南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 ( 论文 )
静止无功补偿器 SVC 的设计与研究
Design and Study of Static Var Compensator--SVC
学 院： 电子与电气工程学院
专 业：
电气工程及其自动化
学 生 姓 名：
任晓璐
学 号：
1506735058
指 导 教 师 ( 职称 ) ：
卢铮
( 副教授
)
评 阅 教 师：
完 成 日 期：
南阳理工学院
Nanyang Institute of Technology
静止无功补偿器 SVC 的设计与研究
电气工程及其自动化专业 任晓璐
[ 摘 要 ] 功率因数偏低已成为当今电网需要解决的重要问题之一。 要想提高功率因素以促进电网质量的
提升，能够采取的有效方式之一就是无功补偿，而在无功补偿中静止无功补偿器 (SVC) 起着十分重要的作
用。 本文首先介绍了无功功率的产生与影响，阐述了无功补偿的作用与发展， 对静止无功补偿器 (SVC) 、晶
闸管控制电抗器（ TCR ）以及晶闸管投切电容器（ TSC ）等的结构和基本原理进行了深入分析。 最后论文在
simulink 环境下构建了 SVC 的仿真模型，并进行了仿真分析。通过仿真得知 ，静止无功补偿器采用晶闸管控
制电抗器加晶闸管投切电容器的方式，能够达到不错的无功补偿效果，使控制目标得以实现。
[ 关键词 ] 无功补偿；静止无功补偿器；晶闸管控制电抗器；晶闸管投切电容器。
Design and Study of Static Var Compensator--SVC
Electrical Engineering and Automation Specialty REN Xiaolu
Abstract: Low power factor has become one of the important problems to be solved in power grid. In order to
improve the power factor to promote the quality of power grid, one of the effective ways to take is reactive power
compensation, and static var compensator (SVC) plays a very important role in reactive power compensation. Firstly,
this paper introduces the generation and influence of reactive power, expounds the function and development of
reactive power compensation, and deeply analyses the structure and basic principle of static var compensator (SVC),
thyristor controlled reactor (TCR) and thyristor switched capacitor (TSC). Finally, the simulation model of SVC is
constructed in the Simulink environment, and the simulation analysis is carried out. The simulation results show that
the static var compensator uses thyristor control reactor and thyristor switching capacitor, which can achieve good
reactive power compensation effect and achieve the control goal.
Key words: reactive power compensation; static var compensator; thyristor control reactor; thyristor switching
capacitor.
目 录
1 引言 .............................................................................................................................1
1.1 无功功率 ...........................................................................................................................1
1.1.1 无功功率的产生 ......................................................................................................1
1.1.2 无功功率的影响 ......................................................................................................1
1.2 无功补偿 ...........................................................................................................................1
1.2.1 无功补偿概念 .........................................................................................................1
1.2.2 无功补偿的作用及意义 ............................................................................................2
1.2.3 无功补偿的发展 ......................................................................................................2
