毕业设计（论文）开题报告
题目：高压晶闸管投切电容器控制技术的研究
专 | 业电气工程及其自动化 |
学 | 生 | 李哲 |
学 | 号 | |
班 | 号 | |
指导教师 | 侯睿 | |
日 | 期 | |
1．课题背景及研究的目的和意义
电力资源是我国目前最主要和应用相对成熟的资源,而随着我国工业化取得突飞猛进的发展,对电力资源的要求也提高到新的阶段。
现阶段,由于大型非线性负载的大量使用,比如乱钢机,卷扬机,化工设备等,还有各种整流器,逆变器,变频器等工业电子设备的应用,直接引入了大量的电网谐波和与电网不匹配的无功功率,使得我国的电网系统遭到重大污染。
其危害主要表现在以下几个方面:
1、降低了电网电压的稳定性:感性无功使供电点电压降低,容性无功使供电点电压升高。
2、无功功率的增加使得负载电流增大,导致电气设备的功耗和温升更严重,严重损害设备寿命。
3、视在功率随着无功功率的增加而变大,使得电气设备所需容量也随之增大,进而使得电气设备的成本增加。
因此,对电网进行合理的无功补偿,对我国电力系统稳定运行、电网安全、降低损耗和提高经济性等方面有着重大的意义。为解决上述问题,现阶段比较有效的手段是采用无功补偿装置对电网的无功功率进行补偿,达到治理污染的效果。
针对电网中无功功率的补偿不外乎两个途径：一种是装设补偿装置，设法对无功功率进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波同时也不产生无功需求，或根据需要对其无功功率进行调节。其中后一种措施需要对现有的电力电子设备进行大规模的改造和更新，具有一定的局限性。相比较而言，前一种措施则适合于所有低功率因数的设备，实施起来方法简单，应用前景十分广阔。
静止无功补偿技术SVC(StaticVar Compensator)是20世纪70年代以后发展起来的，是指用不同的静止开关投切电容器或是电抗器，使其具有发出和吸收无功电流的能力，用于提高系统的功率因数和稳定系统电压等。现在静止无功补偿器一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，它具有各种不同的形式。晶闸管投切电容器TSC(ThyristorSwitched Capacitor)和晶闸管控制电抗器 TCR(Thyristor Controlled Reactor)是其典型代表。TCR装置采用相控原理，依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角连续调节补偿装置的无功功率。
高压TSC装置是指额定工作电压为6kV以上的晶闸管投切电容器补偿装置。由于采用晶闸管开关代替了传统的机械式开关，能够实现无冲击涌流投入和电流过零切除，解决了机械式开关投切电容器时发生的冲击涌流和过电压问题。同时在TSC系统中采用特定的电感器，可有效防止谐波放大、有效吸收大部分谐波电流，还能达到谐波
治理的目的。
高压TSC装置是提高中高压输配电网运行经济性和可靠性的一种实用技术手段，
可有效的达到平衡中高压输配电网中的无功、提高系统功率因数、降低网损、改善电
压质量、提高系统无功储备、防止电压崩溃、提高系统稳定极限的目的。另外由于采
用控制器进行自动投切，响应速度快，可频繁投切，可以应用于快速波动变化、冲击
型、非线性负载（如电气化铁路、电弧炉、轧钢机等）的应用场合，有效地抑制这些
负荷所引起的电压波动问题。
目前，我国应用于中高压输配电网及针对中高压用电设备的无功补偿技术相对落
后。很多需要进行动态无功补偿的应用场合，如炼钢厂、大中型煤矿等都没有采用有
效的补偿手段，造成中高压电网电能质量下降，已经投入应用的SVC装置也大多数依
赖于进口。因此对高压TSC控制技术进行研究，加速高压TSC国产化，使其早日在我
国电力系统中得到推广应用，具有重要意义。
2．国内外在该方向的研究现状及分析
2.1国外现状及分析
国外对于大容量高压TSC控制技术的研究起步较早，经过多年的研究和实际应用，
技术相对成熟。
