晶閘管投切電容器無功補償技術的原理與應用

孫昌穩

唐山三友氯堿有限責任公司 河北唐山 063305

晶閘管投切電容器無功補償技術的原理與應用

孫昌穩

唐山三友氯堿有限責任公司 河北唐山 063305

晶閘管投切電容器(TSC)無功補償裝置是靜止無功補償技術的發展方向，從TSC無功補償裝置的組成結構、主接線形式、晶閘管過零觸發方式、內部檢測與控制電路原理等方面介紹了TSC無功補償裝置。隨著TSC技術的發展，TSC無功補償裝置將取代接觸器投切式無功補償裝置，在高低壓配電系統中應用更廣泛。

晶閘管投切電容器； 無功補償； 原理； 應用

現代工業和城鄉電力系統中，電動機、變壓器等感性負荷占有很大比例。感性負荷在系統內吸收大量無功功率，因而無功補償以并聯電容器為主要手段。固定并聯電容器補償方式的優點在于不產生諧波、運行維護簡單、可靠性高，但無法解決過補償和欠補償的問題[1]。自動投切電容器裝置根據控制開關的不同，可分為斷路器、接觸器投切電容器(SVC)裝置和晶閘管投切電容器(TSC)裝置。SVC裝置結構簡單、控制方便、性能穩定，但響應速度慢，不能頻繁投切，主要應用于性能要求不高的場合。晶閘管為無觸點通斷，使用壽命長，且晶閘管的投入時刻按給定觸發脈沖可以精確控制，能做到快速無沖擊地將電容器接入系統，大大降低對電力系統的沖擊，特別適用于頻繁投切的場合，而且能根據系統的無功變化進行動態補償。

1 TSC無功補償裝置的基本原理

TSC無功補償裝置是一種基于TSC的電容補償裝置，利用晶閘管無觸點投切的特性，能夠快速平穩地投入或切除補償電容器。應用過零投切技術，實現動態無功補償，減小電壓波動，從而達到節能降耗的目的。TSC裝置的構成一般分為兩部分： 一是TSC主回路，包括晶閘管、電容器及阻尼電抗器；二是TSC控制系統，包括數據采集與檢測、參數運算、投切控制、觸發控制[2]。主回路的晶閘管單元通常有兩種接線方式，一種是兩個晶閘管反并聯，另一種是一個晶閘管與一個二極管反并聯。采用第一種接線方式，晶閘管承受的最大反向電壓為系統電壓峰值。采用第二種接線方式，晶閘管承受的最大反向電壓為兩倍系統電壓峰值，所以第二種接線方式對晶閘管特性的要求高，但投資比第一種接線方式少，結構相對簡單。選擇使用哪種主回路晶閘管接線方式，應根據技術、經濟比較綜合確定。

2 TSC無功補償主電路接法

TSC無功補償裝置的主電路，一般有如下四種接線方式。

2.1 星形有中線

星形加裝中線的接法使晶閘管額定電壓降低，可完成分相投切任務，只適用于系統電壓波形畸變很小且電網負荷三相不平衡的情況。由于中線的存在，對系統中三次諧波沒有抑制作用，因此，為了限制涌流和抑制諧波，通常在中線上加裝限流電抗器[3]。

2.2 星形無中線

主回路取消了中線，可以抑制系統內三次諧波，但至少需兩相電容才能形成回路，所以不能實現分相補償，對系統負荷三相不平衡的情況不宜采用這種接線方式。

2.3 角外接法

角外接法，即晶閘管接在電容器三角形電路的外部，按照星角變換原理，在電容器總容量相等的情況下，角外接法和星形無中線接法對外電路所表現的特性一致[4]。角外接法可以有效抑制三次諧波，與角內接法相比，體積小，投切時暫態過程較長，適合于三相平衡負載。

2.4 角內接法

角內接法，即晶閘管處于電容器三角形電路的內部。該接法相對另外3種接法，晶閘管額定電流較小，只有相電流的58%，但晶閘管需要的額定電壓較大。系統負荷三相不平衡時，角內接法的電容器組各相電容值可不相等，根據各相負荷大小要作分相補償。

