晶闸管投切电容器无功补偿技术的原理与应用

孙昌稳

唐山三友氯碱有限责任公司 河北唐山 063305

晶闸管投切电容器无功补偿技术的原理与应用

孙昌稳

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晶闸管投切电容器(TSC)无功补偿装置是静止无功补偿技术的发展方向，从TSC无功补偿装置的组成结构、主接线形式、晶闸管过零触发方式、内部检测与控制电路原理等方面介绍了TSC无功补偿装置。随着TSC技术的发展，TSC无功补偿装置将取代接触器投切式无功补偿装置，在高低压配电系统中应用更广泛。

晶闸管投切电容器； 无功补偿； 原理； 应用

现代工业和城乡电力系统中，电动机、变压器等感性负荷占有很大比例。感性负荷在系统内吸收大量无功功率，因而无功补偿以并联电容器为主要手段。固定并联电容器补偿方式的优点在于不产生谐波、运行维护简单、可靠性高，但无法解决过补偿和欠补偿的问题[1]。自动投切电容器装置根据控制开关的不同，可分为断路器、接触器投切电容器(SVC)装置和晶闸管投切电容器(TSC)装置。SVC装置结构简单、控制方便、性能稳定，但响应速度慢，不能频繁投切，主要应用于性能要求不高的场合。晶闸管为无触点通断，使用寿命长，且晶闸管的投入时刻按给定触发脉冲可以精确控制，能做到快速无冲击地将电容器接入系统，大大降低对电力系统的冲击，特别适用于频繁投切的场合，而且能根据系统的无功变化进行动态补偿。

1 TSC无功补偿装置的基本原理

TSC无功补偿装置是一种基于TSC的电容补偿装置，利用晶闸管无触点投切的特性，能够快速平稳地投入或切除补偿电容器。应用过零投切技术，实现动态无功补偿，减小电压波动，从而达到节能降耗的目的。TSC装置的构成一般分为两部分： 一是TSC主回路，包括晶闸管、电容器及阻尼电抗器；二是TSC控制系统，包括数据采集与检测、参数运算、投切控制、触发控制[2]。主回路的晶闸管单元通常有两种接线方式，一种是两个晶闸管反并联，另一种是一个晶闸管与一个二极管反并联。采用第一种接线方式，晶闸管承受的最大反向电压为系统电压峰值。采用第二种接线方式，晶闸管承受的最大反向电压为两倍系统电压峰值，所以第二种接线方式对晶闸管特性的要求高，但投资比第一种接线方式少，结构相对简单。选择使用哪种主回路晶闸管接线方式，应根据技术、经济比较综合确定。

2 TSC无功补偿主电路接法

TSC无功补偿装置的主电路，一般有如下四种接线方式。

2.1 星形有中线

星形加装中线的接法使晶闸管额定电压降低，可完成分相投切任务，只适用于系统电压波形畸变很小且电网负荷三相不平衡的情况。由于中线的存在，对系统中三次谐波没有抑制作用，因此，为了限制涌流和抑制谐波，通常在中线上加装限流电抗器[3]。

2.2 星形无中线

主回路取消了中线，可以抑制系统内三次谐波，但至少需两相电容才能形成回路，所以不能实现分相补偿，对系统负荷三相不平衡的情况不宜采用这种接线方式。

2.3 角外接法

角外接法，即晶闸管接在电容器三角形电路的外部，按照星角变换原理，在电容器总容量相等的情况下，角外接法和星形无中线接法对外电路所表现的特性一致[4]。角外接法可以有效抑制三次谐波，与角内接法相比，体积小，投切时暂态过程较长，适合于三相平衡负载。

2.4 角内接法

角内接法，即晶闸管处于电容器三角形电路的内部。该接法相对另外3种接法，晶闸管额定电流较小，只有相电流的58%，但晶闸管需要的额定电压较大。系统负荷三相不平衡时，角内接法的电容器组各相电容值可不相等，根据各相负荷大小要作分相补偿。