1.2.4 无功补偿问题的现状 ...............................................................................................3
1.2.5 无功功率规划原则 ...................................................................................................5
1.2.6 无功补偿优化模型 ...................................................................................................6
1.3 本文的主要工作 .................................................................................................................6
2 SVC 及其数学模型 ........................................................................................................6
2.1 静止无功补偿器（ SVC ） ...................................................................................................6
2.1.1SVC 概念 ................................................................................................................6
2.1.2 SVC 的特点 ............................................................................................................7
2.1.3 SVC 的应用 ............................................................................................................8
2.2 静止无功补偿器的分类 .......................................................................................................8
2.2.1 SR 型 SVC ..............................................................................................................9
2.2.2 TCR 型 SVC ..........................................................................................................10
2.2.3 TSC 型 SVC ..........................................................................................................11
2.2.4 TCT 型 SVC ..........................................................................................................12
2.3 TCR+TSC 混合型静止无功补偿器 .....................................................................................12
2.3.1 TCR 的设计 ..........................................................................................................12
2.3.2 TSC 的设计原理 ....................................................................................................13
2.3.3 TCR+TSC .............................................................................................................14
3 SVC 的无功补偿仿真研究 ............................................................................................14
3.1 模拟试验平台和仿真模型的搭建 .......................................................................................14
3.2 仿真主接线图 ..................................................................................................................15
3.3 SVC 的仿真结果与分析 ....................................................................................................16
3.4 TCR-TSC 型无功补偿装置 (SVC) 仿真分析 ..........................................................................18
3.5 结论 ...............................................................................................................................20