3 TSC控制系統

3.1 信號檢測電路

TSC裝置的檢測控制電路主要包括相位采樣、電流與電壓有效值測算、無功功率與無功補償量計算等部分。

3.1.1 電流與電壓有效值測算

在三相電網中，通過加裝電流互感器和電壓互感器，可取得線電壓電位差信號和相電流信號，然后經過模數轉換和濾波處理后，可得到某一瞬時的電流和電壓有效值。

3.1.2 相位采樣及控制原理

相位采樣是結合過零采樣電路與單片機定時器來完成的，將從電網獲取的電壓和電流信號送至由雙電壓比較器(如LM393)組成的過零檢測電路中，這樣可以分別對取得的線電壓和相電流信號進行整形，從而輸出集成邏輯電路方波信號。方波信號輸入到由觸發器組成的0～360°相位檢測電路后，與電路輸出相位信號進行比較判斷。輸出相位信號寬度與電流、電壓相位之差成正比，對單片機定時器發出的時間差與相位信號的寬度進行計數，從而得到電壓與電流的相位差角。

3.1.3 系統無功功率與無功補償量計算

取任意兩時刻的電壓與電流有效值作為一組數據，即可通過公式Q=sin[α(u1i2-u2i1)/2]計算得出無功功率，α為兩時刻的相位角差。無功補償量計算式為Q1=QPtanφ1，P為系統有功功率；φ1為需補償的功率因數角。

3.2 控制單元

3.2.1 控制電容投切模式

電容器是組成TSC裝置的關鍵部件，在電網中投入或切除電容器動態補償無功功率，可以將功率因數維持在較高的理想水準。由于動態無功補償需要頻繁投切電容器，因此為確保電容器的壽命和質量，需要考慮補償電容的投切模式。TSC裝置大多采用循環投切模式，即將各組電容器按編號排序，依次投入。如需切除電容器，則從已投入電容器隊列的尾部切除。這樣，隨功率因數的變化，已投入的電容器隊列在環形隊列中逆時針移動，各組電容器的使用概率均勻，可有效減小電容組的故障率。通常以上方法適用于等容量分組。

3.2.2 控制單元控制方式

TSC控制單元通過單片機對檢測采集電路采集到的電壓、電流等電信號進行分析處理，并結合定時電路、運算電路和輸出電路對晶閘管進行實時控制，從而實現動態無功功率補償。TSC控制單元的控制方式一般有3種： 第一種為按設定功率因數進行控制投切，依據在微處理器中預設置的功率因數與實時檢測到的功率因數來控制合適的無功補償量[5]，這種控制方式電路比較簡單，適用于系統中無功功率變化不大的場所；第二種為按系統所需無功功率進行控制投切，根據所測得的電信號參數，計算出應投入的電容量，在電容器組合方式中選出一種最接近但又不會過補償的組合方式，電容器一次投切到位，即只有當補償系統所需容量大于或等于最小一組電容器容量時，才會由控制系統發出投切指令；第三種為以上兩種控制方式的組合應用，采取以控制功率因數為主，以無功功率、電壓、電流、時間等變量為輔的控制方式，可進一步提升TSC裝置的穩定性和可控性。

3.3 TSC裝置晶閘管過零觸發方式

晶閘管過零觸發投切電容器有2種觸發方式： 第一種是檢測晶閘管陽極和陰極的電壓，即電容器電壓與線路電壓的差，當電壓差過零時觸發導通，有的場合利用二極管來判別陽極和陰極間的電壓差，直接觸發晶閘管；第二種是通過電路預先向電容器充電，當交流電源電壓與電容器預先充電電壓相等時，晶閘管電壓為零，光電耦合器輸出脈沖，并與投入指令作邏輯“與”運算，決定是否觸發晶閘管，以保證晶閘管的平穩導通，TSC投入指令撤銷時，晶閘管在電流過零時斷開，直到微控制器下次發出投入指令，TSC才會在零電壓處重新投入。

