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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：无功补偿技术综述
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层 次： 专科起点本科
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完成日期： 2021 年9月 9日
电网中无功功率的影响很大，它不仅使电网电压下降，影响电压的稳定性，还会使输、配电线路上的有功功率和电能损耗增加，造成大量的电能浪费。因此，该系统的功率补偿，减少无功电流在传输线，使系统的功率平衡问题一直是一个关键的电力行业研究。随着电子设备的日益增加的需求在功的发展，电力网络分布功越来越复杂，功补偿技术的要求也越来越高，传统的功补偿技术越来越不能满足目前的需要。
本文首先讲述了无功功率补偿技术的研究目的和意义，介绍了无功功率补偿技术的研究现状和发展方向，阐述了无功功率补偿装置中无功算法、控制策略、装置保护等方面的技术要求。
本文重点介绍了静止无功补偿器TVS、静止无功补偿发生器SVG和有源滤波APF，其中SVC常用的有以下几种形式：固定电容加晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)、晶闸管开关电容器型(TSC)、饱和电抗器型(SR)以及混合型(TCR+TSC)作了详细的介绍。
文章的最后还为将来的设计研究提出了展望。
关键词：无功功率补偿；静止无功补偿发生器；静止无功补偿器；有源滤波器
目 录
1.2 无功补偿技术的发展..................................................................................... 1
1.3 国内外研究和发展动态................................................................................. 3
1.3.1 国内外无功补偿技术应用概况......................................................... 3
1.3.2 无功补偿技术发展方向..................................................................... 4
2 基于柔性交流输电系统(FACTS)的无功补偿技术.................................................. 5
2.1.1 晶闸管的触发原则............................................................................. 6
2.1.2 主电路连接方式................................................................................. 7
2.1.3 检测点的选择..................................................................................... 8
2.1.4 电容器的分组方式............................................................................. 9
2.1.5 投切死角区间及减小投切死角的策略............................................. 9
2.1.6 串联电抗器的选择........................................................................... 10
2.2.1 TCR+FC型补偿器基本原理.............................................................. 13
2.2.2 TCR+FC型补偿器主要接线方式...................................................... 14
2.2.3 TCR+FC型补偿器系统组成.............................................................. 14
2.2.4 TCR+FC型补偿器控制策略.............................................................. 16
2.4.1 TCR+TSC型补偿器系统组成............................................................ 19
2.4.2 TCR+TSC型补偿器控制策略............................................................ 19
3 基于全控器件的无功补偿技术............................................................................... 21
3.1 静止无功发生器(SVG)................................................................................. 21
3.1.1 SVG的主电路结构............................................................................ 21
3.1.2 SVG的基本原理................................................................................ 22
