晶闸管相控并联电抗器（TCR）优化方案

1.TCR工作原理

采用晶闸管投、切电容器TSC可以补偿负载感性无功电流，但TSC输出的无功电流不能连续调控。为此，可采用一个能连续调控感性无功电流的晶闸管相控电抗器（Thyristor Phase Controlled Reactor，TCR）与TSC组合使用，如图5-7a所示。TSC从电网输入一个固定的容性电流I_C，TCR从电网输入一个可控的感性电流I_X，若I_X小于I_C，则两者相加成为一个连续可控的等效容性电流。

在图5-7a由晶闸管VT₁、VT₂和电抗器L组成的晶闸管相控电抗器TCR中，VT₁、VT₂按相控方式工作。图5-7b示出三相电路中的3个TCR电路。以A、B相间的TCR为例，如果v_AB=2V₂ sinωt，令VT₁的触发控制角为α₀，如图5-7c所示，在ωt=π/2+α=OA=α₀时刻A点触发VT₁，从ωt=OA开始VT₁导通，电感L流过的电流i由下式确定：

当ωt=α₀时i=0，故有

在图5-7c的AB期间，v_AB为正值，i上升，到B点ωt=π时电流达到最大值：

此后v_AB为负值，i减小，到C点ωt=2π-a₀时，i=0。正半周电流i的导电角度θ=2（π-α₀），从ωt=α₀的A点经过半个周期（π）后触发VT₂，VT₂在D点ωt=α₀+π被触发开通，初期DE期间v_AB为负值时i从零变负，v_AB为正值时，i又从负变为零，负半周电流导电角度θ也是2（π-α₀），从ωt=π+α₀的D点直到ωt=α₀+π+2（π-α₀）=3π-α₀的F点结束导电的电流负半波DF期间：

当ωt=2π时，有

交流电源直接对RL负载供电时，如图5-7d所示，电流i滞后电压v的相位角为φ，若经晶闸管相控供电，触发延迟角α₀≤φ时，图5-7d中在A点触发VT₁，由于α₀<φ，这时i为负值，i不能立即为零，故VT₁不可能开通，直到ωt=φ时i=0，才能开通VT₁，电流i为正弦波。纯电感负载的功率因数角φ=90°，所以要对电感电流进行相控，触发延迟角α₀必须大于90°，如图5-7c所示。当α₀≤φ=90°时，正方向接入电路的晶闸管VT₁并不能在触发延迟角α₀时开始正向导电而必须到ωt=90°时，负电流为零后，才能正方向导电。因此，α₀<φ时，TCR失去相控功能，等效为固定电抗X=ωL，如图5-7d所示，电流为宽度180°的正弦波，正反向并联的晶闸管VT₁、VT₂各180°导电。在图5-7c所示α₀>90°的情况下、在α₀≤ωt≤π的AB期间，电感L外加正电压v_AB，电流i从零上升。在B点ωt=π，电压v_AB=0，i达到最大值I_m。在BC期间，即在π<ωt≤（2π-α₀）期间，v_AB<0，电流i下降。ωt=2π-α₀时i下降为零。在AB期间电感存储磁能，在BC期间电感释放磁能。半个周期中VT₁导通持续的角度θ=2（π-α₀）<π。在电源电压负半周ωt=π+α₀时VT₂被触发导通，负电流i在E点ωt=2π、v_AB=0时达到最大负值，然后负值电流在F点降为零。VT₂在半个周期中导电角也是θ=2（π-α₀）<π。因此，图5-7b电路中晶闸管触发延迟角α₀的调控范围是90°～180°，电流正、负半波导电宽度角θ为θ=2（π-α₀）≤π（180°）。

图5-7 晶闸管相控电抗器TCR

由式（5-23）、式（5-25）和对图5-7c中的电流i作傅里叶分析可求得其基波和n次谐波电流有效值I₁、I_n为

电感L的等效基波电抗为

当α₀≤π/2（90°）时，电流为完整的正弦波，无谐波，I₁=I=V₂/ωL，导电角θ=π。当α₀从90°增大时，I₁减小，谐波电流I_n≠0。控制晶闸管的触发延迟角α₀，即可改变基波等效电抗X₁的大小，调控电抗器的基波无功电流I₁。

