TSC静止无功补偿提高系统电压理论研究

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

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Abstract

In recent years, due to the increase of power capacity, the reactive 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 serious 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 quo, 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: 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,

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 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

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目录

摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract ...................................................................................................................................... II

1 前言 ................................................................ 1 1.1 课题背景 .......................................................... 1 1.2 国内外在该方面的研究现状及分析 ................................... 2 1.3 本文所做的工作 .................................................... 5 2 TSC型静止无功补偿器的基本结构与工作原理 ............................ 6 2.1 TSC 的基本原理 .................................................... 6 2.2 TSC主电路选择和拓扑结构 .......................................... 7 2.3 TSC 投入时刻选取分析 .............................................. 8 2.4本章小结 .......................................................... 11 3 TSC静止无功补偿稳定系统电压 ....................................... 12 3.1 TSC控制策略 ..................................................... 12 3.2 九区图法控制原理 ................................................. 12 3.3 TSC控制方式 ..................................................... 14 3.4 TSC应用现状、问题及解决方案 ..................................... 16 3.5 本章小节 ......................................................... 18 4 TSC工作原理的仿真研究 ............................................. 19 4.1 关于MATLAB仿真软件 .............................................. 19 4.2 建立仿真模型 ..................................................... 19 4.3 TSC仿真分析 ..................................................... 20 4.4本章小结 .......................................................... 22 结 论........................................................................................................................................ 23 参考文献.................................................................................................................................. 24 致 谢........................................................................................................ 错误！未定义书签。

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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“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2~3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：

⑴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；

⑵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；

⑶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；

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⑷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，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，

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基于变流器的补偿装置获得广泛的应用。目前世界上像ABB、西门子、阿尔斯通等著名大公司都推出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：

⑴ 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。

⑵ 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。

⑶ 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。

⑷ 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。

⑸ 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。

⑴ 根据并联补偿装置器件分类：

① 机械投切阻抗装置：如断路器投切电抗器、电容器； ② 晶闸管投切阻抗装置：如SVC等；

③ 基于变流器的可控型有源补偿装置：如APF等。

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⑵根据补偿对象不同无功补偿技术分类： ① 负荷补偿装置；

② 系统补偿装置。

⑶根据补偿的反应速度分类：

①静态补偿装置：如同步调相机等；

②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：

⑴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。

⑵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6~10kV高压母线上。主要特点：在减少高压母线线路的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。

⑶分组补偿

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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。

⑷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。

⑸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。

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2 TSC型静止无功补偿器的基本结构与工作原理

2.1 TSC 的基本原理 2.1.1 晶闸管的接线方式

晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制

电容器投入电网时可造成的冲击电流，有时这个小电感并不画出来。晶闸管通常有两种接线方式：2个晶闸管反并联和1个晶闸管和1个二极管反并联。两者都是投切电容器的开关，所不同的是，前者晶闸管承受最大反向电压低，为电源电压峰值，但投资较大，控制复杂；后者投资小，控制简单，但晶闸管承受的最大反向电压高，为电源电压峰值的2倍，所以在选择使用哪种连接方式时，应根据技术、经济比较来确定。

2.1.2 TSC电压-电流特性

本文采用如图2-1 所示的晶闸管和二极管反并联的结构，为便于分析，以单相为例如图2-1a）所示。当电容器投入时，TSC的电压-电流特性就是该电容的伏安特性，如图2-1c）中的0A所示。

图2-1 TSC基本原理

在实际应用中，一般电容器三相(如图 2-1b 所示)，每一相都可由晶闸管投切，这样就可以根据实际的无功需求投切相应组数的电容器，也可以说TSC 就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其电压-电流特性按照投入电容器组数的不同可以使图 2-1c 中的 0A、0B 或 0C。电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，常见的分组方法有等容分组和不等容分组 2 种。前者易于实现自动控制，但补偿级差大，后者利用较少的分组就可获得较小的补偿级差，但不易控制。在实际中也有采用二者的折中，例如采用 n-1 个电容值均为 C 的电容，和一个电

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容值为 C/2 的电容，这样系统从零到最大补偿量的调节则有2n级。

TSC 系统应用形式非常灵活，可按电压等级划分和按补偿对象划分。按电压等级划分：低压补偿，该补偿方式适用于 1kV 及其以下电压的补偿；高压补偿，即 6-35kV的补偿。按补偿对象划分为：面向系统补偿，该补偿方式是维持系统电压在一定的范围内变化，该补偿方式一般为高压补偿方式；面向负荷补偿，该方式直接针对某一负荷进行补偿。

