晶闸管投切电容器动态无功补偿技术及其应用

文章编号：1000-3673（2007）S2-0118-05 中图分类号：TM772 文献标识码：A 学科代码：470·4054

晶闸管投切电容器动态无功补偿技术及其应用

巩 庆

（邯郸钢铁集团有限责任公司 型棒材厂，河北省 邯郸市 056015）

Thyristor Switched Capacitor Dynamic Var Compensation Technology and Its Application

GONG Qing

（Section and Bar Steel Plant，Handan Iron & Steel Group Co., Ltd.，Handan 056015，Hebei Province，China）

摘要：从晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor，TSC)的基本原理、分类概况、主接线形式、检测与控制策略等方面介绍TSC在动态无功补偿中的应用现状，指出了TSC技术存在的问题，并提出了拟解决的方案。大量的试验与实践证明，TSC无功补偿装置具备优良的无功补偿性能，具有较高的应用价值和广泛的市场前景。

关键词：晶闸管投切电容器(TSC)；无功补偿；动态

0 引言

在工业企业中，异步电动机、变压器等大量阻感性负载的存在必然会产生一定的无功功率，这增加了设备容量以及输电线路和变压器的损耗，从而导致用电效率低下，直接影响自动化设备的正常运行。

无功功率补偿是把具有容性功率的负荷装置与感性功率负荷并联在同一电路。当容性装置释放能量时，感性负荷吸收能量；当感性负荷释放能量时，容性装置吸收能量，能量在2种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率进行补偿，从而对无功功率进行调度以改善交流电力系统的供电质量，达到校正功率因数、调节电压和平衡各相负载的目的。

1 晶闸管投切电容器

1.1概述

晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor，TSC)是一种利用晶闸管作为无触点开关的无功补偿装置，它根据晶闸管能够精确触发的特性，快速平稳地投入或切除补偿电容器。TSC可快速跟踪冲击负荷的突变，对最佳功率因数进行闭环反馈，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。

由TSC构成的无功补偿系统是一个对供配电网络中不稳定的无功功率进行动态补偿的系统，因此其应用形式有很大的灵活性，按应用电压等级划分为低压补偿和高压补偿，前者适用于对1kV及以下的电压进行补偿；后者直接将补偿系统接入电网进行高压补偿，适用于对6~35kV的电压进行补偿。

1.2晶闸管阀

在TSC系统中，晶闸管阀一般采用2只晶闸管反并联的方法，达到2只晶闸管轮流触发的效果，起到了接通和断开补偿回路的作用。这种反并联的方式可靠性高，即使某相损坏1只晶闸管，也不会导致电容器误投入。晶闸管阀承受的最大反相电压为电源电压的峰值。

出于经济性和操控简便的考虑，常常采用1只晶闸管和1只二极管反并联的接线方式构成晶闸管阀。这种结构可有效避免冲击电流和过电压对供电系统及设备的影响，但晶闸管阀所承受的最大反向电压为电源电压峰值的2倍。

通常，晶闸管阀还并联有由电阻和电容构成的吸收电路，用于吸收浪涌电流和抑制过电压。为抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流，可采用加装电抗器的方式串联小电感。

1.3补偿电容器

补偿电容器是TSC系统的关键部件，通过投入或切除电容器的方法可动态平衡电感性负载与电容性负载，从而将功率因数维持在较高的理想水准。

（1）分组方式。在很多工业生产实践中，除了就地补偿的大电机外，大量分散的感性负载需要在低压配电室进行集中补偿，这时由于补偿容量是随时间变化的，为不出现过补偿或欠补偿，需要将电容器分成若干组，采用自动投切的方式。

电容器分组的具体方法比较灵活，常见的有以第31卷增刊2 电网技术 119

下几种[1]：①等容量制，即把所需补偿的电容平均分为若干份；②1:2:4:8制，即每单元电容器值按大小倍增式设置，这样可获得15级补偿值；③二进制，即采用N−1个电容值均为C的电容和一个电容值为C/2的电容，这样补偿量的调节就有2N级。对比上述方法可知，方法①的控制方式最简单，但相对较大的补偿级差了精度，而方法②与③虽采用多级差补偿的方法提高了效果，但均为繁琐，不便于自动化控制。相比之下，方法③不乏为一种有益的折中式方案。

