摘 要

电力系统是一个复杂的非线性系统，各式各样的负载向电网注入容性或者感性的无功功率。过多的无功会导致电网系统电能质量下降，引发电压不稳定、功率因数低下、电能损耗严重等一系列问题。针对这个问题，无功补偿装置的研究一直是电力领域的热门。

本文以中石化湖北化肥分公司6.3kV/10MW增容配电站无功补偿的实际工程运用为背景，研究了各类无功补偿装置的原理，并对适合于该配电站的实际情况进行补偿装置的选型和相关的参数计算，由MATLAB搭建仿真验证了方案的正确性。

首先，介绍无功补偿的基本概念，对国内外的无功补偿技术发展历程作了综述。其中重点对静止无功补偿器的类型、工作原理、应用场合、各自的优缺点等进行研究，确定采用SVC型无功补偿器对该配电站进行无功补偿。

然后，针对该新建配电站当前的负荷情况，设计MSC和TCR FC两种SVC方案，具体进行了补偿容量计算、元器件的参数计算，最后用AutoCAD软件绘制了电气接线图。

最后，在理论分析以及选型计算的工作基础上，用MATLAB/Simulink软件搭建SVC装置的模型。通过SVC装置投入前后的仿真模拟，观察仿真计算的功率因数变化来验证方案设计是否正确。结果表明，本文设计的MSC及TCR FC装置均可以实现补偿目的，仿真得到结果满足配电站功率因数达0.92以上的设计基本要求。

关键词：电能质量；无功功率；配电站；静止无功补偿器

Abstract

The power system is a complex, non-linear system. Various types of loads inject capacitive or inductive reactive power into the grid. Excessive reactive power will lead to a drop in the power quality of the power grid system, causing a series of problems such as voltage instability, low power factor, and serious power loss. To solve this problem, research on reactive power compensation devices has always been a hot topic in the electric power field.

This paper takes the practical application of reactive power compensation of 6.3kV/10MW power distribution substation of Sinopec Hubei Chemical Fertilizer Branch as background, studies the principle of various types of reactive power compensation devices, and compensates for the actual conditions of the power distribution station. The correctness of the theoretical design is verified by MATLAB simulation.

First, the basic concept of reactive power compensation is introduced, and the development process of reactive power compensation technology at home and abroad is reviewed. Among them, the types of static var compensators, working principles, applications, their respective advantages and disadvantages are mainly studied, and the use of SVC type reactive power compensators is determined to perform reactive power compensation for the power distribution station.

Then, according to the current load situation of the newly-built substation, two SVC schemes of MSC and TCR FC are designed. Specifically, the compensation capacity calculation and the calculation of the parameters of the components are performed. Finally, the electrical wiring diagram is drawn using AutoCAD software.

Finally, on the basis of the theoretical analysis and the selection calculation, the MATLAB/Simulink software is used to build the SVC model. Through the simulation of the SVC device before and after the investment, observe the changes in the power factor of the simulation calculation to verify whether the design of the program is correct. The results show that the MSC and TCR FC devices designed in this paper can achieve the purpose of compensation. The simulation results show that the design meets the basic requirements for the power factor of the power distribution station of 0.92 or more.

