一種基于TCR三相觸發角平均值的TSC控制策略研究*

景煒，常鳳筠，王光磊，陳佳永

1. 遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧鞍山 114044

2. 遼寧榮信興業電力技術有限公司，遼寧鞍山 114000

靜止無功補償裝置作為一種并聯補償裝置［1-3］廣泛應用于電力系統的動態無功功率補償中，其中固定電容器（FC，fixed capacitor）、晶閘管投切電容器（TSC，thyristor switched capacitor）和晶閘管控制電抗器（TCR，thyristor controller reactor）是SVC 的主要形式。這三種無功補償裝置有各自的優缺點：FC 能同時提供容性無功和濾波，但容量固定且不能頻繁投切；TCR 能通過調節電抗器連續改變感性無功且能分相補償，但會產生大量的特征諧波［4］；TSC能快速投切電容器補償容性無功，但設備復雜且造價高［5］。實際中，為了擴大無功調節范圍，使無功控制范圍從感性無功變化到容性無功，常將TCR、TSC和FC組合使用。

近年來，隨著我國電力工業的迅速發展，大范圍的高壓輸電網絡逐漸建成［6-8］。無功功率同有功功率一樣，是提高電力系統電能質量、降低電網損耗和保證其安全運行所必需的。電網無功功率的不平衡將導致電網電壓的波動，嚴重時會損壞用電設備，甚至出現電壓崩潰等［9-10］。為加強電力系統的電壓調節能力和豐富調節手段，提高電網功率因數水平和對三相不平衡負載的補償能力，可以采用SVC 等動態無功功率補償措施。TCR+TSC+FC 型SVC 是連續可調節的靜止無功補償裝置，不僅諧波含量低，而且響應速度快，可快速調整無功功率輸出，具有較強的無功功率調節能力，而且還可以提供動態電壓支撐、抑制電壓波動，提高電網功率因數和電壓穩定水平。

典型的TCR+TSC+FC 型SVC 的協調控制策略是將電壓作為目標進行補償，以TSC 作為分級粗調、TCR 進行相控細調［11-14］的原則通過PI 調節器計算出標幺值電納值，該電納值除以單組TSC的電納值就可以確定需要的TSC 支路數，而差值則由TCR 抵消；同時TCR 運行時產生的特征諧波則由FC濾除。

本文設計的新型TCR+TSC+FC 型SVC 的協調控制策略是根據斯坦門茨平衡化原理對系統進行三相不平衡負載的補償，其中FC 提供主要的容性功功率同時濾除諧波，TCR 提供感性無功功率以抵消差值；TSC作為無功儲備支路，以TCR三相晶閘管觸發角的平均值作為判據控制TSC的投入和退出。在PSCAD 上的仿真結果表明，該新型協調控制策略具有可行性。

1 SVC工作原理

1.1 SVC補償原理

SVC補償器的重要特征是能連續地調節補償裝置的無功功率，將系統的總無功功率保持在一個值或保持無功輸出為零［15］，其補償原理是：由并聯電容器組或和TSC共同提供固定的容性無功功率QC，補償電抗器TCR 發出感性無功功率QL，其大小由通過補償電抗器的電流決定，根據負載所需的無功功率QF的變化，調節補償電抗器的電流來調節QL，使系統提供的無功功率QS=QF+QL-QC≈0或常數，達到平衡系統無功功率、提高功率因數和抑制電壓波動的目的。

這種連續調節感性無功QL是通過調節TCR 晶閘管的觸發角α實現的。FC 和TSC 是在并聯電容器上串聯經過計算得到的電阻和電感來分別消除對應次諧波；既可以提供容性無功功率，又可以濾除諧波。

1.2 SVC控制原理

SVC 的控制原理如圖1 所示。首先SVC 通過信號采集和濾波環節獲得目標信號，經過斯坦門茨三相平衡化環節變換得到系統負載的每一相所需無功功率，再通過計算得出補償器的每一相補償導納數值，經過線性化環節處理得到TCR 的三相觸發角數值，再通過觸發環節產生相應的觸發脈沖信號控制TCR 每相吸收的無功大小，調節SVC三相的輸出；同時再將TCR 的三相觸發角求平均值，通過比較環節得出的結果，執行TCR 和TSC的協調控制策略控制TSC的投切。

