一种基于TCR三相触发角平均值的TSC控制策略研究*

景炜，常凤筠，王光磊，陈佳永

1. 辽宁科技大学电子与信息工程学院，辽宁鞍山 114044

2. 辽宁荣信兴业电力技术有限公司，辽宁鞍山 114000

静止无功补偿装置作为一种并联补偿装置［1-3］广泛应用于电力系统的动态无功功率补偿中，其中固定电容器（FC，fixed capacitor）、晶闸管投切电容器（TSC，thyristor switched capacitor）和晶闸管控制电抗器（TCR，thyristor controller reactor）是SVC 的主要形式。这三种无功补偿装置有各自的优缺点：FC 能同时提供容性无功和滤波，但容量固定且不能频繁投切；TCR 能通过调节电抗器连续改变感性无功且能分相补偿，但会产生大量的特征谐波［4］；TSC能快速投切电容器补偿容性无功，但设备复杂且造价高［5］。实际中，为了扩大无功调节范围，使无功控制范围从感性无功变化到容性无功，常将TCR、TSC和FC组合使用。

近年来，随着我国电力工业的迅速发展，大范围的高压输电网络逐渐建成［6-8］。无功功率同有功功率一样，是提高电力系统电能质量、降低电网损耗和保证其安全运行所必需的。电网无功功率的不平衡将导致电网电压的波动，严重时会损坏用电设备，甚至出现电压崩溃等［9-10］。为加强电力系统的电压调节能力和丰富调节手段，提高电网功率因数水平和对三相不平衡负载的补偿能力，可以采用SVC 等动态无功功率补偿措施。TCR+TSC+FC 型SVC 是连续可调节的静止无功补偿装置，不仅谐波含量低，而且响应速度快，可快速调整无功功率输出，具有较强的无功功率调节能力，而且还可以提供动态电压支撑、抑制电压波动，提高电网功率因数和电压稳定水平。

典型的TCR+TSC+FC 型SVC 的协调控制策略是将电压作为目标进行补偿，以TSC 作为分级粗调、TCR 进行相控细调［11-14］的原则通过PI 调节器计算出标幺值电纳值，该电纳值除以单组TSC的电纳值就可以确定需要的TSC 支路数，而差值则由TCR 抵消；同时TCR 运行时产生的特征谐波则由FC滤除。

本文设计的新型TCR+TSC+FC 型SVC 的协调控制策略是根据斯坦门茨平衡化原理对系统进行三相不平衡负载的补偿，其中FC 提供主要的容性功功率同时滤除谐波，TCR 提供感性无功功率以抵消差值；TSC作为无功储备支路，以TCR三相晶闸管触发角的平均值作为判据控制TSC的投入和退出。在PSCAD 上的仿真结果表明，该新型协调控制策略具有可行性。

1 SVC工作原理

1.1 SVC补偿原理

SVC补偿器的重要特征是能连续地调节补偿装置的无功功率，将系统的总无功功率保持在一个值或保持无功输出为零［15］，其补偿原理是：由并联电容器组或和TSC共同提供固定的容性无功功率QC，补偿电抗器TCR 发出感性无功功率QL，其大小由通过补偿电抗器的电流决定，根据负载所需的无功功率QF的变化，调节补偿电抗器的电流来调节QL，使系统提供的无功功率QS=QF+QL-QC≈0或常数，达到平衡系统无功功率、提高功率因数和抑制电压波动的目的。

这种连续调节感性无功QL是通过调节TCR 晶闸管的触发角α实现的。FC 和TSC 是在并联电容器上串联经过计算得到的电阻和电感来分别消除对应次谐波；既可以提供容性无功功率，又可以滤除谐波。