2.2 TSC主电路选择和拓扑结构

2.2.1 晶闸管和电容器的连接方式

TSC的主电路按照晶闸管和电容器的连接方式，可以大致分为 4种类型: 星形有中线、星形无中线;角外接法、角内接法。其中前两者统称为星形接法，后两者统称为三角形接法。

(1)星形有中线

这种接法优点在于，晶闸管电压定额降低，可以进行分相投切；但由于中线存在，对二倍次谐波无抑制作用，所以晶闸管电流定额增大，因此该接线方式适合系统电压波形畸变率很小且电网负荷三相不平衡的情况。为了限制涌流和抑制谐波，通常在中线上加装限流电抗器(见图 2-2a)。

(2)星形无中线

与星形有中线相比，该接线方式由于取消了中线，对三倍次谐波有抑制作用，对系统无污染；但需两相电容才能形成回路，不能进行分相投切，因此，该方式适合补偿电网负荷三相不平衡的情况(见图2-2b)。

(3)角外接法

晶闸管处于电容器三角形的外部。按照电工理论中的“△—Y”变换原理，在电容器总容量相等的情况下，角外接法和星形无中线对外电路所表现的特性都是一样的。实际中，多采用三角形接法。角外接法对三倍次谐波也有抑制作用；与角内接法相比，体积小，但不易控制，投切时暂态过程较长。适合于三相平衡负载(见图2-2c)。

(4)角内接法

晶闸管处于电容器三角形的内部。该接法对系统无污染，相对另外 3 种接法，晶闸管电流定额小，只有相电流的 58%，但晶闸管电压定额较大(见图2-2d)。

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a) 星型有中线 b）星型无中线

c)角外接法 d）角内接法

图2-2 TSC主电路拓扑图

2.3 TSC 投入时刻选取分析

2.3.1 TSC理想投切时刻

TSC 投入电容的触发时刻选取的总原则是，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，也就是晶闸管两端电压为零的时刻。

无论电容器残压是多少，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。一般来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压峰值，而且将晶闸管的触发相位也固定在电源电压的峰值点。因为根据电容器的特性方程

ic?Cduc (2-1) dt- 8 -

图2-3 TSC理想投切时刻原理图

图 2-3 所示为两个晶闸管反并联的结构，设电源电压为es，在本次导通开始以前，电容器的端电压uc己通过上次导通时段最后导通的晶闸管VT1充电至电源电压es的峰值，且极性为正。本次导通开始时刻取为es和uc相等的时刻t1,给VT2以触发脉冲而使之开通，电容开始导通其电流ic。以后每半个周波发出脉冲轮流给VT1和VT2,直到需要切除这条电容支路。如在时刻t2，停止发脉冲，tc为零，则VT2关断，VT1因未获触发而不导通，电容器电压保持为VT2导通结束时的电源电压负峰值，为下次投切电容器做了准备。

如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率（时间导数）为零，因此，电流ic即为零，随后电源电压（也即电容电压）的变化率才按正弦规律上升，电流ic即按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶越变化。这就是所谓的理想投入时刻。图2-3以简单的电路原理图和投切的波形对此作了说明。

晶闸管和二极管反并联的结构同两个晶闸管反并联结构类似，二极管可以给电容器充电，直到其电压为电源电压峰值为止，一旦电容电压比电源电压峰值低，二极管就会将其充至峰值电压。

2.3.2 无涌流电容器投切时刻分析

下面分析如图2-4所示的含有抑制涌流电感的电容器无涌流投入时刻。

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IUC

图2-4 单相TSC等效电路

由图可得电路的方程

u?Ldi1??idt (2-2) dtC设电源电压 u?Umsin(?t??)，投切时刻相角为?，电感的初始电流i0??i0??0，电容的初始电压为u0??u0??0，解方程可得

i?Imcos(?t??)?Imcos?cos(?0t)??0C((?2LC2?1)uc0?Umsin?)sin(?0t)/(1??LC)2 （2-3）

式中?0为电路振荡频率?0?1/LC，Im为电流稳态峰值。要使电流不出现暂态过渡过程，应同时满足电容预充电和投切初相角条件

?uc0??Um(1??2LC) ? (2-4)

