晶闸管变压式电容无功补偿方法的研究

王建元，马雪珂

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

电容无功补偿装置是电力系统、电力网络及电力用户广泛应用的装置。它不仅可以提高功率因数、降低网损、提高电压质量，还可以提高超高压线路的输电能力。

现行的电容无功补偿方法均采用机械开关或晶闸管开关投切电容器组来改变运行的电容器容量，以实现无功功率的调节。机械开关投切电容器组(MSC)［1］虽投资较省，但冲击电流较大，不能快速频繁操作，只适用于静态无功补偿和调压。晶闸管具有非常快的响应速度，从20世纪70年代起开始应用于交流输电系统。基于晶闸管开关控制的动态无功补偿装置例如:晶闸管控制电抗器(TCR)［2－3］、晶闸管投切电容器组(TSC)［4－6］、晶闸管控制电抗器－－固定电容器(TCR+FC)［7－10］、基于逆变原理的静止无功发生器(SVG或STAT－COM)［11－14］，还有磁控电抗器都能构成性能良好的无功电压调节控制装置。TSC、TCR和SVG虽能实现快速动态补偿，但是它们的单位造价都比较昂贵。以上装置还有一个特点:晶闸管在断续工作方式下直接承受其接入母线的网络电压(TCR)或2倍的网络电压(MSC、TSC、SVG)［10］。这就带来了一些问题:装置所接的母线电压不宜太高，国内TCR、TSC、STATCOM所接的最高母线电压目前分别是35 kV、10 kV、4 kV，要应用于220～500 kV变电站，主变压器需设计第三绕组，甚至还需要加装中间变压器，因此构成设备多，增加了工程综合造价;晶闸管开关装置在主电路上作为调节器件，断态时承受的电压较高，所需晶闸管的工作容量较大，而且晶闸管工作电压高，触发系统成本也高。因此，降低晶闸管工作电压、提高装置接入的母线电压允许水平，且不过多增加附属设备是减少补偿装置工程造价的重要途径。文献［16］提出了一种新型的电容无功功率补偿方法—晶闸管变压式电容无功功率补偿，它是对俄罗斯类似CKY装置［17］进行了改进而提出的，即改进CKY。文献［18］在试验室进行了改进CKY单相装置的特性试验，结果表明该装置原理正确，投入和换级暂态性能良好。在此将补偿装置改造为容量为1 800 kvar的0 kV晶闸管串联调压电容无功补偿装置，无功调节范围为装置额定容量的17.7% ～102.4%，且能实现13级分级调节。并且在故障情况下，对氧化锌压敏电阻接入系统前后的晶闸管开关的断态电压进行了仿真。

1 改进CKY接线方式的工作原理

改进CKY接线原理［16］见图1，装置的辅助变压器一次侧绕组直接接于工作母线上，二次绕组与晶闸管开关装置和电容器组串联后接于同一工作母线。通过改变辅助变压器二次绕组的等效匝数以改变变比，同时也改变了变压器二次绕组的附加电势，进而改变了电容的电压，从而调节电容发出的无功功率。

电容器发出的无功为:

式(1)中，UC为电容器两端的电压，XC为电容器容抗，U为工作母线电压，K为辅助变压器一、二次绕组的等效匝数之比。

从图1可看出改进CKY接线方式中晶闸管工作电压低，控制简单。本文提出的晶闸管串联调压电容无功补偿方法不同于传统的调节电容无功的方法，通过改变电容器端电压来大幅度调节电容无功。因此晶闸管承受的断态电压较低，显著减小了所需晶闸管的容量。这种方法的投资成本大大降低，是宜于在高压电网中普遍使用的一种无功补偿方法。

图1 补偿装置的原理接线

2 单相10kV改进CKY装置的参数设置

改进CKY装置的单相接线图如图2所示。装置电源电压UN=10 kV;电容器参数UCN=10 kV，ICN=180 A，QCN=1 800 kVar，XC=(500/9)Ω，C=0.573 uF;L为限流电感，用于限制故障短路电流和降低换级电流，XL=0.03XC，L=0.005 3 H。

图2 装置单相接线图

图2中，变压器变比设为10/6 kV，变压器二次侧绕组由一个固定线圈及3个调节线圈构成，它们对应的匝数分别为w1∶w21∶w22∶w23∶w24=6∶3∶2∶1。1～12为晶闸管开关，每个晶闸管开关均只含有一对反并联的晶闸管，通过桥接晶闸管开关的通、断组合而实现各调节线圈与固定线圈正接、反接或不接，从而改变变压器二次绕组的等效匝数。RF为氧化锌压敏电阻，压敏电阻动作将晶闸管两端的电压限制在保护水平以内。R5、R6、R7是三个桥接晶闸管开关的分压电阻，保证晶闸管两端电压维持在一定的范围内。有 R5∶R6∶R7=K22∶K23∶K24=15 000∶10 000∶5 000。