圖1 SVC控制原理圖Fig.1 SVC control principle diagram

SVC控制的核心部分是斯坦門茨三相平衡化環節，該環節的工作原理是基于C. P. Steinmetz［16-18］提出的理論，即將三相不對稱負載看成3個單相負載，由補償器提供平衡補償，從而得到一個三相對稱且功率因數等于1的負載。設三相不平衡負載導納值Yab、Ybc和Yca為

式中的G和B分別表示負載導納的電導和電納。經過平衡化補償，得到補償器三相補償電納值Bab(r)、Bbc(r)和Bca(r)為

式中α為晶閘管的觸發角，rad；XL為TCR 的回路感抗。

1.3 SVC協調控制原理

SVC的原理是通過調節TCR 的觸發角α跟隨負載無功需求變化實現連續補償，即觸發角α和負載的無功需求有直接的關系：每一個觸發角α都對應一個SVC 無功功率輸出或者負載無功需求；而本文的TSC支路又是作為容性無功功率儲備支路在負載無功需求較大時投入，較少時退出，以減少損耗。所以，本文通過將TCR 觸發角的調節與TSC的投切相互配合來實現二者的協調控制。又因為TCR 的分相補償其三相觸發角不完全相同，所以取三相觸發角的平均值作為TSC控制系統設計的依據。本文的TCR觸發角α的控制范圍為110°～170°。

2 TSC控制系統設計

TSC的控制策略是根據計算得到TCR三相晶閘管觸發角平均值Bsvc 的大小與設定的TSC 投入閾值Bset1和退出閾值Bset2相比較，得到的結果控制TSC投入、保持上一個狀態或者退出；同時在判斷邏輯中引入一個延時環節［19］是必要的，因為這個環節可以避免在投切點處電容器在短時間內頻繁動作。TSC控制策略如圖2所示。

圖2 TSC控制策略圖Fig.2 TSC control strategy diagram

圖2 中按照實際要求Bset1、Bset2 和延遲時間分別設定為160°、120°和5 s。

2.1 TSC投入控制

當感性負載需要的無功功率增加，TCR 的觸發角平均值將增大以增加SVC 無功輸出；當此平均值大于160°時，說明負載的無功需求將接近或大于FC 能提供的無功容量，所以為了保證SVC 有足夠的無功功率，需要將作為無功儲備支路的TSC投入，具體實現過程如圖3所示：先計算TCR的三相觸發角平均值，經過比較器1，若大于設定值160°，則輸出一個高電平到積分器，同時此信號再經過一個比較器2，若大于設定值0.5 則輸出一個脈沖復位積分器，然后積分器開始從0計時；如果計時時間大于設定的延時投入時間（5 s），則將TSC投入信號使能（置1）。復位環節在TSC退出信號被使能時，將TSC投入信號復位（置0）。

圖3 TSC投入模型圖Fig.3 TSC input model diagram

選擇觸發角平均值160°而不是170°作為TSC的投入判據是為了保留觸發角在160°～170°所對應的SVC 無功功率，以便在系統需要超過160°對應的無功功率時，SVC 能夠迅速給出而不用等待TSC的投入。

2.2 TSC退出控制

當感性負載需要的無功功率減少，TCR 的觸發角平均值將減小以減少SVC 無功輸出；當此平均值小于120°時，說明FC 的容量足夠補償負載所需無功，所以為了減小整體損耗，需要將TSC 退出，具體實現過程如圖4所示：先計算TCR的三相觸發角平均值，經過比較器1，若小于設定值120°，則輸出一個高電平到積分器，同時此信號再經過一個比較器2，若大于設定值0.5 則輸出一個脈沖復位積分器，然后積分器開始從0計時；如果計時時間大于設定的延時退出時間（5 s），則將TSC退出信號使能（置1）。復位環節在TSC投入信號被使能時，將TSC退出信號復位（置0）。