?????2 电容器必须预充电至uc0 。当?LC??1时可以认为电容器需预充至电源峰值电压。可控硅必需在正弦电源电压到达峰值导通，且导通时电源电压与电容电压极性相同。当这两个条件满足时，电流由零值直接进入稳态，无过渡过程。

i?Imcos(?t??/2) （2-5） 同时满足无过渡过程投入的两个条件，在实际中是很困难的。由于系统电压波动变化，以及电容上的残压等因素，在实际中很难保证无过渡投入条件中的电容预充电条件。当投入电容器瞬间晶闸管两端电压差为零时，前述公式可以简化为

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2 i?Imcos(?t??)?Imcos?cos?t （2-6） 可以看出如投入电容器瞬间晶闸管两端压差为零，即可保证暂态电流峰值不超过稳态电流峰值的 2 倍；且当投入相位为士 90°时，恰好满足了无过渡投入电容器的条件。因此将“晶闸管两端电压为零”作为晶闸管无冲击性涌流投入电容器的判据。

2.3.3常见的触发方式

基于以上分析，常见的触发方式有以下两种：

⑴过零触发

当电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管上电压为零，此时触发可保证晶闸管平稳导通。当 TSC 投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到下次发出投入指令，TSC才会在零电压时重新投入。 ⑵反压触发

一般来讲，无论电容器残压多高，总是小于等于电源电压幅值，在一个周期内，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。利用这一点，在晶闸管承受反压时，触发脉冲序列升始，这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态。对于由 2 只晶闸管、1 只二极管组成的Y-△连接的三相投切开关的“2+1”电路“2+1”电路拓扑结构如图2-5所示。

?45?，就可以应用这种触发方式，

图2-5 2+1电路和相位触发示意图

2.4本章小结

本章分析了TSC的基本结构和工作原理，并给出了系统的拓扑结构。对TSC的补偿特性进行了深入分析。对晶闸管和电容器的连接方式进行了说明，对采取的晶闸管和二极管反并联的方式进行分析。

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3 TSC静止无功补偿稳定系统电压

3.1 TSC控制策略

对于TSC，由其基本结构和原理可知，两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，串联的小电感只是用来抑制电容投入电网时可能造成的冲击电流，在工程实际中一般将电容器分成组，每组都可由晶闸管投切，因而可根据电网的无功需求投切电容器，TSC实际上就是断续可调的发出无功功率的动态无功补偿装置。TSC虽然不能连续补偿无功，且只能输出容性无功，但凭借其成本低，运行时不产生谐波，自身能耗小等优点，近10年以来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长。其主要缺点是对配电系统电能质量补偿能力弱随着计算机测控技术的迅速发展，先后出现了多种TSC无功补偿的控制策略，主要可以分为两种。 ⑴单一功能的控制策略

这类控制包括：按功率因数大小控制；按母线电压曲线控制；按无功功率变化控制；按昼夜时间段控制；按负载电流大小控制；按电压电流相位差控制等。

此类控制策略的方法较简单，以无功功率变化控制策略为例简要说明，其余控制策略这里不再赘述。无功功率控制是指根据测得的电压、电流和功率因数等参数，计算出应该投入的电容容量，然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量(下限值)，则应保持补偿状态不变。只有当所需容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。 ⑵综合控制功能的控制策略

这类控制器包括：按电压、功率因数综合控制；按电压、时间综合控制；按电压、无功功率综合控制。

以电压、功率因数综合控制策略为例简要阐述，其他几种只是控制目标不同，这里不再说明。电压、功率因数控制是指根据预先设定的整定功率因数，由检测到的电网实际功率因数控制所需的补偿电容容量，电容器组投入后，只有当cos?min?cos??cos?max且电压不超过允许值时，才能运行于稳定区。

3.2 九区图法控制原理

对TSC的控制策略，传统的方式是采用九区图法。九区图控制法是将电压和无功的区域结合起来，组成一个平面，在该平面内分为9个区域。分别为:电压无功合格区，电压越上限、无功越上限，电压越上限、无功合格，电压越上限、无功越下限，电压合格、

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无功越下限，电压合格、无功越上限，电压越下限、无功越下限，电压越下限、无功合格，电压越下限、无功越上限9个区域。每个分区有不同的控制规则，以这样的策略来

