无功补偿器（SVC）改善微网电压的仿真研究毕业论文

论文总字数：15348字

摘 要

微网的出现解决了电能负荷增长的问题，它能减少线路上电压电流的损失，也能够维持电力网络系统安全运行的可靠程度，然而微网中引入的电力电子器件所带来的谐波电流和无功功率在一定程度上影响了微网的电能质量。如何做到维持微网系统电压的安全运行与检测，并满足微网接入系统的要求，在电网安全中就显得尤为重要。

采用静止无功补偿装置（SVC）是解决微网电能质量问题比较有效的方法，SVC是当前无功补偿设备的主流器材之一，它能够减少线路上电压电流的损失，无功补偿容量大，并且价格低廉，同时也能够维持电力网络系统安全运行。

本文中 SVC 采用 TCR 与 TSC 结合的方式。TSC 用来提供阶梯变化的电容，TCR则 在各个阶梯变化的电容值之间进行微调，两者联合起来达到快速、连续调节无功功率的目的。借助Matlab/Simulink软件对已经建立的SVC仿真模型进行仿真实验，完成仿真结果和理论分析的比较。

关键词：微网；静止无功补偿装置（SVC）；Matlab/Simulink

Simulation Study on Improving Micro-Grid Voltage by Static Var Compensator (SVC)

Abstract

The emergence of micro-grid solves the problem of power load growth. It can decrease the loss of line voltage current, also can maintain the safe operation of the power network system reliability. However, the harmonic current and reactive power brought by power electronic devices introduced into micro grid affect the power quality of micro grid to a certain extent.How to maintain the safe operation and detection of micro grid system voltage and meet the requirements of micro-grid access system is particularly important in the security of power grid.

Using the Static Var Compensator device (SVC) is more effective way of solving the problem of Micro-Grid power quality, SVC is currently one of the main equipment of reactive power compensation equipment, it can decrease the loss of line voltage current, have large capacity of reactive power compensation, and the price is low, at the same time also can maintain the safe operation of the power network system.

In this article, SVC combines TCR and TSC. TSC is used to provide step-changing capacitance, and TCR is used to finetune the capacitance value of each step-changing value, and they are combined to achieve the purpose of rapid and continuous regulation of reactive power. Matlab/Simulink software is used to carry out simulation experiments on the established SVC simulation model, and complete comparison between simulation results and theoretical analysis.

Keywords: Micro-Grid；Static var compensator； Matlab/Simulink

目录

摘 要...........................................................................................................................................................Ⅰ

Abstract ..........................................................................................................................................................Ⅱ

第一章 引言 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 国内外研究发展现状 1

1.2.1 无功功率的定义和不良影响 1

1.2.2 SVC性能的国内外研究现状 1

1.3仿真软件概述 2

1.4论文的主要工作 2

第二章 微网概况及电能质量改善方法 3

2.1 微网的概况 3

2.2 微网电能质量的定义及其影响因素 4

2.2.1 微网电能质量的定义 4

2.2.2 微网电能质量的影响因素 5

2.3 改善微网电能质量的方法 5

第三章SVC 静止无功补偿器的研究 7

3.1 SVC的基本原理与应用 7

3.1.1 SVC的种类及基本介绍 7

3.1.2 SVC的组成 7

3.2.SVC的控制策略 11

3.3本章小结 12

第四章 SVC的仿真研究 13

4.1 SVC仿真模块的建立 13

4.2 SVC仿真结果和分析 15

4.3 本章小结 16

第五章 结论与展望 17

5.1 总结 17

5.2 展望 17

致 谢 18

第一章 引言

1.1 课题研究的背景和意义

微网是通过一定的控制策略将不同类型、不同容量且分散存在的电源组织起来,为本地或者远端电网负荷输送电能的新型低压电网模式^[1]。微电网中的分布式电源因为受外部环境的影响而不稳定,所以要通过各类的电力电子器件换流后，才可以向负荷供电,但是接入这类电力电子器件会使得电源产生电压波动,从而降低了微网的电能质量,严重时会影响到设备的正常运行甚至产生安全问题。正因为存在这样的问题我们需要采取各种措施来解决微网电能质量问题。无功补偿装置（SVC）是一种比较有效的方法，它可以动态、平滑地补偿无功，它不仅无功补偿的容量大，而且价格低廉，所以分析SVC在微网中的补偿对于改善电压和提高电能质量具有一定的实用价值。