圖4 TSC退出模型圖Fig.4 TSC exit model diagram

選擇觸發角平均值120°作為TSC的退出判據是為了設立一個由120°～160°所對應的SVC 無功輸出容量作為“死區”，防止TSC的頻繁投入和退出。

2.3 TSC觸發控制

TSC 的關鍵技術問題是通過選擇投切時刻和觸發方式實現電容器的快速準確平穩投切。

2.3.1 投切時刻實時檢測TSC 晶閘管的兩端電壓在端電壓過零［20-21］也就是電網電壓和電容器兩端電壓相等的時刻，且滿足晶閘管為正向電壓和門極上有觸發脈沖信號這兩個條件后，導通晶閘管，將電容器投入到系統中；當發出TSC退出信號即關閉門極觸發脈沖信號后，在電流過零時，晶閘管自動閉鎖，電容器從系統中退出。與傳統的投切方式（即選擇在電網電壓峰值時刻且電容器預充電電壓等于電網電壓峰值時投切）相比，這種投切方式有以下優勢：不需要考慮晶閘管兩端的電網電壓和電容器的端電壓，可以在任意時刻投切，并且投切速度快（完成時間小于20 ms），設備投資少，合閘涌流小，無沖擊過電壓和電弧重燃等問題。

2.3.2 觸發方式TSC 的兩個晶閘管是反并聯連接，傳統的觸發方式是分別發出觸發信號輪流導通正負相晶閘管，但是因為TSC不必對晶閘管的觸發角α進行控制，所以這種觸發方式顯得復雜且沒必要［22］，故本文采取的是正負相晶閘管的觸發脈沖信號同時發出的觸發方式。TSC的快速準確觸發原理如圖5所示。

2.3.3 信號處理圖5 中輸入到控制邏輯環節的信號有TSC 投入信號、晶閘管端電壓過零信號和TSC退出信號，因為這三種信號被使能后均為高電平，所以為了保證TSC觸發邏輯的正確性需要進行適當處理。本文設計的控制邏輯環節內部結構如圖6 所示，三種信號的邏輯關系如表1 所示（假設過零信號使能）。

圖5 TSC快速準確觸發原理Fig.5 TSC fast and accurate trigger schematic diagram

圖6 控制信號關系圖Fig.6 Control signal relation diagram

表1 控制信號邏輯表Table 1 Control signal logic table

3 系統仿真

在PSCAD/EMTDC 電磁暫態仿真軟件［23-24］中，根據云南省曲靖市的多樂變電站220 kV 三相輸電線路的部分參數搭建仿真模型，如圖7所示。在此實例模型中，對TCR+TSC+FC 型SVC 的控制策略進行仿真分析。

圖7 系統模型示意圖Fig.7 System model schematic diagram

3.1 系統參數

系統參數為主電源220 kV，主變容量比240/240/120 MVA。 阻抗電壓分別為Uk高-中=14%，Uk高-低=23%，Uk中-低=8%；其中接于33 kV 側母線的SVC 通過主變對接于110 kV 母線側的負載進行無功補償。SVC 由一組三角形接線的三相TSC（容量56 Mvar，且串聯一個電抗率為6%的電抗器）、一組三角形接線的三相TCR（容量112 Mvar）和三組星形接線的濾波器支路FC（分別濾除3、5 和7次諧波，總容量為79 Mvar）組成；110kV 側母線帶有2個負載，LOAD1是系統原有負載（其中不平衡等效負載為200+j0.05、 200+j0.08、 200+j0.03）；LOAD2是測試SVC性能的大負載。

3.2 仿真分析

雖然按照實際要求判斷TSC投切的延遲時間為5 s，但是為了縮短仿真時間，在仿真實驗中將延遲時間設置為0.5 s。系統仿真時間設定為10 s：0 0 s 仿真開始，系統開始運行；0.4 s 時SVC 的斷路器閉合，2 s 時投入80 Mvar 的負載LOAD2，4 s 時退出LOAD2；6 s時再次投入此負載，8 s時再次退出，10 s時仿真結束。系統仿真波形如圖8所示。