4 结束语 ........................................................................................................................20
5 参考文献 ....................................................................................................................22
6 致谢 ...........................................................................................................................23
1 引言
1.1 无功功率
1.1.1 无功功率的产生
众所周知，在常见的用电负载中，感性负载占了绝大多数。异步电动机，变压器是感性负载中最
经典的两种。因为感性负载需要吸收无功功率才能正常工作，这就使线路电压与线路电流在相位上存
在一个角度差，这样就引出了无功功率的概念。
无功功率不等于无用功率。它不对外做功，而是转化为其他形式的能量，如 热 能，化学能等。
供 用电 系统 中 非 线性， 冲击 性负 荷带来 的 谐波 与功率 波 动问题，使得 公 用电网的电压发生 畸 变，
功率因数 降 低，出现电压 波 动与 闪 变问题， 严 重 污染 电网环境，对电 力系统 的 安全 ，优质，经 济运 行
构成 潜 在的 威胁 ， 给 电 力 用 户 的正常生产与生 活带来危害 。所以，当 前急 需解决的一个问题就是如 何
通过提高功率因素而促进电网电压的 持续稳定 。
1.1.2 无功功率的影响
无功功率对电 力系统 的影响：
（ 1 ） 降 低有功功率的 输 出。
（ 2 ） 降 低设 备 的 供 电能 力 。无功功率 增 大 会 导致电流加大，使 供配 电负载加大，进而使 供配 电能
力降 低。
（ 3 ）使线路电能 损耗 和电压 损失 加大。无功的 增 加自 身 不 会 导致功率 被消耗 ， 但 无功 增 加而使得
电流加大，进而导致电能 传输损耗 加大。
（ 4 ） 造 成功率因数 降 低和自 身 电压下 降 ，设 备 容量 利 用 较少 ， 降 低工业生产效 益 。
1.2 无功补偿
1.2.1 无功补偿概念
要想提高功率因素使电网电压 持续稳定 ，提 供 高质量电能，采用无功补偿是一种不错的方式。导
致电网中无功功率 失去 平 衡 的原因主要有两个：一是 供 电所电 力 质量低； 二 是用电用 户 的电气性能 欠
佳 。这两种 情况都会 使无功功率加大。 靠 发电机提 供 这 些 无功功率，而 且还 要进行 远距离传输 ，这 显
示 不合理，实 际 上 也 是不 可 能做到的。所以，最为科学的方式是 哪 个 地 方需要 消耗 无功功率就在 此地
形成无功功率， 也 就是无功功率就 地 补偿。
1.2.2 无功补偿的作用及意义
对电 力系统 中无功功率进行 快速 的动 态 补偿， 可 以实现如下的功能：
（ 1 ） 降 低过电压。
（ 2 ） 减少 电压 闪 变。
（ 3 ） 阻尼次同 步 振荡 。
（ 4 ） 减少 电压和电流的不平 衡 。
（ 5 ）对动 态 无功负 荷 的功率因数 校 正。
（ 6 ）提高电 力系统 的静 态 和动 态稳定 性， 阻尼 功率 振荡 。
（ 7 ） 改善 电压 调整 ，提高电网的电压质量。
由 于无功补偿 具 有特 别 重要的作用，所以对于无功补偿 技术 的研究 具 有了 非 常重要以及实 际 的意
义： 我国 电网 长 期存在的一个问题就是无功补偿容量不 足 和 配备 不合理，特 别 是 可调节 的无功容量不
足 ， 快速 响应的无功 调节 设 备更少 。 近年来 ， 随 着经 济 的发展，一 些地区 就 迅速 变成了负 荷 中 心 。 随
着这 些 大功率负 荷 的不 断增 加，电网的无功补偿装置容量 越 发不 足 ，电压 更 加 难 以控制， 谐波污染也
越 发 严 重，这对电网的 供 电质量、 供 电 可靠 性 都造 成了重大影响，使用 户 的正常工作 受 到了一个 比较
大的影响。无功 调节技术 的 落 后使得电压 随运 行方式的变化 也 变得 波 动 很 大，导致电网（特 别 是 配 电
系统 ）的线 损增 加、电压 波 动 较 大， 波 形不 稳定 等众多问题。
1.2.3 无功补偿的发展
随 着电 力 电子 技术 对电 力系统 的深 刻 影响，一种 改 变 输 电能 力 的 新技术 -- 灵活交 流 输 电 系统
（ Flexible AC Transmission System ， 简 称 FACTS ） 悄然兴 起。 FACTS 技术 就是在 输 电 系统 的重要位
置，采用 具 有 单独或综 合能 力 的电 力 电子设 备 ，对 交 流电的无功（电压）、电抗和相角进行控制， 从
而能有效提高 输 电 系统 的 输送 功率和 潮 流计 算 能 力 ，使 交 流 输 电 系统具 有 更好 的 快速 性、 灵活 性和 更
大的 可 控 力 和 传输 能 力 ，使 输 电线路 更安全 , 更稳定 , 更 经 济 。其发展经 历 以下 几 个 阶段 ：
（ 1 ） 同 步 调 相机。
与 同 步电动机 非 常相 似 。
结构 简单 。
当存在 欠励磁时 ， 会 产生容性无功；当存在过 励磁时 ， 会 产生容性无功。
旋 转电机， 运 行中 损耗 和 噪音都比较 大。
不能分相 调节 。
主要装设在 枢纽 变电所。
在 很 多 情况 下无 法满足快速 动 态 补偿的要 求 。
（ 2 ）并 联 电容器。
结构 简单 ，经 济 方 便 。
只 能补偿 固定 的无功功率。
可 能发生并 联谐振 ， 烧毁 电容器， 造 成 巨 大 事故 。
（ 3 ）静止无功补偿装置（ SVC ）
适合高电压、长距离输电的无功补偿。
投资较大。
适合大功率、大容量或冲击性负载的无功补偿。
对无功功率进行快速连续控制。既可以形成感性无功功率，也可以形成容性无功。
稳定可靠而且维护方便，损耗小，成本低。可以对电网、负载需求的无功波动进行实时监督，
实现无功功率的自动补偿。
（ 4 ）静止无功发生器（ SVG) 。
多重化 或者 PWM 控制， 减少谐波含 量。
电抗器和电容 元件体积 与成本 较小 。
采用 全 控型器 件 。
1.2.4 无功补偿问题的现状
随 着电 力系统互联 的深入发展、 “西 电 东送” 战略 规划的进一步实 施 ， 以及大容量 超 / 特高压 直