Key Words：power quality；reactive power；power distribution station；SVC

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 无功补偿原理及意义 1

1.2.1 无功补偿的理论基础 1

1.2.2 无功补偿的意义 3

1.3 无功补偿的发展历程 3

1.3.1 国内发展现状 3

1.3.2 国外发展现状 4

1.4 本文的主要工作 4

第2章 无功补偿装置及方案选择 6

2.1 无功补偿装置的分类 6

2.1.1 运动装置 6

2.1.1 静止装置 6

2.2 静止无功补偿装置 7

2.2.1 晶闸管投切电容器 9

2.2.2 晶闸管控制电抗器 10

2.3 补偿装置选择与设计思路 12

2.3.1 工程背景及补偿要求 12

2.3.2 方案设计总思路 12

第3章 增容配电站的无功补偿装置设计 14

3.1 MSC型SVC装置的设计 14

3.1.1 补偿容量的计算 14

3.1.2 补偿回路LC器件选型计算 15

3.1.3 MSC方案的电气CAD图 17

3.2 自适应补偿TCR FC型SVC装置的设计 18

3.2.1 主电路的参数计算 18

3.2.2 TCR的开环控制设计 19

3.2.3 TCR FC方案的电气CAD图 20

第4章 MATLAB/SIMULINK仿真验证及分析 21

4.1 MSC方案的仿真搭建 21

4.2 自适应补偿TCR FC方案的仿真搭建 24

4.3 仿真结果及分析 28

4.3.1 MSC方案结果分析 28

4.3.2 自适应补偿TCR FC方案结果分析 30

第5章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献 34

致谢 35

附录 36

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

电能经过输电线路传输至用户端，若能频率恒定、电压达标以及波形是标准正弦波传输，这无疑是电网最理想的运行工况。然而，实际情况却大相径庭，电力系统本身是一个典型的非线性系统^[1]，这已经在电气行业界内形成了共识。

此外，随着经济社会的飞速发展，国民对于电能的需求也是与日俱增，因此电气行业也朝着多元化方向同步发展。例如，近几年国内外的电力电子技术愈来愈成熟，各式各样的电力电子装置在电网系统、工业生产部门甚至是个人家庭中的应用案例屡见不鲜。再者近两年来，在我国政府的大力支持下，电网行业不断向新能源化、智能化等领域迈进，给整个电气领域带来了新气象。

然而，现代电力系统的快速发展使得其自身变得越来越复杂，工业和民用用电设备的非线性、非对称性、冲击性及运行功率因数低的问题日益严重，它们向电网注入大量的无功功率造成了污染，含有电力电子器件（如晶闸管）的负载产生的大量谐波电流注入系统，导致电网运行的不稳定，电能质量急剧下降，供电指标达不到的用户要求。最直观的后果表现在配电网络的供电母线出现了电压的波动及闪变，无疑影响到其他的电力设备和供电用电环节的正常运行。因此，电力系统安全性、经济性和高功率因数等要求都使得无功补偿技术成为当前电力系统的一个热门研究领域。

1.2 无功补偿原理及意义

1.2.1 无功补偿的理论基础

电路原理中将直流电的电功率定义为电压和电流的乘积，然而在正弦交流电路中，由于各个电量均有幅值和相位，故电功率不能再单纯的用电压与电流的数值乘积来表达。在描述交流电功率时，必须兼顾有功功率P和无功功率Q。有功功率，即P=UIcosφ，其中φ是电压和电流之间的相位差，cosφ就是功率因数，反映了有功功率分量大小，用于负荷做功，参与能量交换，即将电能通过各种负载转化为动能、热能等其他形式的能量。无功功率，即Q=UIsinφ，正弦交流电路中之所以存在无功功率，是电力系统中的装置，含有感性元件或是容性元件，以及输电线路中自身携带的电感性和电容性。由于无功功率在一个周期内消耗的功率相互抵消为零^[2]，常常只存在于能量转化的过程之中，故不会像有功功率那样，造成实际功率的损耗。无功并非无用，无功功率是一个比较抽象的概念，用于系统中电气元件电磁场的建立和维持^[3]。由此可知，无功功率不参与能量的转换，只作为一种能量传递的媒介，用于系统中电场和磁场交换。

在实际的电网中，各类用电设备都需要消耗一定的无功功率，以产生稳定的交变电磁场。如果缺少无功，交变电磁场就无法建立起来，设备就不能正常地工作。直观来看，电压将不再维持稳定，导致各类装置无法在额定工况下运作。发电厂的发电机也能产生一定的无功功率，并经高压线路输送至用户终端，但这些无功功率往往不能满足用户的需求，因而当供配电网中的无功功率明显不足时，则需要在系统中的一些关键节点，安装特定无功补偿容量的设备。然而，无功功率并非越高越好，实际中常常有因无功功率过高，导致某些节点的电压偏高，最终损坏绝缘，损坏设备。因此，系统网络中若出现过高无功，同样需要进行调节，但在实际的配电网中，无功不足的情况往往是最主要的。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：