從圖8（a）、8（c）和8（h）看出在SVC 投入前的0～0.4 s 內，負載LOAd1 所需的30 Mvar 無功全部由系統電源提供，導致系統的功率因數較低為0.85，TCR觸發角均為最大（170°）即不吸收任何無功。從圖8（a）和8（b）可看出，在0.4 s 時刻SVC投入，經過投入暫態后， SVC 調整TCR 三相觸發角AB、BC、CA 為從170°到133°、從170°到131°、從170°到129°（其平均值為131°）以進行分相補償；從圖8（c）和8（h）可看出，因為SVC 補償了LOAD1所需無功，所以系統功率因數提高到0.99；但從圖8（c）可看出，SVC 的輸出稍大于LOAD1 所需無功功率，這是因為SVC 也同時補償了三相變壓器消耗的無功功率。

從圖8（a）和8（c）可看出，在2 s 時負載LOAD2投入，負載總的無功需求達到110 Mvar，在TSC 投入前，即使TCR 將觸發角全部調到上限值170°（大于TSC投入的設定值160°）即不吸收任何無功，讓SVC 輸出FC 全部的79 Mvar 無功仍然也有31Mvar的“無功缺口”，所以從圖8（h）可看出系統的功率因數降到了0.86。從圖8（g）和8（e）可看出，在2.5 s 時（滿足TSC 延時投入條件）TSC 投入信號使能，2.51 s時電網電壓過零和電容器的端電壓（為0）相等即TSC 的晶閘管兩端電壓過零，過零信號使能，電容器開始投入；從圖8（e）和8（d）可看出，電容器在無殘壓時的投入過程符合快速（完成時間在20 ms 內）、準確平穩（無沖擊過電壓）的要求。

在經過投入暫態后，從圖8（a）、8（b）和8（c）可看出，TCR觸發角分別改變為141°，139°和136°（其平均值為139°），2 個負載所需的110 Mvar 無功得到補償，所以從圖8（h）可看出系統的功率因數又提高到0.99；也說明TSC 的投入并不會影響TCR的分相補償能力。

從圖8（a）、8（b）和8（c）看出在4 s時LOAD2退出，負載無功需求變為30 Mvar，經過暫態后，TCR觸發角分別為115°、114°和112°，其平均值為114°（小于TSC 退出設定值120°），說明SVC 現有總無功容量過多，且從圖8（c）看出無功功率過多會影響補償精度。從圖8（d）和8（g）看出在4.5 s 時（滿足TSC 延時退出條件）TSC 退出信號使能，投入信號復位，電容器迅速從系統中平穩退出。經過暫態后，從圖8（a）和8（b）可看出TCR 的觸發角重新恢復為133°、131°、129°（其平均值為131°），說明TSC的退出也不會影響TCR的分相補償能力。

圖8 系統仿真波形圖Fig.8 System simulation waveform diagram

6 s 時刻LOAD2 再次投入，從圖8（g）和8（f）可看出6.5 s 時刻TSC 投入信號再次使能，6.504 s 時刻電網電壓和電容器的殘壓相等即TSC的晶閘管兩端電壓過零，過零信號使能，退出信號復位，電容器再次投入；從圖8（d）和8（f）可看出電容器有殘壓時的投入過程也符合快速準確平穩的要求。8 s 時刻LOAD2 再次退出，從圖8（d）和（g）可看出8.5 s時刻TSC 退出信號再次使能，投入信號復位，電容器再次快速平穩退出。

4 結 論

在PSCAD 上的TCR+TSC+FC 型SVC 的仿真結果表明：設計的基于TCR 三相晶閘管觸發角平均值的TCR 和TSC 的協調控制策略具有正確性和可行性，并且TSC的投切不會影響SVC對三相不平衡負載的補償能力；設計的在TSC晶閘管兩端電壓過零時刻同時使能正負相晶閘管的觸發控制方式可以保證在任意時刻快速準確無沖擊地投切電容器。