1.2 国内外研究发展现状

1.2.1 无功功率的定义和不良影响

大多数的用电设备是依据电磁感应原理工作的，例如发电机、变压器等等，这些设备通过建立交变磁场来传递和转换能量。无功功率的定义是为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率，并不是字面意思上的"无用"功率，只不过不转化成机械能、热能等，所以电力系统中两种功率都必不可少，需要相互配合使用。

无功功率会对供电和用电产生一定的不良影响，其主要表现在以下几个方面：

1.2.2 SVC性能的国内外研究现状

SVC设备是一种能够迅速地实现对电力线路进行动态无功补偿的装置，属于有源补偿设备。SVC设备普遍用于电力负载就地动态补偿，它能保持线路中补偿点电压没有变化，并可以非常快速地响应。只要能够采取恰当的控制方式，SVC在完成电压稳定控制环节的同时就能够减少阻尼系统振荡，同时也可以增加电力系统运行安全的稳定性。无功补偿装置在近几十年来已经受到了广泛的应用，主要用于改善系统电压质量以及提高电力系统运行的稳定性。国外从 60 年代早期就开始应用SVC，70年代末期用于输电电压控制，迄今为止，用于输电电压控制和增强稳定性的 SVC已有 150 台左右^[2]。我国也有 5台设备运行于500kV系统(广东江门变、河南小刘变、东北沙窝变、湖南云田变和湖北凤凰山)^[2]。由于无功补偿装置的普遍使用，各个国家逐渐加大SVC建模、对系统各种影响等方面研究的投入。就目前SVC装置的硬件制造水平来看，国内外相差无几，但是装置在供电系统中的应用并不是很理想，甚至有的会对供电设备造成损坏，其主要原因在于对SVC装置设计的计算参数不够精确，使系统和装置之间产生谐振引发过电流和过电压。

1.3仿真软件概述

如何让SVC装置在运行时可以安全可靠并且能够达到预期的效果，便是对该装置进行模拟仿真，通过不断的仿真加以修正。MATLAB-Simulink软件提供了用方框图进行建模的模型接口，和其他的仿真软件相比，它具有更直观、方便和灵活等优点。Simulink中的电力系统模块库(SimPowerSystem)包含了各种交/直流电源、大量电气元器件和电工测量仪表以及分析工具等，利用这些模块可以模拟电力系统运行和故障的各种状态，并进行仿真和分析^[3]。本文利用MATLAB-Simulink软件对TCR-TSC型SVC控制系统进行模拟仿真，得出仿真结果并进行分析。

1.4论文的主要工作

通过查阅和研读文献等资料来了解微网、SVC无功补偿的相关知识，包括微网的概况、微网的电能质量及其影响因素、国内外对于微网电能质量的改善方法来阐明了对于静止型无功补偿装置（SVC）研究的重要性，然后分析SVC装置的系统组成、拓扑结构和工作原理，对SVC设备的系统组成、拓扑结构和工作原理从理论分析到Matlab建模仿真有一个系统全面的认识。其次是对SVC系统进行理论分析，完成定量关系以及数学推导。 最后，利用已经建立的SVC仿真模型进行SVC仿真实验，完成仿真结果和理论分析的比较，借助Matlab/Simulink软件对微电网中SVC系统进行仿真分析。

第二章 微网概况及电能质量改善方法

2.1 微网的概况

微网是分布式发电中的一种重要形式，它是根据系统中特有的基本拓扑结构，由多个分布式电源和与之相联系的电力负荷所连接而成的系统，为电网或者本地负荷供电。微网既可独立运行，也可通过配网与大电网互联，构成微网与大电网结合运行的模式，这类方便灵活的运行模式提高了负荷供电的安全可靠性。不仅如此，微网能够减少线路中产生的电流谐波以及电压波动，可以减少线路上的功率损耗，也能够保证电力网络系统安全运行的可靠性。