（2）投切模式。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。常见有下列2种模式：①循环投切模式，即将各组电容器按组号排成一个环形列队，然后按序号依次投入电容。如需切除电容，则从已投入的电容队列的尾部切除。这样，随功率因数的变化，已投入的电容队列在环形队列中逆时针移动，各组电容的使用几率均匀，可有效减少电容组的故障率。通常这种方法用于等容量分组。②温度计式投切模式，即将各组电容器按组号排成一个直线队列，投入或切除电容器使已投入的电容队列在直线队列中升高或下降，类似于温度计水银柱的升降。这种方法常用于变容量分组。

1.4 过零触发

在低压供电系统中，为了保证在投入电容时不产生冲击电流及过电压，一般TSC装置都具有采用光电耦合器来保证晶闸管阀两端电压过零时触发晶闸管的过零检测电路[2-3]。

TSC投入电容的时刻即交流电源电压与电容预先充电电压相等的时刻。此时，晶闸管上电压为零，光电耦合器输出脉冲，并与投入指令作逻辑“与”运算后决定是否去触发晶闸管，以保证晶闸管的平稳导通。TSC投入的指令撤消时，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。

2 TSC主接线

按照晶闸管阀和电容器的连接方式，可将TSC 主回路接线方式分为三角形接法、星形接法和其它组合接法[4]。

（1）三角形接法。在主回路中采用三角形接法时，由于在补偿过程中，两组电容之间不能形成回路，因此只适用于三相共补电路。一般分角外接法和角内接法。角外接法，即晶闸管阀处于电容器三角形的外部，其接线图如图1所示。这种接法应用于三相对称负载时，可有效抑制3倍次谐波。角内接法，即晶闸管处于电容器三角形的内部，其接线图如图2所示。这种接线方式减小了晶闸管的电流定额，但晶闸管的电压定额较大。

图1三角形角外接法

图2 三角形角内接法

（2）星形接法。TSC主接线的星形接法可以满足分相补偿的要求，因此这种接线方法常用于三相负载不平衡、三相间的功率因数角和电流差异较大的分相投切补偿系统中。一般也可分为星形加装中线和星形无中线2种接法形式。在图3所示的星形加装中线接法中，根据电路分析可知，这种接线方法可完成分相投切的任务，但中线存在的电流通路对3倍次谐波无抑制作用，因此通常在中线上加装限流电抗器，以起到抑制谐波、涌流的作用，常见于户外形TSC无功动态补偿系统。星形无中线接法如图4所示。这种接线方法较简单，与角外接法所表现的特性一致，即亦不能分相补偿。

（3

）其它组合接法。由于TSC装置是一种断续可调的动态无功补偿器，因而在实际应用中，如

图3 星形加装中线接法

图4 星形无中线接法120 巩庆：晶闸管投切电容器动态无功补偿技术及其应用V ol. 31 Supplement 2

需输出连续可调的无功功率或要求能提供感性无功，TSC显然不能完成任务。这时，通常会引入晶闸管控制电抗器(thyristor controlled reactor，TCR)，采用角内接法的TSC与TCR组合的主回路接法如图5所示。由图5可知，这种接线方法可以在容性到感性的范围内连续调节无功功率，同时这种接线方法也组成了一个典型的静止无功补偿装置(static var compensator，SVC)。目前，国内外一些厂商已形成规格系列化的SVC产品，在实际工业生产和人民生活中得到了很好的应用。

图5 星形加装中线接法

采用三角形与星形的组合接法既可综合上述2种接法的优势，也可提升补偿装置的运行质量。

3 TSC的检测系统

TSC的检测系统用于检测电网与负载系统的相关变量，主要包括相位采样部分、电流与电压有效值测算部分、无功功率与待补无功量计算部分。

（1）电流与电压有效值的测算。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A/D转换和滤波处理后，就可得到某一瞬时的电流和电压的有效值。

（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。这样就分别对取得的线电压和相电流的取样电压信号进行整形，从而输出晶体管–晶体管逻辑集成电路(transistor transistor logic，TTL)电平的方波信号。然后将方波信号经由D触发器CD4013组成的0°~360°相位检测电路后，得到一组互补的相位输出信号。输出信号宽度即与电流与电压的相位差成正比。再对经过单片机的定时器产生的时间间隔与方波信号的宽度进行计数，经过测算可以得出准确的相位差角[5]。