3 TSC控制系统

3.1 信号检测电路

TSC装置的检测控制电路主要包括相位采样、电流与电压有效值测算、无功功率与无功补偿量计算等部分。

3.1.1 电流与电压有效值测算

在三相电网中，通过加装电流互感器和电压互感器，可取得线电压电位差信号和相电流信号，然后经过模数转换和滤波处理后，可得到某一瞬时的电流和电压有效值。

3.1.2 相位采样及控制原理

相位采样是结合过零采样电路与单片机定时器来完成的，将从电网获取的电压和电流信号送至由双电压比较器(如LM393)组成的过零检测电路中，这样可以分别对取得的线电压和相电流信号进行整形，从而输出集成逻辑电路方波信号。方波信号输入到由触发器组成的0～360°相位检测电路后，与电路输出相位信号进行比较判断。输出相位信号宽度与电流、电压相位之差成正比，对单片机定时器发出的时间差与相位信号的宽度进行计数，从而得到电压与电流的相位差角。

3.1.3 系统无功功率与无功补偿量计算

取任意两时刻的电压与电流有效值作为一组数据，即可通过公式Q=sin[α(u1i2-u2i1)/2]计算得出无功功率，α为两时刻的相位角差。无功补偿量计算式为Q1=QPtanφ1，P为系统有功功率；φ1为需补偿的功率因数角。

3.2 控制单元

3.2.1 控制电容投切模式

电容器是组成TSC装置的关键部件，在电网中投入或切除电容器动态补偿无功功率，可以将功率因数维持在较高的理想水准。由于动态无功补偿需要频繁投切电容器，因此为确保电容器的寿命和质量，需要考虑补偿电容的投切模式。TSC装置大多采用循环投切模式，即将各组电容器按编号排序，依次投入。如需切除电容器，则从已投入电容器队列的尾部切除。这样，随功率因数的变化，已投入的电容器队列在环形队列中逆时针移动，各组电容器的使用概率均匀，可有效减小电容组的故障率。通常以上方法适用于等容量分组。

3.2.2 控制单元控制方式

TSC控制单元通过单片机对检测采集电路采集到的电压、电流等电信号进行分析处理，并结合定时电路、运算电路和输出电路对晶闸管进行实时控制，从而实现动态无功功率补偿。TSC控制单元的控制方式一般有3种： 第一种为按设定功率因数进行控制投切，依据在微处理器中预设置的功率因数与实时检测到的功率因数来控制合适的无功补偿量[5]，这种控制方式电路比较简单，适用于系统中无功功率变化不大的场所；第二种为按系统所需无功功率进行控制投切，根据所测得的电信号参数，计算出应投入的电容量，在电容器组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器一次投切到位，即只有当补偿系统所需容量大于或等于最小一组电容器容量时，才会由控制系统发出投切指令；第三种为以上两种控制方式的组合应用，采取以控制功率因数为主，以无功功率、电压、电流、时间等变量为辅的控制方式，可进一步提升TSC装置的稳定性和可控性。

3.3 TSC装置晶闸管过零触发方式

晶闸管过零触发投切电容器有2种触发方式： 第一种是检测晶闸管阳极和阴极的电压，即电容器电压与线路电压的差，当电压差过零时触发导通，有的场合利用二极管来判别阳极和阴极间的电压差，直接触发晶闸管；第二种是通过电路预先向电容器充电，当交流电源电压与电容器预先充电电压相等时，晶闸管电压为零，光电耦合器输出脉冲，并与投入指令作逻辑“与”运算，决定是否触发晶闸管，以保证晶闸管的平稳导通，TSC投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下次发出投入指令，TSC才会在零电压处重新投入。