图3-1 九区图法控制原理图 控制电压和无功。

九区图控制法原理图如图3-1所示，U?和U?是电压偏差的上、下限值，Un是标准电压值，cosa下限是功率因数偏差下限值(无功上限值)，cosa上限是功率因数偏差上限值(无功下限值)，图3-1中纵坐标是电压，电压偏差的上、下限由变电站的运行要求决定;无功功率的上、下限值则由补偿电容器的容量以及电网是否要求该站向电网输送无功功率来决定。根据控制要求划分，各个区的常规控制策略如下: O区:电压合格，无功功率合格，不操作。

1区:电压合格，无功越下限(过补偿)。发切除电容的指令。若电容己切完，无功仍然越下限，停发切电容指令，发降压指令。

2区:电压越上限，无功越下限(过补偿)。先发切除电容指令，到无功补偿合适时，若电压还高，转发降压指令。

3区:电压越上限，无功合格。发降压指令，直到电压降低至合格为止。

4区:电压越上限，功率因数越下限(无功越上限)。先发降压指令，待电压降至合格后，再发投电容器组指令，直到电容器合适为止。若电容器己投完，无功仍然越上限值，则停发投电容器指令。

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5区:电压合格、功率因数越下限(无功越上限)。发投电容器组指令，投入电容器组直至无功补偿合适为止。若电容投完，则停发投电容指令，发升压指令。

6区:电压越下限、功率因数越下限(无功越上限)。发投电容器组指令，投入电容器组直至无功补偿合适为止。若电容投完，则停发投电容指令。

7区:电压越下限、无功合格。发升压指令，直到电压升至合格为止。

8区:电压越下限、无功越下限(过补偿)。先发升压指令，待电压升至合格后，再发切电容指令，切至无功补偿合适为止，若电容己切完，无功仍越下限值，也自动停发切电容指令。

九区图控制原理存在的问题主要是:控制策略是基于固定的电压无功上下限而未考虑无功调节对电压的影响及相互协调的关系：用于运算分析的信息由分散性和随机性的特点，造成了控制策略的盲目和不确定性，实际表现为设备频繁调节。

如图3-1所示，当系统运行于第7区的运行点①时，无功合格、电压偏低，这时应该是调节变压器分接头，使电压升高。可是电压和无功是互相影响的，电压升高，功率因数会变大，这时运行点有可能进入1区在②点运行。1区电压合格、无功越下限，应该切电容，如果这时已经没有电容器可切除则降压电压，这样的策略又会影响电网中的无功功率，有可能使运行点回到①点。因此造成升压→降压→升压→降压??这样的操作指令，使运行点在1区和7区之间来回振荡，反之也是同样。

这样的情况在运行点③点和④点之间也会存在，具体是如果运行点在3区的③点，这时应该执行的操作是降低电压，这样会导致电网中的无功功率升高，运行点有可能进入5区在④点运行。这时根据5区的策略应该投电容器，如果没有电容器可以投入的话应该升高电压。因此造成了降压→升压→降压→升压的操作指令，使运行点在3区和5区之间来回震荡，反之也是同样。

以九区图为控制策略的装置在实际运行中，其缺点主要表现在当电网（变电站）在某些运行区域（九区图中的区域）时，会增加电容器的动作次数，提高检修频率，影响电器设备的使用寿命。

3.3 TSC控制方式

针对TSC的控制方式一般有两种，即开环控制和闭环控制。开环控制即通常说的前馈控制，响应迅速，但控制精度低，控制策略相对比较简单，多用于负载补偿。闭环控制即反馈控制，响应速度较慢，控制的精度很高，该控制策略相对比较复杂。 TSC在进行负荷补偿时，主要用来抑制电压波动与闪变，响应迅速是起控制器的最基本要求，因此开环控制方式也就成为减小电压闪变的常用控制方式。但是，由于开环控制方式对受空变量的信息无反馈回路，所以一切的边界条件皆需要预先考虑，一旦遇到不可预见的条件出现，其控制效果将大打折扣，因此是一大难点。文献[3]中对开环控

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制系统的一般构成进行了较为详细的解释，在次不再赘述。另外，国外ABB和ALSTOM等公司经过大量TSC设计经验的积累，较好的实现了开环控制方式来抑制电压波动和闪变的TSC控制器设计。TSC在进行系统补偿时，其控制目标通常是调节系统电压，此时高的控制精度则是控制系统的最基本要求，故以采用闭环控制方式居多。另外，这种控制方式同样适用于实现TSC的恒无功、恒功率因数等控制目标。但为了充分利用两种控制方式各自的优点，实现多重控制的目的，也常常将这两种控制方式联合起来使用。 该控制方式下稳定系统电压时，控制器所需信号为系统线电压和线电流。如果用于补偿系统无功功率或校正系统功率因数，只需将电压设定值改为相应的无功设定值或功率因数设定值即可。控制规律采用可变参数的PI调节器，其算法简单、可靠，而且易实现。TSC应用于电力系统中对系统产生的影响有：