1992年8月，安装在美国西南部新墨西哥州的Eddy County 变电站的SVC装
置投入商业应用。该SVC装置单线系统包括一条76MVar的高压TSC支路，一条
74MVar的TCR支路，以便连续调节无功功率，还包括两条基频容量为24MVar的双调
谐滤波支路。该变电站一次侧母线电压230kV，将SVC装置装设在变电站二次侧
8.5kV母线上，通过该SVC装置可以满足Eddy County 变电站-50MVar（感性）至
+100MVar（容性）范围内的无功需求。
1995年，日本的CEPCO(ChubuElectric Power Co., Inc.)为监视和控制500kV主
干线，首次引入了主干线高压TSC系统。而后为保护西部供电区的大容量输电系统，
又于1996年引进了电源TSC补偿系统。1998年至2002年，CEPCO又在东部供电区
与和Shin-mikawa地区引入了电源TSC系统，从而完成了供电网系列补偿工程，整
个系统起到了良好的区域性无功补偿和稳定电压的作用。
以色列ELSPEC公司研制开发了一种全自动化、数字化、智能化的TSC无功功率
补偿装置，该装置实时检测感性负载的无功功率，能够做到5-20ms投切全部电容器
组，几年来在我国四川攀枝花钢铁、辽宁锦州铁路、上海通用汽车、中海油中石化油
田等单位得到了推广应用。
2.2国内现状及分析
近几年，国内大型高压用电企业引进了大量国外的TSC无功补偿装置，自20世
纪80年代从ABB、SIEMENS等跨国公司引进SVC装置，至今已有数十套进口SVC
设备。
国内一些科研单位与生产企业研究开发的高压TSC装置，因受国内大功率晶闸管
器件水平及高电压、大电流的电力电子技术与数字化的微电子技术互相结合的技术限
制，从性能上、元器件的质量、产品结构上还有一定的差距。主要表现在：（1）动
态响应时间较慢，每一步的补偿响应时间均在100ms以上，当需要投切大的电容器组
时，其装置响应时间将更长。（2）补偿功率不能一步到位，冲击电流过大，功率因数、
电压以及电流的波动均非常严重，投入时，因为反应时间不够，补偿电容是逐步加入，
会造成欠补；切除时，会造成过补，因为电容器逐步切除而造成系统电压抬高、电流
抬升，加剧电压的波动和闪变。（3）系统特性容易漂移，维护成本高、造成设备整体
投资费用高。
因此，国内各变电站及工业企业应用的SVC装置多数依赖进口。从己投入运行的
进口大容量高压TSC装置实际运行情况来看，这些装置对支撑电网电压、增强系统稳
定性、提高输电能力及改善电能质量都发挥了良好的作用。
3．研究内容及拟解决的关键问题
3.1研究内容
基于目前国内的高压TSC装置的研究现状，确定本论文主要完成如下任务：
一、熟悉SVC、TSC的基本结构,理解其工作原理,对电力系统中的TSC装置,
利用等效电路图,分析TSC是如何影响电网电压和功率,列出公式分析TSC无功补
偿的过程。
二、深入分析TSC无功补偿系统的补偿原理，了解主电路连结方式、电容投
切时刻的选择、电容分组方式、电容投切控制策略和无功功率控制判据的设计。
三、对晶闸管特性进行研究,分析晶闸管静态特性、动态特性和应用中的相关
特性对器件串联使用的影响。又根据其特性的分析和试验,作出对阀元件参数的选
择。
四、利用MATLAB/Simulink搭建理想状态下的TSC模型,确定补偿参数,对TSC
无功补偿系统进行仿真,验证补偿系统的合理性。
3.2拟解决的关键问题
一、对高压TSC装置工作原理及结构的分析，TSC无功补偿过程分析公式的
列写。
二、在分析掌握主电路结构和原理的基础上，对TSC拓扑、电容投入时刻、电容分组方式、电容投切控制策略以及晶闸管相关阀元件参数的设计与选择。
三、利用MATLAB/Simulink搭建理想状态下的TSC模型,对TSC无功补偿系统进行仿真以及补偿系统的合理性的检验。
4.拟采取的研究方法和技术路线、进度安排、预期达到的目标
4.1拟采取的研究方法和技术路线
一、对于TSC拓扑初步决定使用星型有中线的接法。
二、电容分组方式则采用等容式。
