摘 要

随着电力系统的规模日益庞大，用户的各种随机性操作以及投入冲击性负荷造成严峻挑战，各种内外因素的干扰往往导致系统电压不稳定失衡，进一步威胁到系统的安全和可靠性。针对上述问题，从提高电力系统动态无功支持出发，静止无功补偿装置可以在柔性交流输电系统中维持电压水平，加快负荷动态跟随响应。静止无功补偿器的快速响应特性，被广泛用于作为系统安装点动态电压支撑的重要手段。

本文首先根据柔性交流输电的经济运行水平，分析了各种无功补偿装置的优劣，最后采用1TCR 3TSC的静止型动态无功补偿拓扑，电容器组采用晶闸管过零触发的方法进行分组投切，有效降低补偿电容器投入时产生的浪涌电流对电网的冲击。TCR采用准静态模型进行连续的无功调节，用于吸收TSC过补偿产生的容性无功，提高系统调相、调压能力。

其次，本文基于快速傅里叶变换进行无功功率的测量，提出开环前馈PI控制的SVC控制策略，对整体补偿装置实现TCR和TSC的解耦控制，提高响应速度。以无功功率为主要判据，避免投切振荡，以电压为辅助判据，引入负荷点电压的限定值作为无功补偿的约束调节，并对TCR TSC型静止动态无功补偿各部分和SVC系统整体进行仿真和建模。

仿真结果表明，TSC根据负载的扰动进行投切，系统加入TCR后，母线电压迅速由电容器抬高的电压值降落至控制系统的给定值，系统的功率因数达到了≥0.95的预期目标，SVC补偿器注入的谐波电流小于注入电网的谐波电流允许值，电压波动随无功占比变化而产生的幅度变化越来越小。

关键词：静止无功补偿器；SVC；TCR；TSC；晶闸管投切电容器

Abstract

As the scale of the power system becomes larger and larger, various random operations of users and input of shock loads pose serious challenges. The interference of various internal and external factors often leads to system voltage instability and imbalance, which further threatens the safety and reliability of the system. In view of the above problems, starting from improving the dynamic reactive power support of the power system, the static reactive power compensation device can maintain the voltage level in the flexible AC transmission system and speed up the dynamic follow-up response of the load. The fast response characteristics of static var compensators are widely used as an important means of dynamic voltage support at system installation points.

This article first analyzes the advantages and disadvantages of various reactive power compensation devices based on the economic operation level of the power grid. Finally, the static dynamic reactive power compensation topology of 1TCR 3TSC is adopted. Reduce the impact of the surge current generated by the compensation capacitor on the power grid. TCR uses a quasi-static model for continuous reactive power adjustment, which is used to absorb capacitive reactive power generated by TSC over-compensation and improve the system's phase and voltage regulation capabilities.

Secondly, based on the fast Fourier transform for reactive power measurement, this paper proposes an SVC control strategy of open-loop feedforward PI control to achieve the decoupling control of TCR and TSC for the overall compensation device and improve the response speed. Reactive power is used as the main criterion to avoid switching oscillation, and voltage is used as the auxiliary criterion. The limit value of the load point voltage is introduced as the constraint adjustment of reactive power compensation. The TCR3 TSC static dynamic reactive power compensation The SVC system performs simulation and modeling as a whole.

The simulation results show that TSC switches according to the disturbance of the load. After the system joins TCR, the bus voltage quickly drops from the voltage value raised by the capacitor to the given value of the control system. The power factor of the system reaches the expected target of ≥0.95 The harmonic current injected by the compensator is less than the allowable value of the harmonic current injected into the power grid, and the amplitude change of the voltage fluctuation with the change of the reactive power ratio is getting smaller and smaller

Key Words：Static var compensator; SVC; TCR; TSC; thyristor switching capacitor

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 1

第2章 柔性交流输电静止无功补偿器基本原理 4

2.1 概述 4

2.2 无功补偿的基本原理 4

2.3 晶闸管投切电容器TSC原理 6

2.3.1 TSC的基本原理 6

2.3.2 投入时刻的选取 7

2.3.3 接线方式及容量确定 8

2.4 晶闸管控制电抗器TCR原理 9

2.5 谐波分析与抑制 10

第3章 柔性交流输电静止无功补偿器控制策略 13

3.1 无功补偿控制策略 13

3.1.1 单一物理量控制方式 13

3.1.2 综合控制方式 14

3.1.3 复杂控制方式 14

3.2 无功测量方法研究 15

3.2.1 P-Q检测法 15

3.2.2 快速傅里叶方法 17

3.3 无功补偿控制器设计 19

第4章 柔性交流输电静止无功补偿器建模与仿真分析 21

4.1 柔性交流输电静止无功补偿器基本拓扑 21

4.2 柔性交流输电静止无功补偿器建模 21

4.2.1 电源模块仿真模型建立 22

4.2.2 无功测量模块仿真模型建立 23

4.2.3 TSC控制器模块仿真模型建立 23

4.2.4 TCR控制器模块仿真模型建立 24

4.2.5 TCR触发模块仿真模型建立 24

4.2.6 TSC触发模块仿真模型建立 25

4.3 柔性交流输电静止无功补偿器仿真结果 27

第5章 结论与展望 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1研究背景

随着电力工业的迅速发展，越来越多的随机性非线性负荷逐步应用在实际工业生产中。冲击性负荷的投入，产生大量的感性无功，需要电力系统提供无功支撑，无功功率在输电线路上传输将对电网产生一系列的影响，包括占据系统容量、增加功率损耗、破坏供电系统的稳定性、影响供配电设备的安全{, #1}高效运行等^[1]。

同时电压作为衡量电能质量的重要指标，在额定电压附近，无功功率对电压具有较大的变化率^[2]，重载运行的电网如果系统无功功率不足会导致电压跌落现象，严重的会导致电压崩溃甚至扩大为全网性事故^[3]。无功功率的存在进一步导致三相电压不平衡，会产生负序分量使电网保护装置误动作和使半导体的变流设备产生附加的非特性谐波电流^[4]等等。

虽然无功功率的存在会对电网的合理运行造成一系列的影响，但是电力系统主要的无功负荷如异步电动机和变压器都依赖于无功功率建立交变磁场，完成定、转子或一、二次绕组的能量交换。无功功率作为产生和维持电场和磁场能量，只能采用特定的手段进行补偿而不能完全消除^[5]。实际上，无功功率的传递本身不消耗能量，而是使电气设备产生压降造成电能损耗。

目前为止，采用动态无功补偿技术能有效解决上述由于无功功率产生的问题。动态无功补偿技术通过在负荷侧进行并联无功补偿，可以实时地对电网所需无功实施连续调节，解决无功功率就地平衡的问题，提高电网及负荷的功率因数，降低设备的有效容量，减少投资。在柔性交流输电设备中，静止无功补偿器（Static Var Compensator：SVC）是目前应用场合广泛、经济效益高的动态无功补偿设备，主要有以下几个方面的优点：