（3）无功功率与待补无功量。取任意两时刻的电压与电流有效值作为一组数据即可测算出无功功率，其计算式为

1221

sin()/2

Q u i u i

α

=−

式中α表示任选两时刻的相位角差。类似取若干组不同数据，在谐波量大的场合，结合数字滤波技术可准确而快速地得出无功功率值。

待补无功量值指完成自动补偿投切时系统所需求的无功量。因此可按下式计算，即Q1=Q−P tanΨ1。式中：Q1为系统待补无功量(感性负载为正，容性负载为负)；Q为系统无功功率(感性负载为正，容性负载为负)；P为系统有功功率；Ψ1为需补偿的功率因数角。

4 TSC的控制系统

TSC的控制物理变量涉及电网电压、电流、相位差角、无功功率、功率因数角、全周期时间等。此时，需采用单片机对采集到的电信号变量进行分析处理，并结合定时电路(器)以及微处理器运算对无功功率进行实时补偿。这样就实现了对多变量的控制，并达到平稳、快速、高效地对设备进行补偿的目的。

（1）TSC的控制结构。依据电网与负载的不同需求和功能，静止无功补偿装置的控制基本结构大致可分为开环控制、闭环控制和复合控制3种。开环控制可快速跟踪电网和负荷的变化，但因缺少对输出量的反馈，故不能准确维持无功功率的变化，动态补偿效果不佳。闭环控制中引入积分环节，能够完成实时监控，但响应速度较慢。复合控制是指将开环控制和闭环控制结合的方式。这种控制方式既能使补偿器快速地跟踪电流的变化，又能使负荷的功率因数维持在给定值。在实际工业生产中，复合控制结构也是较为快速、精确的TSC补偿控制结构。

（2）TSC控制目标的选取[6]。根据TSC控制系统各个变量的特性，可将控制目标分为按功率因数cosΨ控制，按无功功率控制及综合控制。

按功率因数cosΨ控制时，依据在微处理器中预设置的cosΨi，由实时检测到运行的cosΨ来控制补偿容量，即按照cosΨ2按无功功率控制时，根据所测得的电信号参数，计算出应投入的电容容量，在电容组合方式中第31卷增刊2 电网技术 121

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。

在很多实际生产应用中，对单一变量进行控制，往往不能充分满足系统的需求，这时就需要采用选取多个变量进行互补式检测控制。在TSC系统中进行综合控制[7]时，往往采取以控制功率因数为主，以无功功率、电网电压、负载电流、时间等变量为辅的控制方案。多控制目标的选取也进一步提升了补偿系统的稳定性和可控性。

5 TSC的应用现状、问题与解决方案

将电容器与网络感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法。在SVC的发展历程中，先后出现了同步调相机、自饱和电抗器等产品[8]，但都因其性能及生产工艺上的不足渐渐淡出了人们的视野。新一代的TSC技术及其相关的无功补偿装置在实际生产生活中得到了很好的应用。按照应用范围分类，其主要分为日常民用系统和工业用系统2类。

民用系统中的TSC主要应用在城市低压配电系统及居民电力用户端装置中的相关无功补偿设备中。在以城市10kV中压配电系统为代表的民用配电网中，居民及小商业用户端负荷日益加剧，且日负荷随用电的峰、谷时段变化较大[9]。加之普通低压配电变压器载容较低，从而大量增加了电网的无功损耗，造成电网电压不稳、线路损耗增大、功率因数大多在0.6~0.8之间的情况，这将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配电线路在加装TSC动态无功补偿装置后可降损5%~10%[10]，且在三相负载平衡处，其功率因数可达到0.95以上，不会出现无功倒送，同时在优化电能质量的基础上也提高了配电设备容量的利用率。

由于绝大多数的大功率、冲击性及非线性负载广泛存在于工业生产中，因此必要的无功补偿设备在不同的行业均具有重要的应用价值。TSC补偿装置具有很强的自适应性和通用性，在各种工业用系统中都能发挥出很好的工作特性，并在冶金[11-13]、采矿[14]、石油化工[15-17]、电气化铁路[18-19]等领域中取得了较好的运行经验。