流 输 电的应用和特高压 互联 电网在 我国 的 逐渐 形成，大电网中无功功率的产生、 传输 和分 配 对电网电
压的质量和 系统安全 产生了重大影响。电网无功 耦 合的 复杂 性，使得无功电压问题成为 困扰 电网 安
全 、 稳定 、经 济运 行的 关键 问题之一 , 面向 大电网的无功电压 调 控 矛盾突 出，电压优化控制 难 度大 ” 。
目 前 ， 我国交 流电网的无功补偿 配 置 仍 以电容器为主， 500kV 变电 站配备 了容量相 近 的电容器与
电抗器，而 220kV 变电 站 通常不 配备 电抗器 ; 较长 的 500kV 线路经 校核 后 配 置相应的高压电抗器， 但 一
般 无 法 对其无功容量进行实 时调整 ; 新 建设的 500kV 变电 站 主变压器分接 头 基本为无载 调 压， 即便 采用
了有载 调 压 也 出于 安全 考 虑 而 极少 进行实 时调 压 ;SVC 等动 态 无功补偿在 钢厂 等特 殊 用 户侧 装设 较 多，
但 是在电网中 配 置 较少 ， 百兆乏级 STATCOM 装置 开始 投入应用， 但运 行经验 还 有 待积累 ; AVC 系统
技术 的投 人 使用， 开启 了无功电压 调 控的 新阶段 ， 从运 行 值班人员人 工 调整 、 VQC 就 地 控制等 传统 控
制方式转 人新 的自动 闭 环控制 阶段 。 由 于电网规模大而 且 特性 复杂 、发展 速 度 快 而不 均衡 ，当 前 电网
的无功电压 调 控 遭遇 到 诸 多 困难 和 挑战 ：
（ 1 ）不 同地区 、不 同 电压等 级 电网的负 荷 特性差 别很 大，相应 地 ，网 络 上的无功 损耗 特性 千 差 万
别 ，而 且 在负 荷峰谷 差大的 地区 ，无功容感特性 随时间呈 现 剧烈 的变化。这对电网无功电压 调节 提出
了 更 高要 求 。
（ 2 ）无功 资源 在电网 内 分 布 存在不 均匀 性，当电压等 级 不 同时 ，无功流动 频繁 ， 损耗也 大。主要
体 现在 220kV 及以下电网 总体 无功分 层 平 衡 能 力 不 足 ，而 500kV 及以上电网无功出线结构性过 剩 ，导
致 500kV 电网需 向 220kV 下 送 大量无功。
（ 3 ） 由 于 220kV 无功 支撑 能 力 不 足 ，加上无功电 源 与负 荷 分 布 不 均 导致不 同区域 、不 同季节 的
电压 调 控 难 度 极 大。有载 抽头只 在高压 侧安 装，导致中压 侧 和低压则电压 调节被绑定 ， 可 能产生电压
控制效果的 冲突 。
（ 4 ） 随 着电网负 荷增长 ，外电 送人比 重 逐年 上升，大型 受端系统 本网电 源比 重 持续 下 降 ，进一步
加重无功 损耗 ，主网电压质量有进一步 恶 化的 趋势 。
（ 5 ）电网电压 稳定 问题日 益突 出，在 “西 电 东送” 通 道 的 输 电线路发生 故障时 ，如 直 流线路 闭
锁 、 交 流线路 断 线等 故障 ， 或者 是 直 流 落 点 附 近区域 发生 短 路 故障 ， 将 引起 受端 电网 母 线电压下 降 ，
在 受端 感应电动机负 荷 动 态 特性和 逆 变 站 控制特性的作用下， 严 重 时 甚至 会 出现电压 失稳 并引发 较 大
面积 的 停 电问题，后果十分 严 重。 协 调 AVC 系统调 控与其他 紧 急 控制 策 略 ， 亟 需相应分析工 具 。
（ 6 ）有 些 变电 站 无功补偿 配 置 欠 缺 合理性， 例 如：装置容量、 组 数、性质等无 法欠 缺 科学性。重
载 区域 对容性无功补偿 总 量的要 求 高， 轻 载 区域 则要 求更 多的感性无功补偿， 统 按照 设计规程进行 配
置， 未 能 充 分考 虑站 点 调 控实 际 ， 可 能无 法 适 应 各 不 同区域 的 调 控需 求 ， 同时单 组 无功补偿容量偏大
或 偏 小也 影响 调 控目标的实现。
（ 7 ） AVC 系统 与 vQc 系统 等现 场 调 控 手 段间 的 配 合有 待 进步加 强 。 尽 管 VQC 系统 在 保证 电网电
压质量方 面 取得 较 为 丰富 的 运 行经验， 但 VQC 系统 无 法 保证 电网 全 局 的电压无功优化和 更好地 实现 节
能 降耗 ; AVC 系统 正在实用化过程中， 省 地 控制目标的不 同 及电网中无功 资源 分 布 不 均衡 导致 协 调 控
制 难 度大，在两 者 共 存的 时 期， 协 调配 合机制需进步完 善 。
（ 8 ）需进一步完 善 省 地调 控 间 的 协 调 。无功自下而上的平 衡 和电压自上而下的控制， 均 需 省 地间
协 调 优化， 确保 系统 电压 调 控 安全 、无功 潮 流优化分 布 。
总体 上， 由 于目 前 电网的无功分 布还 未 能 充 分实现有 条 件 的就 地 平 衡 ，在 省 ， 地 上下 级 电网及不 同
地区 的 同级 电网之 间 ，存在 很 多的 调 控 配 合 同 题为合理解决 调 控问题实现目标电压控制，需要在无功
配 置上 满足峰谷时段 的无功需 求 ，在 调 控 策 略 上通过， 定 的 策 略 组 合发 挥 调 控能 力 ，在目标控制上实
现 协 调 优化 满足 各 个 调 控主 体 的需 求 。如果以上 各 个 配 合方 面 无 法 得到 满足 ， 可 能导致电网的实 际 无
功电压 调 控能 力 无 法满足调 控需 求 ， 造 成 同级 电网、上下 级 电网之 间 无功的不合理流动， 极 大 地 影响
了电网的无功电压 调 控 水 平， 给系统 的 安全稳定带来 重大 隐患 。 甚至 可 能导致电压 崩溃 的 严 重 事故 。
1.2.5 无功功率规划原则
无功功率规划原则分两种：
（ 1 ） 按 电压原则进行补偿。
使负载对无功电 力 的需要能够得到 满足 ，使电压在 既 定 范围 内运 行， 确保 电 力系统安全可靠 ，这
是并 联 电容补偿应达到的最基本目标。如果电 厂 出线电压等于 或 低于 20kV ，则通常 情况 下， 母 线电压
应控制在 额 定 电压的 百 分之十以 内 。所以， 各 级 电网 送受端可 以存在 百 分之十 左右 的电压 降 。 输送 无
功电 力 大 小 与线路压 降 成正 比 ，压 降越 大， 输送 无功电 力 就 越 多。为 充 分发 挥 发电机无功容量的作
用，在电压所 允许 的偏差 范围 内 进行无功补偿，以 便 使线路能够 更 多 地 将 无功电 力传输给受端 。电压
原则 适 用的电 力系统 是 那 些 无 法 按 经 济 补偿原则实 施 ，无功补偿量 少 的 系统 。基于 此 原则实 施 ，电网
中无功流动 频繁 ，流动 距离 加大，导致 系统 有功 损耗增 多。
（ 2 ） 按 经 济 原则进行补偿。