1.2 SVC控制原理

SVC 的控制原理如图1 所示。首先SVC 通过信号采集和滤波环节获得目标信号，经过斯坦门茨三相平衡化环节变换得到系统负载的每一相所需无功功率，再通过计算得出补偿器的每一相补偿导纳数值，经过线性化环节处理得到TCR 的三相触发角数值，再通过触发环节产生相应的触发脉冲信号控制TCR 每相吸收的无功大小，调节SVC三相的输出；同时再将TCR 的三相触发角求平均值，通过比较环节得出的结果，执行TCR 和TSC的协调控制策略控制TSC的投切。

图1 SVC控制原理图Fig.1 SVC control principle diagram

SVC控制的核心部分是斯坦门茨三相平衡化环节，该环节的工作原理是基于C. P. Steinmetz［16-18］提出的理论，即将三相不对称负载看成3个单相负载，由补偿器提供平衡补偿，从而得到一个三相对称且功率因数等于1的负载。设三相不平衡负载导纳值Yab、Ybc和Yca为

式中的G和B分别表示负载导纳的电导和电纳。经过平衡化补偿，得到补偿器三相补偿电纳值Bab(r)、Bbc(r)和Bca(r)为

式中α为晶闸管的触发角，rad；XL为TCR 的回路感抗。

1.3 SVC协调控制原理

SVC的原理是通过调节TCR 的触发角α跟随负载无功需求变化实现连续补偿，即触发角α和负载的无功需求有直接的关系：每一个触发角α都对应一个SVC 无功功率输出或者负载无功需求；而本文的TSC支路又是作为容性无功功率储备支路在负载无功需求较大时投入，较少时退出，以减少损耗。所以，本文通过将TCR 触发角的调节与TSC的投切相互配合来实现二者的协调控制。又因为TCR 的分相补偿其三相触发角不完全相同，所以取三相触发角的平均值作为TSC控制系统设计的依据。本文的TCR触发角α的控制范围为110°～170°。

2 TSC控制系统设计

TSC的控制策略是根据计算得到TCR三相晶闸管触发角平均值Bsvc 的大小与设定的TSC 投入阈值Bset1和退出阈值Bset2相比较，得到的结果控制TSC投入、保持上一个状态或者退出；同时在判断逻辑中引入一个延时环节［19］是必要的，因为这个环节可以避免在投切点处电容器在短时间内频繁动作。TSC控制策略如图2所示。

图2 TSC控制策略图Fig.2 TSC control strategy diagram

图2 中按照实际要求Bset1、Bset2 和延迟时间分别设定为160°、120°和5 s。

2.1 TSC投入控制

当感性负载需要的无功功率增加，TCR 的触发角平均值将增大以增加SVC 无功输出；当此平均值大于160°时，说明负载的无功需求将接近或大于FC 能提供的无功容量，所以为了保证SVC 有足够的无功功率，需要将作为无功储备支路的TSC投入，具体实现过程如图3所示：先计算TCR的三相触发角平均值，经过比较器1，若大于设定值160°，则输出一个高电平到积分器，同时此信号再经过一个比较器2，若大于设定值0.5 则输出一个脉冲复位积分器，然后积分器开始从0计时；如果计时时间大于设定的延时投入时间（5 s），则将TSC投入信号使能（置1）。复位环节在TSC退出信号被使能时，将TSC投入信号复位（置0）。

图3 TSC投入模型图Fig.3 TSC input model diagram

选择触发角平均值160°而不是170°作为TSC的投入判据是为了保留触发角在160°～170°所对应的SVC 无功功率，以便在系统需要超过160°对应的无功功率时，SVC 能够迅速给出而不用等待TSC的投入。

2.2 TSC退出控制

当感性负载需要的无功功率减少，TCR 的触发角平均值将减小以减少SVC 无功输出；当此平均值小于120°时，说明FC 的容量足够补偿负载所需无功，所以为了减小整体损耗，需要将TSC 退出，具体实现过程如图4所示：先计算TCR的三相触发角平均值，经过比较器1，若小于设定值120°，则输出一个高电平到积分器，同时此信号再经过一个比较器2，若大于设定值0.5 则输出一个脉冲复位积分器，然后积分器开始从0计时；如果计时时间大于设定的延时退出时间（5 s），则将TSC退出信号使能（置1）。复位环节在TSC投入信号被使能时，将TSC退出信号复位（置0）。