4 TSC无功补偿装置的应用范围

在居民用电系统中，TSC装置主要应用于城市低压配电系统无功补偿设备中。在以城市10kV中压配电系统为代表的民用配电网中，功率因数大多在0.6～0.8之间，电网电压质量不高，线路损耗大，直接威胁电网及用户用电设备的安全。经试运行测算，网损在10%以上的10kV配电线路加装TSC动态无功补偿装置后可降损5%～10%[6]，且在三相负载平衡处功率因数可达0.95以上，不会出现无功倒送，在优化电能质量的同时也提高了配电设备容量的利用率。TSC补偿装置在电网中的通用性好，除居民用电系统外，冶金、采矿、石油化工、电气化铁路等领域也已广泛应用。

5 TSC应用中存在的问题

在电力系统应用过程中，TSC技术仍存在补偿电容器投切振荡、出现暂态过程、误触发等问题。

5.1 投切振荡问题

在采用按功率因数控制电容器投切时，随着负荷的不断变化，系统功率因数比TSC装置控制单元预设的功率因数下限值低，控制单元发出触发脉冲，投入一组电容器。如果此组电容器电容量较大，使功率因数超出控制单元设定值的上限，此时控制器必将切除一组电容器，如此反复下去，造成补偿电容器的投切振荡，易使装置损坏[7]。为避免这种故障发生，可以采用适宜的不同容量电容器分组方式，合理选择控制方案等。

5.2 投切时存在暂态过程

补偿电容器是一种容性储能设备，在系统中投切必然存在暂态过程，此暂态过程会引起电容器合闸涌流和暂态过电压，特别是电容器残压与过电压叠加，使系统内的过电压倍数放大，必然考验设备的绝缘水平，严重时造成TSC装置中晶闸管等关键设备被击穿，以及电网中其它绝缘薄弱环节发生事故[8]。在TSC装置回路内加装限流电抗器和阻容吸收装置，可在一定程度上减轻电容器投切暂态过程对系统设备的损坏。

5.3 投切误触发问题

TSC装置中，晶闸管作为电容器投切的关键部件，响应速度快，理论上完全可以实现无过渡投切，但实际中存在误触发问题。主要原因有两方面： 一是TSC装置内强电和弱电存在一定的电磁干扰[9]，加上来自电网中的电磁干扰，都会使控制回路误触发；二是当晶闸管与电容器电压瞬时值极性相同但幅值不等时，晶闸管触发导通后存在过电压和过电流过渡过程，若两者极性相反，则会产生误触发，造成设备损坏。为了避免控制电路误触发，新型TSC装置将晶闸管及其触发电路和逻辑控制电路封装在一起，技术人员采取了必要的抑制干扰措施，提高了TSC装置的可靠性。

6 TSC与TCR的组合应用

TSC装置是一种断续可调的动态无功补偿装置，有时候需提供连续可调的感性无功或需输出连续可调的无功功率，TSC仅控制电容器投切显然不能满足要求[10]。这时，通常会引入晶闸管控制电抗器(TCR)，将采用角内接法的TSC与TCR组合应用。TSC与TCR组合应用可以在容性到感性的范围内连续调节感性或容性无功功率。组合应用后装置造价高，结构比较复杂，适用于对无功补偿要求比较高的场合。

7 结束语

TSC装置具有过零触发的特性，确保投切电容器无冲击、无涌流、无过渡过程、故障率低，在国内已基本取代传统接触器投切无功补偿装置。TSC装置特别适合于动态补偿，具有广泛的适用性，可用于各类工业生产、民用生活等的供配电网络中。随着电力电子和微电子技术的进步，TSC无功补偿装置正在向模块化、智能化、自动化方向发展[11]，未来应用将更加广泛。

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[D]．西安： 西安科技大学，2011．

[5] 郑秀聪．基于DSP的TSC动态无功与谐波综合补偿装置的设计[D]．广州： 华南理工大学，2011．

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[11] 李葆申.低压无功功率补偿装置标准的探讨[J].电力电容器与无功补偿,2011,32(2)： 50-54.

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

孙昌稳(1972— )，男，本科，工程师，主要从事电气安装与维护工作， E-mail： 18733333137@163.com

TM531

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1674-540X(2016)03-069-04