1，增强系统的暂态稳定性。TSC安装于长距离输电线路中点可以改善系统的暂态稳定性，其P-δ特性曲线给故障后电机提供的减速面积和暂态裕量比没有补偿的情况下要大。

2，有力的支持系统电压，防止电压崩溃。系统发生故障或者负荷电流（尤其是无功电流）急剧增高的瞬间，TSC能够对系统进行瞬间的无功补偿来支撑电压以抑制电压崩溃的趋势。

3，有效的阻尼系统震荡。TSC可以用极高的速度平滑地调节无功和电压，具有调制状态工作的可能。它可以在一个与工频50Hz不同的频率下作适当浮动，如果浮动与系统摇摆或振荡频率相同而相位相反，就可以增大系统系统的阻尼而抑制振荡。 4，补偿不平衡负荷。负荷不平衡时，TSC不平衡控制策略可以补偿系统使供电电流变成三相平衡，能够使单相负荷变成三相平衡负荷而没有无功分量。 5抑制负荷侧电压波动和闪变，校正功率因数。

当然，TSC也有其自身的弱点，它是阻抗型补偿，随着电压的降低其无功输出也会与电压成平方关系降低，若采用基于电压源逆变器的STATCOM将会取得更好的效果。无功传输对配电网的影响，一是会导致电力用户电压水平的恶化，二是会造成线损的上升。为了降低无功传输带来的不利影响，可以在配电网无功负荷集中处安装一定容量的SVC由SVC向负荷点就近提供无功功率，以减少系统流入的Q，这样不仅可使网络产生的压降ΔU变小，同时也可使网络的线损减小。当在配电网络中并入容量为Qb的SVC之后，网络的压降和线损为

PR(Q?Qb)X?U??UU （4-1）

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(Q?Qb)2P2?3?3?A?R?10?h?R?10?h （4-2） 2UU由以上两式可见，Qb增大，压降ΔU就会变小，即降损的效果就会增大；当Qb=0时，由无功传输带来的压降损失和线损为0，其改善电压和降损的效果达到最佳；如果Qb〉Q，则会出现无功倒流入系统的情况，这时压降损失反而会增大，降损的效果也会逐步

开始恶化。所以，配网侧SVC在一定条件下不仅可以改善配网用户的用电质量，同时还可以降损节电。

TSC型SVC，以及其他类型的动态无功补偿装置如STATCOM和DSTATCOM等在输电网、配电网、大型工矿企业中应用广泛，起到了电压支撑、无功补偿、抑制闪变等关键作用。随着技术的发展以及电网安全和电力用户的需要，动态无功补偿装置将会得到更为广泛的应用，且应用的方式也将随着使用场合的不同而灵活采用不同的无功补偿方式，或者同时综合采用多种无功补偿技术。国外从60年代就已经开始应用SVC，七十年代末开始用于输电系统的电压控制，经过几十年的发展，不仅将静止无功补偿器，用于输电系统的电压控制，也用于配电系统的补偿和控制，还可用于电力终端用户的无功补偿-电压控制，例如电气化铁路、电弧炉等负荷波动大、无功功率频繁变化的场所。我国平顶山至武汉凤凰山500kV变电站引用进口的无功补偿设备就是TSC型。

3.4 TSC应用现状、问题及解决方案

将电容器与网络感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法。在 SVC 的发展历程中，先后出现了同步调相机、自饱和电抗器等产品，但都因其性能及生产工艺上的不足渐渐淡出了人们的视野。新一代的 TSC 技术及其相关的无功补偿装置在实际生产生活中得到了很好的应用。按照应用范围分类，其主要分为日常民用系统和工业用系统 2类。 民用系统中的 TSC 主要应用在城市低压配电系统及居民电力用户端装置中的相关无功补偿设备中。在以城市 10 kV中压配电系统为代表的民用配电网中，居民及小商业用户端负荷日益加剧，且日负荷随用电的峰、谷时段变化较大。加之普通低压配电变压器载容较低，从而大量增加了电网的无功损耗，造成电网电压不稳、线路损耗增大、功率因数大多在 0.6~0.8 之间的情况，这将直接威胁电网及用户用电设备的安全。经试运行测算，网损在10%以上的10 kV配电线路在加装TSC动态无功补偿装置后可降损 5%~10%，且在三相负载平衡处，其功率因数可达到 0.95 以上，不会出现无功倒送，同时在优化电能质量的基础上也提高了配电设备容量的利用率。由于绝大多数的大功率、冲击性及非线性负载