图4 TSC退出模型图Fig.4 TSC exit model diagram

选择触发角平均值120°作为TSC的退出判据是为了设立一个由120°～160°所对应的SVC 无功输出容量作为“死区”，防止TSC的频繁投入和退出。

2.3 TSC触发控制

TSC 的关键技术问题是通过选择投切时刻和触发方式实现电容器的快速准确平稳投切。

2.3.1 投切时刻实时检测TSC 晶闸管的两端电压在端电压过零［20-21］也就是电网电压和电容器两端电压相等的时刻，且满足晶闸管为正向电压和门极上有触发脉冲信号这两个条件后，导通晶闸管，将电容器投入到系统中；当发出TSC退出信号即关闭门极触发脉冲信号后，在电流过零时，晶闸管自动闭锁，电容器从系统中退出。与传统的投切方式（即选择在电网电压峰值时刻且电容器预充电电压等于电网电压峰值时投切）相比，这种投切方式有以下优势：不需要考虑晶闸管两端的电网电压和电容器的端电压，可以在任意时刻投切，并且投切速度快（完成时间小于20 ms），设备投资少，合闸涌流小，无冲击过电压和电弧重燃等问题。

2.3.2 触发方式TSC 的两个晶闸管是反并联连接，传统的触发方式是分别发出触发信号轮流导通正负相晶闸管，但是因为TSC不必对晶闸管的触发角α进行控制，所以这种触发方式显得复杂且没必要［22］，故本文采取的是正负相晶闸管的触发脉冲信号同时发出的触发方式。TSC的快速准确触发原理如图5所示。

2.3.3 信号处理图5 中输入到控制逻辑环节的信号有TSC 投入信号、晶闸管端电压过零信号和TSC退出信号，因为这三种信号被使能后均为高电平，所以为了保证TSC触发逻辑的正确性需要进行适当处理。本文设计的控制逻辑环节内部结构如图6 所示，三种信号的逻辑关系如表1 所示（假设过零信号使能）。

图5 TSC快速准确触发原理Fig.5 TSC fast and accurate trigger schematic diagram

图6 控制信号关系图Fig.6 Control signal relation diagram

表1 控制信号逻辑表Table 1 Control signal logic table

3 系统仿真

在PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真软件［23-24］中，根据云南省曲靖市的多乐变电站220 kV 三相输电线路的部分参数搭建仿真模型，如图7所示。在此实例模型中，对TCR+TSC+FC 型SVC 的控制策略进行仿真分析。

图7 系统模型示意图Fig.7 System model schematic diagram

3.1 系统参数

系统参数为主电源220 kV，主变容量比240/240/120 MVA。 阻抗电压分别为Uk高-中=14%，Uk高-低=23%，Uk中-低=8%；其中接于33 kV 侧母线的SVC 通过主变对接于110 kV 母线侧的负载进行无功补偿。SVC 由一组三角形接线的三相TSC（容量56 Mvar，且串联一个电抗率为6%的电抗器）、一组三角形接线的三相TCR（容量112 Mvar）和三组星形接线的滤波器支路FC（分别滤除3、5 和7次谐波，总容量为79 Mvar）组成；110kV 侧母线带有2个负载，LOAD1是系统原有负载（其中不平衡等效负载为200+j0.05、 200+j0.08、 200+j0.03）；LOAD2是测试SVC性能的大负载。

3.2 仿真分析

虽然按照实际要求判断TSC投切的延迟时间为5 s，但是为了缩短仿真时间，在仿真实验中将延迟时间设置为0.5 s。系统仿真时间设定为10 s：0 0 s 仿真开始，系统开始运行；0.4 s 时SVC 的断路器闭合，2 s 时投入80 Mvar 的负载LOAD2，4 s 时退出LOAD2；6 s时再次投入此负载，8 s时再次退出，10 s时仿真结束。系统仿真波形如图8所示。