目前世界各国对于微网的结构有不同的构思，欧盟把微网定义为：“能充分利用一次能源，将小容量、模块化的分布式电源互联，实现冷、热、电联供，并配有储能装置，可以连接到低压配电网的系统”^[4]。下图 2-1 展示了欧盟微网的结构。

2-1 欧盟微网结构示意图

美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS)和威斯康辛大学对于微网的定义是“由负荷和分布式电源组成的高独立性、高可控性系统，能够为本区域负荷供电和热”，这里微网的主要电源是微型燃气轮机和燃料电池，并且有储能装置连接在直流侧与分布式电源之间，这些分布式电源和储能装置作为一个整体通过电力电子装置连接到微网，它的特点是着重研究分布式电源的“即插即用”式控制理念，不足之处在于不允许向大电网供电^[5]。具体结构如图 2-2 所示

2-2 美国微网结构图

微电网具有广阔的发展前景。许多国家根据自己的情况给出不同的微电网的定义和结构。同时，他们也提出了自己的特色，其中欧盟，日本和美国的微网的发展计划是最好的。我国的微网的发展水平还远远没有达到北美的发展水平。北美和亚太的一些地区在微网研究上比我国更加成熟先进。我国在微电网项目部署中市场占有比例远不及北美那些地区。微网模式当中涉及到许多像电力电子技术运用还比不上微电网研究水平发展迅猛的国家，我国现在甚至连规范的微电网体系技术标准都还没有建立，在微电网的接入、技术投入、经济支持等方面都缺乏像北美亚太微电网技术发达国家所拥有的健全的、标准的规范管理制度，还需不断的努力。

2.2 微网电能质量的定义及其影响因素

2.2.1 微网电能质量的定义

我国对于电能质量的定义是以国际电工委员会（IEC）给出的定义为标准的，该定义为：电能质量是指供电设备和线路在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特征^[6]。与电能质量相关的状态包括稳态和非稳态，其中稳态现象包括电压偏差、频率偏差、谐波污染、三相不平衡等，非稳态现象包括电压暂升或暂降、短时电压中断、电压波动与闪变等^[6]。

2.2.2 微网电能质量的影响因素

影响微网电能质量的因素一般有以下四个方面：

2.3 改善微网电能质量的方法

微电网中常常会出现以下两种电能质量问题：

1.由于非线性负荷产生的谐波电流，

2.负荷侧因无功需求不平衡而造成的电压波动和闪变。

第一类问题通常安装谐波滤波器来降低，第二类问题时可以通过各种无功补偿装置来消除。想要确保系统电压稳定就必须维持整个系统的无功功率供给平衡。当微电网接入整个电力系统后，无功负荷包括以下三个部分：

因此就要通过供给整个系统足够容量的无功来维持电压的稳定。无功补偿的基本原则是就地补偿，即尽可能地减少无功功率在输电线路上由于长距离传输产生的电能损耗。

在电网中进行无功补偿主要有以下几种措施：

2.4 本章小结

本章节主要介绍了微网的概况以及部分国家对于微网的定义，由此对比国内外的发展情况，我国还需加大研究的力度。并且还介绍了微网电能质量的定义及其影响因素，针对不同的问题采用不同的改善方法，具体介绍了三种无功补偿的措施：同步调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器。

第三章SVC 静止无功补偿器的研究

3.1 SVC的基本原理与应用

SVC是一种常用的无功补偿装置，属于柔性交流系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）中的一种，一般由几组并联电容器和一个可调电感器构成^[8]。它的主要作用表现在以下六个方面：

3.1.1 SVC的种类及基本介绍

常见的静止无功补偿器有以下四种形式：

3.1.2 SVC的组成

静止无功补偿器的重要组成部分是晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器，也就是简称的TCR和TSC，SVC设备的基本结构如下图3-1所示。

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