广泛存在于工业生产中，因此必要的无功补偿设备在不同的行业均具有重要的应用

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价值。TSC 补偿装置具有很强的自适应性和通用性，在各种工业用系统中都能发挥出很好的工作特性，并在冶金、采矿、石油化工、电气化铁路等领域中取得了较好的运行经验。

在实际应用过程中，TSC 技术仍存在补偿电容器的投切振荡、暂态过程、晶闸管投切的误触发等问题，现简述如下：

⑴补偿电容器的投切振荡问题。在采用按功率因数控制投切时，当各分组电容器之间的容量设置得不合理可能会出现如下情况：当负载变动使功率因数低于预设补偿的下限值时，控制器发出指令投入一组电容。但由于这组电容器电容量过大，一经投入便将功率因数补到了上限之上，于是控制器又发出指令切除一组电容。电容切除后，功率因数又变得低于预设补偿的下限值。于是如此循环不已就形成了投切振荡。投切振荡很容易造成控制设备和电容器的损坏，必须予以避免。 经试验计算证明，采用适当的电容器分组方式、投切判断标志及考虑自然功率因数都是解决投切振荡的有效途径。另外，选用不同的控制方案以及采用运用软件程序设置标志性单元的方法来判断是否存在振荡性投切，都是很好的辅助手段。

⑵补偿电容器投切时的暂态过程问题。电力电容器作为一种储能元件，在其通断过程中存在暂态过程，严重影响了电容器的投切控制。一般情况下，电容器投切暂态过程引起的合闸涌流是相当大的，再加上已投入电容器的放电电流，投切装置的工作条件非常恶劣。另外，在电容器回路开断的暂态过程中，开断过电压也会对系统造成冲击，特别是在电容器残压存在时还会造成电压叠加、过电压成倍放大，从而发生设备事故。 一系列试验和大量实践结果证实，在补偿回路中加装匹配的限流电抗器和过电压吸收装置回路，可在一定程度上缓解投切暂态问题的存在。

⑶晶闸管投切的误触发问题。与有触点机械开关相比，晶闸管作为开关极大地提高了响应速度。晶闸管分组投切电容器组在理论上完全可以实现无过渡过程投切，但实际中仍存在着误触发问题。主要原因如下：

①TSC 产品设计强电与弱电于一体，它们之间必然存在一定的电磁干扰。在现场工作环境中， 许多来自外界的干扰源(如谐波电压、浪涌电压、噪声辐射等)也可能存在。尤其在弱电控制回路中，各种干扰所造成的影响会更加明显。

②电容器存在放电过程。不同电容器的放电特性导致电容残压的变化范围大； ③当晶闸管与电容器电压瞬时值极性相同但幅值不等时，触发导通后存在过电压和过电流的过渡过程。若两者极性相反，则会产生无触发，造成设备损坏。 因此晶闸管投切的无触发问题必须引起足够的重视。目前，除采取微机优化控制、光耦过零触发等方法外，还可利用过零固态继电器(solid state relay，SSR)进行投切[20-21]。SSR 具备零电压开通、零电流关断的特点，可充分保证投切电容器的精确性。同时，SSR 将晶闸管及其触发电路和逻辑控制电路封装在一起，大大减小了装置体积，提高了TSC 装置的可靠性。

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3.5 本章小节

本章对于TSC的控制策略进行了分析。说明了一种传统的九区图法控制策略，并对于TSC控制方法进行说明。说明其稳定系统电压的作用。

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4 TSC工作原理的仿真研究

4.1 关于MATLAB仿真软件

本文的仿真过程式借助MATLAB软件完成的。MATBAB软件给予工程技术人员、在校科研人员一个平台。任何工程从最初的设计构思到通过软件进行实际情况模拟，再到实际应用，往往计算较复杂，并且一旦出现小失误，就前功尽弃。MATLAB就是为解决上述问题的需要而产生的。MATLAB在科学研究和工程设计方面的另一个重要内容，是推出了与数值联系紧密的图形绘制功能。