3.1.3 SVG的控制策略................................................................................ 23
3.2.1 有源滤波器的分类........................................................................... 25
3.2.2有源滤波器结构及工作原理.............................................................. 28
1.1 课题的背景及意义
在电力系统中，异步电动机和变压器设备消耗了大量的功。这些功如果不能及时获得补偿 ，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响:首先，无功功率的增加会导致电流的增大，这不仅使设备及线路的损耗增加，而且还会威胁到设备的安全运行；另外，电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器及其他电气设备容量的增加，同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大，这使电网的经济运行大打折扣；另外，无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动，例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。
随着经济的发展，人们对电能质量越来越高的要求，并保持功缘适量是电网安全，稳定，经济运行的重要保障。在上述的各种危害，如何快速、有效地补偿电力系统中的功，是相关研究人员正在研究和亟待解决的问题。
我国和世界上的发达国家(美国、日本)相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大的差距[1]。目前，美国、日本等发达国家补偿度达0.5以上，电网功率因数接近1.0，而我国补偿度仅为0.45。我国的电网，特别是广大农村电网，普遍存在功率因数低，电网损耗较大的情况。
因此研究无功功率补偿对电网的安全经济运行有很重要的意义：
a. 解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题。
b. 促进节能。无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。如果无功功率问题处理得好，不仅节约电能还可以减少系统变压器和输变电设备容量。
c. 通过研究无功功率测量，掌握无功功率的经济规律。通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的。
d. 保证电能质量，促使电力系统安全运行。
1.2 无功补偿技术的发展
1. 同步调相机
功补偿装置同步器是早期的代表，它是空载运行的同步电动机等效，过励磁运行，向系统发出功，玩功的作用；在欠励磁运行，它吸收系统感性动力反应的影响，负荷。通过自动励磁调节装置，同步器根据电压值平滑输出的局部变化（吸收）功率，电压调节，也有利于提高系统的稳定性。但是同步调相机是旋转机械，功率损失较大，约1.5%到5%的能力。小容量同步冷凝器单位产能投资成本较高，适用于大容量同步冷凝器通常集中使用。由于该设备仍在使用的功补偿领域，并与控制技术，其控制性能的提高 。
2. 电容器
系统中的并联电容器，提高了容性负载，从系统的电容功吸收，相当于发出感应功，满足电路的感性负载电感的功率需求，达到功。使用电容器的功率补偿，一次性投资和运行成本相对较低，安装调试简单，损耗低，效率高（0.02%只损失本身的能力），可以集中使用，又可以分散安装。目前，在电力系统中的功补偿能力的国内外约90%是用来实现并联电容器。但是并联电容器的电源电压和功率和节点的平方成正比（QC = V2 / XC），当节点电压下降，需要增加功率，降低供电系统的反应。换句话说，补偿效果，改变系统电压，电容器的补偿效果不理想。
3. 并联电抗器
并联电抗器是功补偿装置的重要组成部分，用于改善与过量的电感电容功电力系统有功功率平衡，传动功率小，后来轻负荷在电力系统中的早期是非常必要的。因为在上述两种情况下，传输线的功小，和电容的影响线使传输线产生的电容充电功率大于传输线的电感的功率，以维持系统的电压水平，必须满足系统功率平衡，电压或功率的系统会增加。为确保安全运行 。
4. 无功补偿器
静止无功补偿器( SVC) 是第二代无功补偿装置，它被广泛用于输电系统波阻补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器 ( Fixed Ca-pacitor + Thyristor Controlled- Reactor- - FC+TCR) 、晶闸管投切电容器 ( Thyristor Switching Capaci-tor- - TSC) 及晶闸管投切电抗器( Thyristor ControlReactor- TCR) 。
1.3 国内外研究和发展动态
1.3.1 国内外无功补偿技术应用概况
传统的无功功率补偿装置装置主要是传统的同步电容器和并联电容器。同步调相机是早期功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅可以补偿功固定，对功动态补偿的变化可以进行。由于该设备仍在使用的功补偿领域，并与控制技术，其控制性能的提高。但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，技术远远落后 。
在大多数的感性负载的实际经验，以低成本为无功补偿装置后，利用并联电容器。电容补偿系统可以根据所需的无功控制系统的数量，自动切换补偿电容，所以对价格较高的功率补偿方法。在电力系统中目前采用开关电容器或接触器投切电容器。开关电容补偿措施，减少缺陷不好，反应慢，切换过程中产生的涌流和过电压问题。此外，接触器投切电容器开关响应时间较短的切换模式，这种功补偿设备一旦被分配（10kV和380V）市场，尤其是在低压配电网络。但由于其开关的随意性，并没有解决接触器暂态过程的电弧烧铸造成过电压，寿命短的问题。同时，接触器补偿装置的响应时间也较大，在一些场合，快速负载变化可能不同，不能达到动态补偿的目的。因此，从广义上说，的功补偿装置动态接触不分离开关类 。
