晶闸管投切并联电容器优化方案

1.晶闸管投、切并联电容器TSC的工作原理

采用电力电子开关与电容、电感组合可以构成静止型无功功率补偿器SVC（Static Var Compensators）。晶闸管投、切并联电容器TSC是众多不同类型的静止型无功功率补偿器SVC中比较简单、使用广泛的一种静止型无功功率补偿器SVC。

在图5-3a中，在负载处，经双向晶闸管开关接入一个电容器，电容器的容抗为X_C=1/2πfC，电网流入电容C的容性电流I_C超前电压V₂90°。从电容器流入到电网的电流-I·_C滞后V₂90，即电容C向电网输出感性滞后无功电流-I·_C。如果选取C的大小使-I·_C的绝对值等于负载感性无功电流I_Q，即

I_C=V₂/X_C=2πfCV₂=I_Q=Isinφ_L，则C=Isinφ_L/2πfV₂ （5-20）

图5-3 晶闸管投切电容器TSC原理图

这时负载的感性无功电流I·_Q将被电容器C输出的感性无功电流所补偿，，于是电容器和感性负载并联后的等效负载就只有有功电流，等效负载的功率因数为1，发电机、变压器、线路就只流过有功电流IP，只传送负载的有功功率P，减少了功率损耗，减小了发热、温升，使发电机、变压器、线路可以发送更大的有功功率。

电容器向电网输出滞后于电压90°的感性无功电流（-I·_C），电容器相当于一个滞后无功电流源、滞后无功功率（V₂I_C）发生器。晶闸管投、切并联电容器TSC所能补偿的滞后无功功率大小由电容C的大小和电网交流电压的大小决定。负载无功功率的大小是随时变化的，设置一个或两个固定值电容器不可能任何时候都恰如其分地满足需要。因此设置多个容量适当的TSC，根据实际负载无功的情况进行分级投、切，才有可能得到较好的补偿效果。

当负载电流是感性电流I_Q时，比小I_QX_L，如图5-3c所示。如果负载电流是容性电流I·_C，比大I_CX_L，如图5-3d所示。所以感性负载电流流过变压器和线路电抗时会使负载端电压下降，而容性负载电流流过变压器和线路电抗时则会使负载端电压V·₂上升。

2.晶闸管投、切电容器（TSC）的投、切控制

图5-4a中电容器投入时刻控制原则是：TSC投入电容的时刻，也就是晶闸管开通电路的时刻，也必须是电网电压瞬时值v_s与电容器预充电电压V_C相等的时刻。否则电容上的电压v_C有阶跃变化时，将产生一个冲击电流i（电容上的电荷Q=Cv_C，电流i=Cdv_C/dt），很可能损坏晶闸管或给电源带来不利影响。通常希望电容预充电电压为电网电压峰值V_M，而且将晶闸管的触发电流I_G的相位也固定在电网电压的峰值点，如图5-4b中的G点，这时在导通前电容器充电电压等于电网电压峰值，在电网电压峰值点投入电容时，由于在这一点电压的变化率为零，因此电流i_C=Cdv_C/dt为零，随后电压就按正弦规律变化，电流i_C按正弦规律变化。整个投入过程中电流没有阶跃变化。但是，在工程实际中，电容投入时由于电网电压波动、电容器初始电压又难以维持为定值V_M等原因，使得实际投入过程要做到无过渡过程是困难的。在实际工程中也常采用在电网电压瞬时值接近电容电压时投入电容C以减小过渡过程中的暂态电流分量。若将电流的暂态分量幅值与稳态分量幅值之比值定义为电流过冲击系数k_i，工程实际中按照上述原则投入时，k_i的值应被限制在1以下。

图5-4 无过渡过程理想投入TSC的电流波形

实际应用中如图5-4所示，常在TSC电路中串联一个小电感L（X_L=ωL<<X_C=1/ωC）以减少晶闸管被触发开通的瞬间电源电压瞬时值与电容器上残留电压不相等时引起的电流冲击，使t=0瞬间电流的变化率di/dt=（v_s-V_C0）/L受到限制。此外还应设置抗干扰措施防止晶闸管在v_s≠V_C0情况下被误触发，在实际装置中还应配置有氧化锌等过电压保护器件，防止过电压损坏电容器。

电容器组的切除很容易，只要封锁晶闸管的触发信号，晶闸管在电路中交流电流随后过零时即自动关断，相应的电容器就被切除。(www.xing528.com)

如果在电源电压瞬时值为最大瞬间（在图5-4b的G点）开通晶闸管，投入电容C，而且这时电容器残留电压V_C0=V_m，则电容投入过程将无暂态电流分量，从t=0开始就只有稳态电流分量，即

完全实现这种理想的无暂态过程的TSC投入实际运行中较为困难，因为每当要投入TSC时都必须由充电装置将电容C的初始电压V_co充电到电源电压的峰值V_m，然后在电源电压v_s达到峰值准确无误的开通晶闸管。

图5-5示出了一种晶闸管触发和TSC投、切控制电路原理。霍尔传感器LEM检测晶闸管端电压V_T=v_s-V_C0，当v_s（t）=V_C0、晶闸管两端电压V_T=0时，限幅和电平转换电路输出检测信号给霍尔传感器LEM。LEM经电压过零触发器输出过零信号，过零信号受投切指令信号控制后将晶闸管开通脉冲经高频调制和功率放大后输出晶闸管脉冲列触发信号，开通VT₁、VT₂。

图5-5 晶闸管触发和投、切电路原理

3.多个TSC组合电路

图5-6a是中、高压晶闸管投切电容（TSC）型静止无功补偿器（SVC）的原理电路。它由降压变压器、电容器（分为若干小组）、晶闸管阀（与电容器相应的分为若干小组）和控制系统组成。反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，串联的小电感L_O用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。根据电网无功功率补偿的需求投、切电容器组的组数，图中的TSC型SVC就成为分段可调的提供容性无功功率的无功补偿器，其电压-电流特性按照投入电容器组数的不同可为图5-6b中的某一直线。电网输入TSC的容性无功电流I_C=V/X_C=2πfCV，I_C随V线性增大，C越大I_C越大。

图5-6 中压、高压TSC型SVC电路

图5-6中提供容性无功补偿的电容器也可用机械开关（如接触器）投切，称之为机械开关投切电容器MSC。MSC的投切时间比TSC长得多，投切过程中，机械开关的触头受电弧作用易损坏，寿命较短，不适于频繁投切。低压晶闸管价格较低，所以380/220V低压系统一般都只采用TSC。10kV以上系统投、切电容不频繁，而高压TSC价格较高，一般尽量采用固定电容FC或机械投、切电容器MSC，仅在需要深度快速改变补偿量时才采用TSC。

TSC型SVC中晶闸管在运行中要么全接通，要么断开电容C，而不相控，所以不产生谐波，这是其优点。但是无功补偿量不可能连续调控，且响应速度不如相控快，这是其缺点。

图5-6a中电容器分组的具体方法比较灵活，当然希望能组合产生的电容补偿的级数多一些，但是综合考虑到系统复杂性以及经济性的问题，常采用所谓二进制的方案，即各电容组的电容分别为C、2C、4C…。如果组数为k，例如k=3，共三组，则可得到0、C、2C、3C、4C、5C、6C、7C共8种电容值，即共2 ^k=2³=8种，电容值调控量相差7倍。另一种方案是K组中一组电容为C，其他各组都是2C，这时若k=3，则C、2C、2C三组组合共得到2K=6种电容值：0、C、2C、3C、4C、5C，电容值调控量相差5倍。这种方法调控量较小，但调控电容值时投、切电容较简单。