以13级装置实际接线计算，得知晶闸管开关断态电压最大值为0.15UN，晶闸管开关的总工作容量为0.43QCN，变压器二次绕组附加电势最大值为0.6UN，变压器的最大工作容量0.32 QCN，可见晶闸管工作电压低，改进CKY需要的变压器和晶闸管容量小。

3 升级调节时稳态性能测试

负荷无功功率为感性QLD=1 800 kvar，有功功率为PLD=3 716.53 kW，手动调节该装置(由1级逐渐升到13级)，通过电流表、电压表直接测量各元件的电流、电压有效值，以检验补偿装置无功调节性能及各元件的稳态性能，测试结果如表1所示。

表1中I为进线电流，U为母线电压，IC为补偿电流，UC电容电压，QC为电容输出的无功。由测量结果可知IC的调节范围为(0.441 7～1.089)ICN，补偿装置向电网输出无功由(318.6～1 844)kvar，无功调节范围为(0.177 ～ 1.024)QCN。

表1 升级调节时稳态性能

4 压敏电阻的保护作用

4.1 晶闸管开关串断态过电压产生分析

将所有调节绕组等效成一个桥，且所有的晶闸管开关皆处于断态时的等效图［19］用图3表示。

图3中固定绕组与等效调节绕组的变比皆为0.5 Kmax∶1，其中Kmax指TB的最大变比。可看出各晶闸管开关串承受的断态电压不同。1、4号晶闸管开关串导通时调节绕组正接，因此称之为正接晶闸管开关串，同理2、3号是反接晶闸管开关串。正接晶闸管开关串承受的断态电压［20］为:

图3 晶闸管开关串断态电压的等效图

同样，根据线性电路的叠加原理，反接晶闸管开关串断态电压为:

显然，uf(t)＞uz(t)，即反接的晶闸管开关串承受断态电压较高，以下只分析其断态过电压。晶闸管开关失掉脉冲后，在电流过零时断开，电容电压UC(0)=±U'cm为最大值，反接晶闸管开关串的断态电压为uf=u(t)－(±U'cm)，持续时间较长。此时断态过电压较严重，幅值如下:

4.2 未接压敏电阻时断态电压仿真结果及分析

当装置工作于第13 级时，此时 2、3、6、7、10、11 号晶闸管开关开通，1、4、5、8、9、12 号晶闸管开关关断。此时，U'cm=Um最大，根据式(3)及式(4)知此时断态过电压最高。t=0.8 s时2号晶闸管开关失去触发脉冲，其电流过零时断开，进而导致二次回路断开。反接晶闸管开关的断态电压及电容电压的仿真波形见图4。

从图4波形可以看出uf断态过电压出现在0.805 s时刻。波形向下严重偏移，出现了一个很大的直流分量，这是因为晶闸管开关断开瞬间，电容器电流过零点，电容电压达到最大值，二次回路断开后，使得断态电压中含有很高的直流分量，随后电容电压沿着均压电阻回路放电，直至为零。还可看出，断态电压持续时间长，uf的峰值高达29.43 kV，大大超过了正常工作时的最大电压。因此，必须采取有效的措施来抑制晶闸管开关的过电压，使晶闸管元件不受损坏。

图4 晶闸管开关失掉脉冲时的波形

4.3 装设氧化锌压敏电阻后的断态过电压

(1)氧化锌压敏电阻参数选择［19］

将压敏电阻直接并接在2个桥接晶闸管串之间，ZnO压敏电阻实际上是一种伏安特性呈非线性的敏感元件，在正常电压条件下，这相当于一只小电容器，而当电路出现过电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，其工作电流增加几个数量级，保证晶闸管两端的电压维持在一定的范围内。

压敏电阻的主要参数为U1mA(漏电流为1 mA时额定电压)，U1mA≥1.3√2U其中，U为压敏电阻两端正常工作的最大电压的有效值，U=1.1 Ug，Ug为晶闸管开关工作电压。对于10 kV系统，可以确定Ug=3 kV，于是取 U1mA=6.067 kV。

