淺析晶閘管投切電容器動態無功補償技術

摘 要：該文對晶閘管投切電容器技術進行了探討。提出了該系統的分類，重點對TSC系統的主電路和檢測及控制系統進行了介紹，并對該技術的不足進行了探討，指出了目前的研究動向。

關鍵詞：晶閘管投切電容器 控制系統 檢測系統

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-00-02

隨著電力系統的發展和技術進步，電能質量問題日益得到重視，許多新技術設備應運而生。目前，為了減少損耗以及調整電壓，提高系統的功率因數，在各級變電站里廣泛使用了新型電容器組進行系統的無功補償，這些電容器組的正常運行對降低線損和提高電能質量起著重要作用。晶閘管投切電容器就是其中的一種，于近年來得到了較大發展。晶閘管投切電容器具有無功功率補償性能的優良動態，適合經常有波動性負荷和沖擊性負荷的電網。與機械投切電容器相比，晶閘管作為電容器的投切開關克服了采用機械開關觸頭易受電弧作用而損壞的缺點，可頻繁投切，且投切時刻可精確控制。晶閘管投切電容器的上述優良的動態性能，促使其近年發展迅猛，該文對該技術的現狀及最新發展動向進行了介紹。

1 晶閘管投切電容器的分類

晶閘管投切電容器（thyristor switched capacitor，簡稱TSC）是利用晶閘管作為無觸點開關的無功補償裝置，它根據晶閘管具有精確的過程，迅速并平穩的切割電容器，與機械投切電容器相比，晶閘管具有操作壽命長，開、關無觸點，抗機械應力能力強和動態開關特性優越等優點。晶閘管的投切時刻可以精確控制，能迅速的將電容器接入電網，有力的減少了投切時的沖擊電流的優點。TSC可按電壓等級或按應用范圍劃分。按電壓等級劃分為：低壓補償方式和高壓補償方式。低壓補償方式適用于1 kV及以下電壓的補償，高壓補償方式（即補償系統直接接入電網進行高壓補償）則對6～35 kV電壓進行補償。TSC按應用范圍劃分為：負荷補償方式和集中補償方式。負補償方式是直接對某一負荷進行針對性動態補償以消除對電網的無功沖擊，集中補償方式是對電網供電采取系統的補償，以解決整個電網無功功率波動的問題。

2 TSC的主電路

目前，TSC只有兩個工作狀態：投入和切除狀態。在投入狀態下，雙向晶閘管導通，電容器并入線路中，TSC向系統發出容性無功功率；切除狀態下，雙向晶閘管（或反向并聯晶閘管）阻斷，TSC的支路并不起到任何作用，不輸出無功功率。TSC主電路設計除了滿足分級快速補償要求外，還應考慮限制并聯電容器組的合閘涌流和抑制高次諧波等問題。TSC的關鍵技術是如何保證電流無沖擊，常見的接線方式有兩種：晶閘管與二極管反并聯接線方式和晶閘管反并聯接線方式。在TSC系統中，晶閘管反并聯方式是促使兩個晶閘管輪流觸發，接通和斷開補償回路。晶閘管反并聯方式的可靠性非常高，即使是某項損壞了一個晶閘管，也不會導致電容器投入失效或錯誤。晶閘管和二極管反并聯方式與晶閘管反并聯方式相比之下，速率較差，但經濟且操作簡便。晶閘管閥承受的最大反相電壓對于晶閘管反并聯方式是將電容器上的殘壓放掉時的電源電壓的峰值，晶閘管和二極管反并聯方式是電源電壓峰值的2倍。TSC系統中，為了限制因晶閘管誤觸發或事故情況下引起的合閘涌流，主電路中須安裝串聯電抗器，以抑制高次諧波和限制短路電流。而串聯電抗器后，電容器端的電壓會升高，所以額定電壓應選擇電容器高于電網的。電抗器的類型有空芯電抗器和鐵芯電抗器兩種，其中，而鐵芯電抗器限流效果較差，但造價低，空芯電抗器的限流效果很好，但造價也很高。所以選擇時，應通過經濟、技術等方面比較來確定。TSC主回路接線方式根據晶閘管閥和電容器的連接可分為三相控制的三角形接法、星形接法和其他組合接法。其中三角形與星形的組合接法既綜合了前兩種接法的優勢，也可提升補償裝置的運行質量，因此更為常用。根據電容器電壓不能突變的特性，TSC系統投切當電網電壓和電容器殘壓相差較大的時候，則很容易產生沖擊電流。當沖擊電流與正常穩定電流之比小于1.7倍時，可以認為沖擊電流對晶閘管和電容器的使用無影響。投切停止后，電容器上有電網峰值電壓，晶閘管在電網電壓和電容器直流電壓的雙重作用下，存在過零電壓，過零點觸發晶閘管是理想狀態，不會產生沖擊電流。

3 TSC的檢測系統和控制系統

TSC的檢測系統用于檢測電網與負載系統的相關變量，包括相位采樣部分、電壓與電流有效值測算部分、待補無功量與無功功率計算部分等。目前比較先進的技術則是利用微機同步相位控制技術和自適應晶閘管觸發技術進行檢測。當檢測到電容器兩端電壓與電網電壓大小等同，極致一樣時，瞬時投入電容器，電流過零時晶閘管會自然斷開，無需對電容器預先充電，也無需加裝限流電抗器及專門的放電電阻，則可隨時實現無投切電容器。依據電網與負載的不同功能和需求，TSC的控制系統可分為開環控制、閉環控制和復合控制三種。控制物理變量包括電流、無功功率、電網電壓、全周期時間、功率因數角和相位差角等。根據電信號參數，對電信號變量分析處理，在電容組合方式中選出最接近且不會過補償的組合方式，對無功功率進行實時補償。由控制系統發出投切指令，當補償系統所需容量不小于最小一組電容器容量時，可快速、平穩、高效地對設備進行補償。

4 晶閘管投切電容器的研究動向

目前，采用TSC裝置的缺點是：①補償電容器的投切可靠性低，容易引發諧振；②功率損耗過大；③電容器過電壓；④裝置的制造成本增加、復雜程度提高及故障率大等；⑤晶閘管投切具有誤觸發等問題。但由于TSC具有動態無功功率補償的優良性能，近年來該技術還是在低壓配電網中得到很好的廣泛應用。而針對TSC使用中的問題，國內外學者進行了相應的研究，研究內容主要針對以下方面：（1）尋找無功參量的快速檢測及控制新方法；（2）研制兼具補償無功和抑制諧波的多功能產品，控制振蕩問題；（3）探尋高壓系統中的TSC 技術；（4）提高TSC 產品可靠性，并降低其成本等。

5 結語

該文對TSC技術進行了探討，重點對TSC系統的主電路和檢測及控制系統進行了介紹，并對該技術的不足進行了探討，指出了目前的研究動向。TSC裝置具有優良的動態無功功率補償性能，特別適合于具有經常沖擊性負荷和波動性負荷的場所。隨著微電子技術和電力電子技術的進步，TSC 技術將會有更大的發展應用空間。

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