从图8（a）、8（c）和8（h）看出在SVC 投入前的0～0.4 s 内，负载LOAd1 所需的30 Mvar 无功全部由系统电源提供，导致系统的功率因数较低为0.85，TCR触发角均为最大（170°）即不吸收任何无功。从图8（a）和8（b）可看出，在0.4 s 时刻SVC投入，经过投入暂态后， SVC 调整TCR 三相触发角AB、BC、CA 为从170°到133°、从170°到131°、从170°到129°（其平均值为131°）以进行分相补偿；从图8（c）和8（h）可看出，因为SVC 补偿了LOAD1所需无功，所以系统功率因数提高到0.99；但从图8（c）可看出，SVC 的输出稍大于LOAD1 所需无功功率，这是因为SVC 也同时补偿了三相变压器消耗的无功功率。

从图8（a）和8（c）可看出，在2 s 时负载LOAD2投入，负载总的无功需求达到110 Mvar，在TSC 投入前，即使TCR 将触发角全部调到上限值170°（大于TSC投入的设定值160°）即不吸收任何无功，让SVC 输出FC 全部的79 Mvar 无功仍然也有31Mvar的“无功缺口”，所以从图8（h）可看出系统的功率因数降到了0.86。从图8（g）和8（e）可看出，在2.5 s 时（满足TSC 延时投入条件）TSC 投入信号使能，2.51 s时电网电压过零和电容器的端电压（为0）相等即TSC 的晶闸管两端电压过零，过零信号使能，电容器开始投入；从图8（e）和8（d）可看出，电容器在无残压时的投入过程符合快速（完成时间在20 ms 内）、准确平稳（无冲击过电压）的要求。

在经过投入暂态后，从图8（a）、8（b）和8（c）可看出，TCR触发角分别改变为141°，139°和136°（其平均值为139°），2 个负载所需的110 Mvar 无功得到补偿，所以从图8（h）可看出系统的功率因数又提高到0.99；也说明TSC 的投入并不会影响TCR的分相补偿能力。

从图8（a）、8（b）和8（c）看出在4 s时LOAD2退出，负载无功需求变为30 Mvar，经过暂态后，TCR触发角分别为115°、114°和112°，其平均值为114°（小于TSC 退出设定值120°），说明SVC 现有总无功容量过多，且从图8（c）看出无功功率过多会影响补偿精度。从图8（d）和8（g）看出在4.5 s 时（满足TSC 延时退出条件）TSC 退出信号使能，投入信号复位，电容器迅速从系统中平稳退出。经过暂态后，从图8（a）和8（b）可看出TCR 的触发角重新恢复为133°、131°、129°（其平均值为131°），说明TSC的退出也不会影响TCR的分相补偿能力。

图8 系统仿真波形图Fig.8 System simulation waveform diagram

6 s 时刻LOAD2 再次投入，从图8（g）和8（f）可看出6.5 s 时刻TSC 投入信号再次使能，6.504 s 时刻电网电压和电容器的残压相等即TSC的晶闸管两端电压过零，过零信号使能，退出信号复位，电容器再次投入；从图8（d）和8（f）可看出电容器有残压时的投入过程也符合快速准确平稳的要求。8 s 时刻LOAD2 再次退出，从图8（d）和（g）可看出8.5 s时刻TSC 退出信号再次使能，投入信号复位，电容器再次快速平稳退出。

4 结 论

在PSCAD 上的TCR+TSC+FC 型SVC 的仿真结果表明：设计的基于TCR 三相晶闸管触发角平均值的TCR 和TSC 的协调控制策略具有正确性和可行性，并且TSC的投切不会影响SVC对三相不平衡负载的补偿能力；设计的在TSC晶闸管两端电压过零时刻同时使能正负相晶闸管的触发控制方式可以保证在任意时刻快速准确无冲击地投切电容器。