(2)接入氧化锌压敏电阻后断态电压的仿真

现在将氧化锌压电阻接入，对故障情况下的断态电压进行仿真。在13级时2号导通的晶闸管开关突然失掉脉冲(t=0.8 s)，此时的晶闸管串断态电压、电容电压，压敏电阻电流如5所示。从图看出，晶闸管过零断开后，压敏电阻迅速动作，电容器迅速放电，较短时间内即达到一定稳态值，晶闸管开关的断态电压波形基本无偏移现象。从仿真波形可以得到uf的最大峰值为12.42 kV，小于反接晶闸管开关串的额定电压15.46 kV。If暂态最大峰值为278.91 A。

图5 投入过压保护后失掉脉冲时的波形

5 结 论

本文提出了新型快速无功补偿方法，并基于该方法初步设计了单相10 kV容量为1 800 kvar的补偿装置，利用Matlab中的仿真软件对改进CKY装置的换级及调节特性过程进行仿真分析得出以下几点结论:

(1)装置同样具有以上无功补偿装置的快速频繁调节性能，调节效果良好。但改进CKY装置的最大特点是:改进CKY晶闸管工作电压低，只及额定电压的15%左右。该装置所需晶闸管容量和变压器容量小，成本低，只需使用32%补偿装置容量的变压器，就可以直接接入10～110 kV母线，可以取消国内快速补偿装置所需要的中间变压器。其综合工程造价不仅显著降低，还有可能和真空断路器投切电容器组相持平。

(2)在故障情况下，改进CKY装置的断态过电压比较严重，且持续时间较长，足以损坏晶闸管，必须采取一定的保护措施。装置加装氧化锌压敏电阻过压保护后，在故障情况下，装置的断态过电压被限制在允许的范围之内。

［1］林海雪.静止无功补偿装置在输电系统中的应用［M］.北京:电力设备，2005.

［2］R Mohan Mathur，Rajiv K Varma.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置［M］.徐政，译.北京:机械工业出版社，2005.

［3］汤广福.电网动态无功补偿(SVC)技术及其应用［J］.中国电力科学研究院，2010:38－43.

［4］王忠清，杨建宁.谈晶闸管投切电容器TSC的触发电路［J］.电力电容器，2007，28(4):30－36.

［5］张俊杰.基于模块化的新型SVC原理和应用研究［D］.北京:华北电力大学，2009.

［6］岳彬.SVC在电力系统中的应用及其对电力系统稳定性的影响［D］.南京理工大学，2012.

［7］李春阳.FC+TCR型静止无功补偿装置的研究［D］.山东科技大学，2011.

［8］Hans－Ake Joesson.FACTS:Transmission solutions in a changing world.Power System Technology 2000.Proceedings.Power Con2000.Volume:(1)4－7Dec.2000，pp.375－380.

［9］Matsuno K，Iyoda I，Oue Y.An Experience of FACTS Development 1980s and 1990s.2002 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition:Asia Pacific.6－10 Oct 2002，2:1378－1381.

［10］苏玲，宋珊，陈建业.静止无功补偿器(SVC)应用的最新进展［J］.国际电力，2004，8(1):44－49.

［11］高航，陈希正，许沛丰.ASVG工业化装置在电力系统中的应用［J］.中国电力，2000，33(2):33－35.

［12］邓家泽，王奔，黄崇鑫，等.基于晶闸管 STATCOM 的无功补偿控制［J］.电网技术，2009，33(1):48－51.

［13］伏祥运，王建赜，张小聪，等.三相电压源型逆变器级联的静止同步补偿器［J］.电网技术，2006，30(22):72－76.

［14］Masoud Zarringhalami and M.A.Golkar.Analysis of Power System Linearized Model with STATCOM Based Damping Stabilizer［C］.DRPT2008 6－9 April 2008 Nanjing China.

［15］程汉湘，尹项根，刘建.SVG控制系统的稳定性研究［J］.电力自动化设备，2004，24(4):8－11.

［16］李民族，唐晓玲，李颖，等.新型电容无功补偿方法和接线［J］.电网技术，2004，16(28):64－68.

［17］李民族，李秦伟，吴晓男，等.晶闸管串联调压电容无功补偿方法［J］.电力电子技术，2000，(1):21－24.

［18］王武，李民族，唐晓玲，等.晶闸管串联调压电容无功补偿装置特性及试验［J］.电力电子技术，2006，40(5):90－92.

［19］王世蓉，李民族，唐晓玲.改进式晶闸管串联调压电容无功补偿装置的断态过电压仿真［J］.电力自动化设备，2006，26(9):34－38.

［20］蓝元良，印永华，周孝信.大功率电力电子装置过电压保护技术综述［J］.电力电子技术，2005，39(3):123－125.

［21］李国庆，赵萌姣.选取STATCOM最佳安装位置改善风电并网系统电压稳定性的研究［J］.东北电力大学学报，2015，35(1):48－51.