4 TSC無功補償裝置的應用范圍

在居民用電系統中，TSC裝置主要應用于城市低壓配電系統無功補償設備中。在以城市10kV中壓配電系統為代表的民用配電網中，功率因數大多在0.6～0.8之間，電網電壓質量不高，線路損耗大，直接威脅電網及用戶用電設備的安全。經試運行測算，網損在10%以上的10kV配電線路加裝TSC動態無功補償裝置后可降損5%～10%[6]，且在三相負載平衡處功率因數可達0.95以上，不會出現無功倒送，在優化電能質量的同時也提高了配電設備容量的利用率。TSC補償裝置在電網中的通用性好，除居民用電系統外，冶金、采礦、石油化工、電氣化鐵路等領域也已廣泛應用。

5 TSC應用中存在的問題

在電力系統應用過程中，TSC技術仍存在補償電容器投切振蕩、出現暫態過程、誤觸發等問題。

5.1 投切振蕩問題

在采用按功率因數控制電容器投切時，隨著負荷的不斷變化，系統功率因數比TSC裝置控制單元預設的功率因數下限值低，控制單元發出觸發脈沖，投入一組電容器。如果此組電容器電容量較大，使功率因數超出控制單元設定值的上限，此時控制器必將切除一組電容器，如此反復下去，造成補償電容器的投切振蕩，易使裝置損壞[7]。為避免這種故障發生，可以采用適宜的不同容量電容器分組方式，合理選擇控制方案等。

5.2 投切時存在暫態過程

補償電容器是一種容性儲能設備，在系統中投切必然存在暫態過程，此暫態過程會引起電容器合閘涌流和暫態過電壓，特別是電容器殘壓與過電壓疊加，使系統內的過電壓倍數放大，必然考驗設備的絕緣水平，嚴重時造成TSC裝置中晶閘管等關鍵設備被擊穿，以及電網中其它絕緣薄弱環節發生事故[8]。在TSC裝置回路內加裝限流電抗器和阻容吸收裝置，可在一定程度上減輕電容器投切暫態過程對系統設備的損壞。

5.3 投切誤觸發問題

TSC裝置中，晶閘管作為電容器投切的關鍵部件，響應速度快，理論上完全可以實現無過渡投切，但實際中存在誤觸發問題。主要原因有兩方面： 一是TSC裝置內強電和弱電存在一定的電磁干擾[9]，加上來自電網中的電磁干擾，都會使控制回路誤觸發；二是當晶閘管與電容器電壓瞬時值極性相同但幅值不等時，晶閘管觸發導通后存在過電壓和過電流過渡過程，若兩者極性相反，則會產生誤觸發，造成設備損壞。為了避免控制電路誤觸發，新型TSC裝置將晶閘管及其觸發電路和邏輯控制電路封裝在一起，技術人員采取了必要的抑制干擾措施，提高了TSC裝置的可靠性。

6 TSC與TCR的組合應用

TSC裝置是一種斷續可調的動態無功補償裝置，有時候需提供連續可調的感性無功或需輸出連續可調的無功功率，TSC僅控制電容器投切顯然不能滿足要求[10]。這時，通常會引入晶閘管控制電抗器(TCR)，將采用角內接法的TSC與TCR組合應用。TSC與TCR組合應用可以在容性到感性的范圍內連續調節感性或容性無功功率。組合應用后裝置造價高，結構比較復雜，適用于對無功補償要求比較高的場合。

7 結束語

TSC裝置具有過零觸發的特性，確保投切電容器無沖擊、無涌流、無過渡過程、故障率低，在國內已基本取代傳統接觸器投切無功補償裝置。TSC裝置特別適合于動態補償，具有廣泛的適用性，可用于各類工業生產、民用生活等的供配電網絡中。隨著電力電子和微電子技術的進步，TSC無功補償裝置正在向模塊化、智能化、自動化方向發展[11]，未來應用將更加廣泛。

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Thyristor switchable capacitor (TSC) reactive power compensation device is the development direction of static reactive power compensation technology. An introduction was presented on TSC reactive power compensation device in the aspects of its composition structure, the main connection form, thyristor zero-cross trigger mode, principles of internal detection and control circuit. In company with the development of TSC technology, TSC reactive power compensation device will replace the original reactive power compensation device switched by the contactor and has wide application in high and low voltage distribution system.

TSC； Reactive Power Compensation； Principle； Application

2016年4月

孫昌穩(1972— )，男，本科，工程師，主要從事電氣安裝與維護工作， E-mail： 18733333137@163.com

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