功负荷。(2)稳定系统电压，抑制系统震荡，提高电能质量。在长距离输电线路中，采用动态无功补偿装置，可以改善输电系统的稳定性，提高传输容量。(3)提高电力系统及负载的功率因数，降低设备功率损耗［2］。

最典型的静止型无功补偿装置是使用固定电容器+晶闸管控制电抗器(FC+TCR)，使其具有吸收和发出无功电流的能力，提高系统功率因数。它的重要特性是通过控制TCR的触发延迟角的变化，来改变补偿装置所需要的无功功率。TSC 只能分组投切电容，和TCR 配合使用时，才能连续调节补偿装置的无功功率。固定电容器+晶闸管控制电抗器型静止无功补偿装置能连续调节补偿装置的无功功率，且响应速度较快［3］。因此，可以对无功功率进行快速动态补偿。

1 SVC的分类及工作原理

图1 中给出了SVC的不同配置类型单相接线图。

图1 单相接线图

表1 对几种常见的静止无功补偿装置作一个简要的对比。通过比较我们可以看出TCR 型具有反应时间快，运行可靠，可实现无级、分相调节，价格便宜等优点，能较好地抑制不对称负荷的能力、产生的高次谐波和噪音较小，与静止无功发生器SVC 相比，控制较简单、成本低，实用价值较好［4］。

表1 几种无功功率动态补偿装置的简要对比

图2 SVC 原理图

如图2所示，图中的降压变压器是为了降低SVC 造价，而引入的滤波器则用来吸收SVC 装置所产生的谐波电流。

TCR的单相基本结构就是由两个反并联晶闸管与一个电抗器串联构成。此结构的有效移相范围为90° ～180°，触发角α=180°，晶闸管全部导通，导通角β=180°，电抗器吸收无功电流最大。瞬时改变TCR的触发角可以改变补偿器吸收的无功分量，达到调整无功功率的目的，只需要使TCR提供的无功功率的变化量和负载的变化量是等值反向就可以了，甚至通过改变β 就可以维持电网电压为恒定值［5］。调整β 或α 可以平滑地调整TCR 支路并联在系统的等值电抗。其从系统中吸收的无功功率为:

式(1)中，L为电抗器的电感值。

TSC的单项基本结构就是由两个反并联晶闸管与一个电容串联构成，串联一个电抗器是用来抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC 补偿器可以很好地实现系统所需的无功功率补偿，TSC 在三相电网中可以三角形连接，也可以星形连接，为了实现更好的补偿，对无功功率应尽量做到无极调节，从而能根据电网或负荷的无功波动，进行实时补偿［5］。当TSC 支路投入到系统后，其向系统注入的无功功率为:

式(2)中，C为电容器的电容值。由式(1)和式(2)可得SVC 向系统注入的无功功率为:

可见β∈［0，π/2］时，在系统补偿的无功功率能连续平稳调整。一般情况下，为了扩大调节范围，SVC 装置中可采用多个TSC 支路，并且为了保证能连续的调整，TCR的容量略大于一组TSC的容量。若投入的TSC的总电容为C，则SVC的等值电抗为:

SVC的等值U－I 特性由TCR和TSC 组合而成，其U－I特性曲线如图3所示，Vref为SVC的参考电压。SVC的可调整范围在直线AB 范围内，当系统电压的变化超出SVC的可调整范围时，SVC 就成为一个固定电抗，即:

图3 SVC的U－I 曲线特性

2 控制策略

系统的控制目标有:(1)当电网中负载发生波动时，控制电网电压为给定值。(2)当保证电网电压保持在给定值的同时，使系统的功率因数＞=0.95。

一个通用的TSC+TCR 型SVC 控制系统的框图如图4所示。

图中控制器结构主要包含电压测量系统、电压调节器、同步触发脉冲发生器等。其中的测量系统用来测量一次绕组侧的电压正序分量，该系统利用离散FFT 技术求取一个周期内的基频电压，考虑到系统频率的变化，该系统与PLL模块相连，电压调节器将测量得到的控制变量与参考信号相比较，然后将误差信号经过控制器的变换后输出了一个标幺值电纳Bref，这个信号的大小可以使误差减小，实现稳态误差接近于零，Bref 信号再经过电压同步系统和触发脉冲发生器产生脉冲信号，从而实现对TSC和TCR 支路的晶闸管进行导通控制［5］。

图4 SVC 控制系统框图

3 仿真结果

利用Matlab 仿真软件中Simulink 来研究SVC的补偿特性［6］。采用三相可编程电源，电源电压为735 kV，系统负荷为200 MVA。SVC 由一组TCR，三组TSC 以及SVC 控制器构成了SVC，其中TCR 容量为110 Kvar，三组TSC 容量都为95 Kvar，SVC 通过735 kV/16 kV 变压器接在负荷侧，设置参考电压值为1.0 p.u.。

图5 SVC 仿真波形

有关SVC的仿真波形如图5所示，在0.1 s 时，电压下降，SVC 开始对系统进行补偿，使得电压开始增高，三组TSC全部导通，TCR 开始吸收一定的感性功率。到0.4 s 时，电压忽然增高，SVC 开始吸收无功功率，使得电压下降到趋近于1.0p.u.，所用的时间大概为0.3 s，在这种运行方式下，TSC 全部关断，TCR 基本全通［7］。当补偿装置投入补偿0.9 s 后，系统电压趋近于1.0 p.u.，无功功率从波动频繁调整到趋近于0，功率因数大于0.95，趋近于1，达到了补偿的目的。

在进行无功补偿时，TCR的容量应略大于TSC的容量，这样才能有比较好的补偿效果。把TCR的容量设置为60 Kvar 来进行补偿，仿真结果如图6，可以看出，无论是在电压下降还是上升时，到0.9 s 时，功率因数明显低于1，电压也低于基准电压，补偿效果不好。

图6 SVC 仿真波形

4 结论

本文介绍了无功补偿的重要性以及分类，分析了动态无功补偿SVC的结构，结构简单，并通过仿真分析证明了静止无功补偿动态响应效果好，能够有效抑制电网系统中电压的突变，并使系统的功率因数满足大于0.95的要求，降低了电网的损耗，达到了电力部门规定的允许值，为工程实际中的应用提供了参考依据，本文的仿真结果还进一步对研究DSP控制的静止无功补偿装置提供了良好的理论指导。

［1］孙晓波，温嘉斌.TCR+FC 型静止无功补偿装置的研究［J］.电力电子技术，2011(5):43－45.

［2］周宇英，宋璟毓.TCR 型静止无功补偿系统［J］.航电技术，2009(2):27－30.

［3］王兆安.谐波抑制和无功功率补偿［M］.第2 版.北京:机械工业出版社，2005.

［4］王笃亭.基于DSP的静止无功补偿装置的研究［D］.东北电力大学，2006.

［5］于群，曹娜.MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［6］MATLAB 软件［LO］.http://wenku.baidu.com/view/a86166a3f524ccbff121847a.html，2012－01.

［7］王晶，翁国庆，张有兵.电力系统的MATLAB/SIMULINK 仿真与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2008.