20世纪70年代以来，同步调相机(SC，Synchronous Condenser)开始逐渐被基于半控型器件晶闸管(SCR)的静止型无功补偿装置(SVC)所取代。虽然在FACTS概念形成以前SVC就己存在，但由于SVC采用的阀元件也是电力电子器件，因此也把SVC归于FACTS控制器。
早期的SVC静止无功补偿装置是饱和电抗器(SR，Saturated Reactor)型的，1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置。SR比之SC具有静止、响应速度快等优点；但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据SVC的主流。
电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使用基于晶闸管的SVC；1978年，在美国电力研究院支持下，美国西屋公司(Westinghouse Electric Corp)制造的使用基于晶闸管的SVC投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。由于使用基于晶闸管的SVC具有优良胜能，所以十多年来占据了SVC的主导地位。因此，SVC一般专指使用基于晶闸管的静止无功补偿装置。
SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，可分为晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)以及两者的混合装置(TCR+TSC)，或者TCR与固定电容器(FC)配合使用的静补装置(TCR+FC)等。
1.3.2 无功补偿技术发展方向
目前我国广泛使用的是静止补偿器SVC。其中,能够进行无功功率动态补偿的基于智能控制策略的TSC仍然需要大力推广。随着大功率电力电子器件技术的高速发展,未来的功率器件容量将逐步提高,应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿,必将成为今后电力自动化系统的发展方向。
柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System)是随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛应用而产生的。目前基于FACTS技术且应用于无功补偿最为广泛的是静止无功补偿器(SVC)。
SVC常用的有以下几种形式:固定电容加晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)、晶闸管开关电容器型(TSC)、饱和电抗器型(SR)以及混合型(TCR+TSC)。
2.1 TSC型补偿器
TSC 型补偿器是一种断续可调的发出无功功率的动态补偿装置。其单相原理如图2.1所示。由一组并联的电容器组成，每台电容器与双向晶闸管串联接入电网。晶闸管在这里起开关作用以替代机械开关。运行时根据电网对无功的需求决定投入电容的组数。图中每组电容串联的小电感用来抑制投切电容时产生的冲击电流。TSC 接入三相电网时一般采用三角形连接。
图2.1 TSC 型补偿器单相原理图
TSC 的关键技术问题是投切电容器的时刻选取。电容组的最佳投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻，也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。TSC一般采用过零投切，采用过零投切时电路的冲击电流为零。为了投切效果更好，必须对电容预先充电。
TSC装置的发展已经有了很长历史，根据TSC装置的实际使用效果和反馈，前人在技术上进行了很多的改进和创新。如何总结已有的经验，选择适合于TSC的技术是本节研究的重点[2]。
TSC的典型装置通常有两部分组成[3]：一部分为TSC主电路，它包括晶闸管、补偿电容器及阻尼电抗器；另外一部分为TSC控制系统，主要由数据采集和检测、参数运算、投切控制、触发控制4个环节组成[4]。本节将从无功算法的选择、晶闸管的触发原则、主电路的接线方式和控制策略等9个方面对TSC动态无功补偿有关技术进行比较深入的论述。
2.1.1 晶闸管的触发原则
普通晶闸管投入时间总的原则是，此刻的TSC的输入电容，也是晶闸管开通时刻，必须是电源电压和电容器的预充电电压相等的时刻。因为根据在电容器中的电容器的特性，当电压阶跃变化，会产生冲击电流，很可能破坏晶闸管或不利影响电源的高频振荡 [1,2,3]。
如果第一电容器充电电压等于电源电压的峰值在传导，在峰值功率的输入电容，由于在电源电压比点的变化（时间导数）为零，因此，目前IC是零，那么电源电压（即电容电压）将根据改变正弦波电流上升率，即按正弦规律上升。在这种方式中，目前影响整个投资过程不仅，目前也没有改变。这就是所谓的理想输入时间 。图2.2以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。
图 2.2 功率补偿说明图
选取合适的触发时刻总的原则是，TSC投入电容时，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器残压的幅值和相位相同。但是无论投入前电容器充电电压（也称残压）是多少，其往往都是不易测量的，所以必须通过其他一些方法来解决电容器残压测量的难题。
1.过零触发电路
晶闸管电压过零触发电路如图2.3所示。当电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管上电压为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投入指令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的平稳导通。当TSC投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下次发出投入指令，TSC才会在零电压时重新投入。