在实际应用过程中，TSC技术仍存在补偿电容器的投切振荡、暂态过程、晶闸管投切的误触发等问题，现简述如下：

（1）补偿电容器的投切振荡问题。在采用按功率因数控制投切时，当各分组电容器之间的容量设置得不合理可能会出现如下情况：当负载变动使功率因数低于预设补偿的下限值时，控制器发出指令投入一组电容。但由于这组电容器电容量过大，一经投入便将功率因数补到了上限之上，于是控制器又发出指令切除一组电容。电容切除后，功率因数又变得低于预设补偿的下限值。于是如此循环不已就形成了投切振荡。投切振荡很容易造成控制设备和电容器的损坏，必须予以避免。

经试验计算证明，采用适当的电容器分组方式、投切判断标志及考虑自然功率因数都是解决投切振荡的有效途径。另外，选用不同的控制方案以及采用运用软件程序设置标志性单元的方法来判断是否存在振荡性投切，都是很好的辅助手段。

（2）补偿电容器投切时的暂态过程问题。电力电容器作为一种储能元件，在其通断过程中存在暂态过程，严重影响了电容器的投切控制。一般情况下，电容器投切暂态过程引起的合闸涌流是相当大的，再加上已投入电容器的放电电流，投切装置的工作条件非常恶劣。另外，在电容器回路开断的暂态过程中，开断过电压也会对系统造成冲击，特别是在电容器残压存在时还会造成电压叠加、过电压成倍放大，从而发生设备事故。

一系列试验和大量实践结果证实，在补偿回路中加装匹配的限流电抗器和过电压吸收装置回路，可在一定程度上缓解投切暂态问题的存在。

（3）晶闸管投切的误触发问题。与有触点机械开关相比，晶闸管作为开关极大地提高了响应速度。晶闸管分组投切电容器组在理论上完全可以实现无过渡过程投切，但实际中仍存在着误触发问题。主要原因如下：①TSC产品设计强电与弱电于一体，它们之间必然存在一定的电磁干扰。在现场工作环境中，许多来自外界的干扰源(如谐波电压、浪涌电压、噪声辐射等)也可能存在。尤其在弱电控制回路中，各种干扰所造成的影响会更加明显。②电容器存在放电过程。不同电容器的放电特性导致电容残压的变化范围大；③当晶闸管与电容器电压瞬时值极性相同但幅值不等时，触发导通后存在过电压和过电流的过渡过程。若两者极性相反，则会产生无触发，造成设备损坏。

因此晶闸管投切的无触发问题必须引起足够122 巩庆：晶闸管投切电容器动态无功补偿技术及其应用V ol. 31 Supplement 2

的重视。目前，除采取微机优化控制、光耦过零触发等方法外，还可利用过零固态继电器(solid state relay，SSR)进行投切[20-21]。SSR具备零电压开通、零电流关断的特点，可充分保证投切电容器的精确性。同时，SSR将晶闸管及其触发电路和逻辑控制电路封装在一起，大大减小了装置体积，提高了TSC装置的可靠性。

（4）其它问题。如中高压系统中TSC系统的主回路绝缘要求以及晶闸管耐压水平问题，谐波在补偿系统中的抑制和治理问题以及在更复杂或特定算法的要求下，TSC设备响应速度偏慢或不能有效完成目标的问题等。通过选型特定的元件(如高压型晶闸管)以及应用数字信号处理(digital signal processing，DSP)[22]等新技术均可适当解决这些问题。

6 结论

TSC装置具备优良的动态无功补偿性能，具有广泛的适用性，可用于不同环境的各类工业生产、民用生活等各种供配电网络及系统。采用无功补偿技术可达到节能的目的，同时可以提高输配电容量、减少投资设备、改善电压质量、消除电压不平衡、支撑系统电压、抑制干扰等[23]。随着电力电子技术和微电子技术的进步，TSC技术会有更大的发展应用空间。

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收稿日期：2007-11-20。

作者简介：

巩庆(1984—)，男，大学本科，助理工程师，主要从事电力系统自动化方面的研究工作，E-mail：gongscottcn@yahoo.com.cn。

（编辑杜宁）