从电力系统得仿真、到数值计算、图形处理、再到信号分析。MATLAB提供给技术人员的不仅仅是各类问题的解决方案，更重要的是使这些技术的使用变得轻松简单。MATLAB因为可以模拟电力系统进行仿真试验及运算，通过人为设置不同的故障点，或无功补偿点，用MATLAB软件中的示波器查阅输出的运算结果，测量结果即为该点的真实值，数值可经内部示波器读出。因为其运算快、测量数据准确，比手工计算方便，且可以多次使用，所以应用无功补偿计算在实际运行工作中有着广泛的前景。SimuLink是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性仿真系统，它以MATLAB的核心数学、图形和语言为基础的。

4.2 建立仿真模型

现模拟如图4-1所示的TSC型静止无功补偿器。设备及线路参数经计算建立的仿真模型如图所示。该仿真图为一个 300Mvar的静止无功补偿器电压控制一个6000MVA 735kV的系统。该静止无功补偿器由一个735kV/16-kV 333-MVA的耦合变压器，一个109Mvar晶闸管控制电抗器和三个94Mvar的晶闸管投切电容器组（TSC1 TSC2 TSC3）构成。该系统连接于变压器的二次侧。TSC组的投切可以使二次侧的无功功率以94Mvar的倍数从0到282Mvar离散的变化。而相控的TCR则可以无功功率从0到109Mvar连续的变化。考虑到变压器15%的漏抗，无功补偿器一次侧的等效电纳可以连续地从

-1.04pu/100MVA（全感性）变化到+2.23pu/100Mvar（全容性）。静止无功补偿器监控一次侧的电压并且发送合适的脉冲给24个晶闸管（每个三相组各有3个晶闸管），进而得到稳压器要求的电纳。

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图4-1 +300Mvar/-100Mvar 3TSC静止无功补偿器仿真图

图4-2所示为该补偿器内的TSC仿真图，如下

图4-2 TSC的仿真图

4.3 TSC仿真分析

本文对角内接法的TSC仿真结果进行分析，其中仿真模型中的TSC采用晶闸管和二极管反并联结构的投切控制开关。

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4-3晶闸管两端电压波形

4-4 TSC电流波形

图4-3给出的是AB两相间的晶闸管两端的电压波形，图中可以看出本文设计的投切控制系统可以保证电容器在晶闸管电压过零点投入系统。图4-4所示为TSC三相电流波形图，可以看出首先是AB相间的晶闸管导通，此时A相和B相电流幅值相等，相位相差180°，C相无电流，然后是BC相之间的晶闸管导通，最后AC相间晶闸管导通，TSC三相全部投入运行；图中的电路波形可以明显看出TSC投入瞬间无冲击电流，确保了电容器的平稳投入。

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4.4本章小结

本章利用MATLAB软件中的SIMULINK对TSC型静止无功补偿器进行了具体的仿真，对角内接方式的TSC仿真并分析波形。建立了+300Mvar/-100Mvar 3TSC的仿真模型。并对其仿真结果进行了分析。

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TSC静止无功补偿提高系统电压理论研究

结 论

随着电力电子设备等非线性负荷的日益增多，各电力用户对电网的安全稳定运行及电能质量都提出了更高的要求，这就使得无功补偿和谐波抑制问题引起人们越来越多的关注。目前，在无功补偿方面，广泛应用的是晶闸管投切电容器(TSC)型的静止无功补偿装置(SVC)；TSC是目前广泛使用的无功补偿方式，它实际上就是断续可调的发出无功功率的动态无功补偿装置，具有结构简单、费用较低、运行时不产生谐波、自身能耗小等优点，其主要缺点是调节无功是有级的，动态调节性能不够好。

本文对TSC无功补偿方式进行了深入的分析和研究，得到以下结论:

1、分析了无功补偿对电力系统的影响以及在电力系统中所能起到的作用，论述了无功补偿装置的发展状况。无功补偿对供电系统和负荷的运行起到了重要的作用。

2、在分析了TSC的特点后，确定了TSC的控制策略，TSC以无功功率为主要目标。具体设计TSC的控制方法时，采用传统的九区图法控制。

3、在MATLAB/SIMULINK环境下对TSC进行了仿真研究。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无功补偿在提高功率因数、稳定系统电压等方面均能满足要求，显示出该无功补偿方式具有较大的实用价值。

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