三、电容投切控制策略则采用九区图控制以及为解决投切震荡和设备动作频繁等问题而产生的改进的九区图。
四、基于以上方案的选择和设计通过利用MATLAB/Simulink搭建理想状态下的TSC模型，对所设计的补偿系统的各项功能进行仿真和测试，从而确定方案的可行性。
4.2进度安排
（1）2014.12——2015.3：开题工作阶段。
主要进行文献搜集和阅读等相关准备工作，完成开题阶段各项工作。完成系统数学模型搭建。
（2）2015.3——2015.5：主体工作阶段。
按照计划顺序，进行TSC拓扑选择、控制策略研究、MATLAB仿真等，完成研究主体工作。
（3）2015.5——2015.6：完善工作阶段。
完善前期工作，修改个别不合理部分。对研究工作进行总结。
（4）2015.6：撰写毕业论文。
4.3预期达到的目标
通过仿真的结果说明所设计的TSC无功补偿装置能够有效补偿电网无功，基本满足实际应用的需要。
5．课题已具备和所需的条件
本课题主要依靠MATLAB软件进行仿真，需要一台安装了MATLAB软件的电脑，实
验室已具备。所需要的电子版资料可以通过学校图书馆提供的中英文数据库搜索下载。
所需要的纸质版资料可以通过图书馆借阅、实验室查找、网络购买等渠道获得。本课
题对硬件材料无需求。如需经费可以随时申请。
6．研究过程中可能遇到的困难和问题，解决的措施
本课题包含电路、电力电子、高电压等多学科知识，综合性较强。需要对TSC无
功补偿装置的结构及工作原理从理论分析到建模仿真有一个系统的认识，循序渐进。
理论分析部分可以在已掌握的理论知识基础上进行深化研究，遇到问题可以从相关文
献中查找解决方法。本课题中最关键的部分当属TSC系统MATLAB建模与仿真，在
过去的学习实验过程中曾经接触过MATLAB，但都是一些小的程序与模型，像这样
搭建一个复杂系统的模型还是第一次，预计在建模和仿真过程中会遇到大量问题。当
然，在建模仿真过程中遇到问题首先要查阅相关资料尽力自己解决，其次是向老师、
师兄、师姐请教。在研究过程中还要注意经常与同组成员讨论交流，互相交换对研究
课题的认识，加强团队合作能力。
7．参考文献
1王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.
2王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
3程浩忠,吴浩.电力系统无功与电压稳定性[M].北京:中国电力出版社,2004.
4Akira Takeuchi, Takashi Sato, Hideaki Nishiiri, Toshiyuki Kajihara,Yutaka Kokai, Masahiro Yatsu. Development of New Technologies andFunctions for the On-line TSC System. IEEE. Power Engineering SocietyGeneral Meeting, Canada, 2006. USA, IEEE, 2006:1~2
5E.H. Watanabe, M. Aredes, L.F. Willcox de Souza, M. D. Bellar. SeriesConnection of Power Switches for very High-power Applications andZero-voltage Switching. IEEE Transactions on Power Electronics.2000,15(1):44~50
6Julio G. Mayordomo, Mohamed Izzeddine, Rafael Asensi. Load andVoltage Balancing in Harmonic Power Flows by means of Static VarCompensator. IEEE Transactions on Power Delivery. 2002,17(3):1~3