TSC动态无功补偿研究

摘要：随着我国经济的迅速发展，交流电弧炉等不平衡、冲击性工业用电设备日益增多，由此产生了功率因数低、三相电压和电流不平衡等诸多电能质量问题。TSC(Thyristor Switched Capacitor)又称晶闸管投切电容器，对综合解决上述电能质量问题有良好的效果，设计具有快速响应的、稳定性好的静止无功补偿器具有十分重要的意义。

关键词：TSC　三相不平衡　补偿

无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。提高系统稳定性和抑止系统电压波动及闪变已引起国内外学术界和工程界的高度关注，成为电工技术学科研究的热点问题之一。目前主要措施是采用无功补偿装置，具有快速响应的无功补偿装置可以起到稳定系统电压、改善系统的不平衡、提高负荷的功率因数等作用。

一、TSC基本原理

TSC的典型装置通常由两大部分组成：一部分为TSC主电路，它包括晶闸管阀、补偿电容器及阻尼电抗器：另一部分为TSC控制系统，主要由数据采集与检测、参数运算、投切控制，触发控制4个环节组成。晶闸管阀通常有2种接线方式：2个晶闸管反并联和1个晶闸管与1个二极管反并联。前者晶闸管阀承受最大反向电压高，为电源电压峰值，但投资较大，控制复杂：后者投资小，控制简单，但晶闸管阀承受最大反向电压高，为电源电压峰值的2倍，所以在选择使用哪种连接方式时，应根据技术、经济比较来确定。

二、TSC无功补偿主电路

1.星形有中线

这种接法优点在于，晶闸管电压定额降低，可以进行分相投切；但由于中线存在，对三倍次谐波无抑制作用，所以晶闸管电流定额增大，因此该接线方式适合系统电压波形畸变率很小且电网负荷三相不平衡的情况。为了限制涌流和抑制谐波，通常在中线上加装限流电抗器。

2.星形无中线

与星形有中线相比，该接线方式由于取消了中线，对三倍次谐波有抑制作用，对系统无污染：但需两相电容能形成回路，不能进行分相投切，因此，该方式不适合补偿电网负荷三相不平衡的情况。

3.角外接法

按照 一Y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对外电路所表现的特性都是一样的。实际中，多采用三角形接法。角外接法对三倍次谐波也有抑制作用：与角内接法相比，体积小，但不易控制，投切时暂态过程较长，适合于三相平衡负载。

4.角内接法

晶闸管处于电容器三角形的内部。该接法对系统无污染，相对另外3种接法，晶闸管电流定额小，只有相电流的58％，但晶闸管电压定额较大。当有较大不平衡负载时，三角形接法的电容器组也可令各相电容值不等，根据各相负荷大小作分相补偿。

三、控制系统

TSC的控制系统应能检测系统的相关变量，并能根据检测量的大小以及给定输入量的大小，产生相应的晶闸管触发脉冲，以调节补偿器吸收的无功功率。因此，其控制系统一般应包括3部分：检测、控制及触发部分。

1.系统变量的算法

1.1功率因数的计算

功率因数常常被选作控制目标，从检测到计算得出都很简单。只要测得电网电压和电流的过零时间差，即可求得功率因数角和相应的功率因数值。显然时间差不仅反映功率因数角的大小，而且还可以判断是欠补偿还是过补偿。还有一种比较简单的方法，即已知幅值的电流信号在电压信号过零两点间的积分。

1.2无功功率的计算

可通过计算无功电流间接得到，也可直接计算无功功率得到。相电压由正到负过零瞬间，相电流的瞬时值恰好就是该相无功电流的最大值。再经过计算，即得到所需无功功率。这种检测方法的优点是简单、快速。还有一种方法是任取两时刻的电压、电流作为一组数据。

2.控制目标的选取及控制策略

2.1功率因数控制

按照cosΦ2

2.2无功功率控制

根据所测得的系统参数，计算出应该投入的电容容量，在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一次到位。这种控制方式解决了投切振荡的问题，同时又能达到很好的补偿效果。

2.3综合控制

开环控制的优点是响应迅速，能快速地跟踪负荷的变化，但维持电压或功率因数等参数的功能不强。闭环控制中因采用了积分环节，响应速度比较慢，但优点是精度高。而复合控制系统将开环控制和闭环控制相结合，即可以使补偿器快速地跟踪负荷电流的变化，也可使负荷的功率因数维持在给定值。

3.触发时刻的选取

3.1过零触发电路

当电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管上电压为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投入指令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的平稳导通。当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才会在零电压时重新投入。

3.2反压触发

一般来讲，无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值，则在一个周期内，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。利用这一点，在晶闸管承受反压时，触发脉冲序列开始，这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态。

四、三相不平衡负荷补偿

当三相负荷的功率因数低时，需要进行无功补偿，需要将三相不对称的负荷变成对于供电系统来说是三相对称的负荷。供电点三相电压的不平衡是由于三相不平衡电流在输电线路上引起的电压降不同而产生的。三相不平衡电流可分解为正序分量、负序分量和零序分量。零序分量无法流入三角形或无中线星形连接的变压器绕组或电动机绕组。

五、结论

本文介绍了TSC动态无功补偿的方法，由于大多数SVC装置从控制方便和节约成本方面考虑都是针对三相对称负荷补偿设计的，动态无功补偿假设的前提是三相电压平衡，因此本文进一步深入探讨了三相电压不平衡时的动态无功补偿方法；作为后续研究的理论基础，要深入研究TSC动态无功补偿技术，里面所涉及的研究内容是相当丰富的，由于作者的水平限制，会有许多考虑不到的地方，希望以后的研究者结合实际多做些这方面的工作。

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