图5-7a中的TSC根据负载无功功率情况投入电网或从电网切除，TCR则实时地控制触发延迟角α₀的大小，连续地调控其基波感性无功电流，并与TSC支路的基波电容电流相加共同无级、连续地补偿负载的无功电流，使电网功率因数接近于1或调控无功补偿量使节点（负载）电压达到某指令值。请留意图5-7c中及式（5-23）～式（5-29）中的晶闸管触发延迟角α₀控制是从交流电源电压零点（v_AB=0）到开始触发晶闸管的A点的触发延迟角。如果定义触发延迟角α为从v_AB最大值（ωt=π/2时）到开始触发晶闸管的A点的触发延迟角，那么α与α₀的关系应是α₀=π/2+α，而导通角θ=2（π-α₀）=π-2α。因此式（5-27）～式（5-29）可改写为

式中，n=2k+1，k=1、3、5、7…，n=3、5、7、9、11、13…。

相控电感L的等效基波电抗为

等效基波电纳为

TCR从系统吸取的感性无功功率为

图5-7a中触发延迟角α=0时（α₀=π/2），晶闸管正负半波全导通，导电角θ=180°，基波电抗X₁=ωL，电导B₁=1/ωL，电感电流为正弦波电流I₁=V₂/ωL。

当α从0增大时（α₀从π/2增大），导电角θ减小，电抗X₁从ωL增大，电纳B₁从1/ωL减小，I₁=V₂B₁减小。α=90°时（α₀=π），导电角θ=0，晶闸管完全不导通，电抗X₁无限大，电纳B₁=0，I₁=0。

图5-8示出了不同触发延迟角α（θ=π-2α）时电抗器的基波电流I₁以及各次谐波电流I_n随α和晶闸管导通角θ的变化曲线。表5-1为TCR正常运行时不同导通角时最大谐波电流标幺值。

表5-1 TCR正常运行时各次谐波电流最大值与α、θ的关系

2.TCR电路类型(www.xing528.com)

晶闸管开关阻抗型无功补偿器SVC（包括晶闸管投、切并联电容器TSC和晶闸管相控电抗器TCR等）自1977年由美国通用电气公司（GE）和1978年美国西屋公司（Westinghouse等）研制并投入实际应用后，30年来世界各大电气公司都竞相研制，并推出了各具特点的系列产品，实际应用中都是将TCR与TSC并联组成可连续调控的无功补偿器。由于这种无功补偿装置不复杂，技术已成熟，且有较好的补偿效果，最近20多年来在全世界其市场一直迅速而稳定的增长。由于各国对节电节能的要求越来越迫切，这种无功补偿装置生产和应用今后还会迅速发展。

图5-8 TCR的基波电流和各次谐波与触发延迟角α、晶闸管导电角θ的关系

在中压和高压系统中TCR常用的电路结构形式与低压应用电路结构有所不同。

（1）用于高压电网的无功功率补偿

基本电路原理如图5-9所示。由于电网电压高，将变压器的一次绕组N₁接成星形。为了防止3倍频谐波电流（3次、9次）流入电网，将变压器二次绕组N₂接成三角形。三相三角形联结还可以对静止无功补偿装置的三相进行独立的不对称控制，使三相无功不对称的电网被补偿到三相无功平衡。

图5-9 高压电网用SVC原理电路

图5-10 工矿企业用中压SVC原理电路

（2）用于工况企业的无功功率补偿

基本电路如图5-10所示。无功补偿装置由变压器、空心电抗器L（见图5-10a）或代替两者的高阻抗变压器（见图5-10b）和晶闸管组成。图5-10b晶闸管控制的高阻抗变压器方案中，可利用变压器的漏抗ωLσ替代空心电抗，省去了外接电抗。为了抑制由相控阀产生的3倍频谐波，变压器一次绕组往往成三角形联结。对于三相不对称负载（如电弧炉），为了进行分相调节，一般将变压器二次绕组接成“开口”星形。对于三相对称变化的负载补偿（如扎机），二次绕组接成一般的星形或三角形。

变压器的二次电压直接决定了高压晶闸管的成本及运行效率。按照补偿要求的无功补偿容量，应根据可能选定的晶闸管额定电流值确定相控电抗器支路的额定电流，然后计算变压器二次电压及串联晶闸管数，力求使用的晶闸管数最少。如果晶闸管阀电压额定值能直接与电网电压相匹配，可省去降压变压器，从而降低设备成本，提高运行效率。

3.TCR的谐波削弱和抑制方法

图5-7c所示的TCR中电抗器电流波形，含有式（5-31）中的大量谐波。由于3次谐波在SVC的三角形变压器绕组中环流，不流入电网，所以从三相TCR流入电网的谐波电流的阶次为n=6k±1（k为正整数）。

为了削减、抑制TCR进入电网的谐波电流，通常也采用LC无源滤波器。但是LC无源滤波器的价格较高、重量体积大、占地面积大，且无源滤波特性不理想，容易在电力系统中引发谐振。要使整个滤波效果好、减小滤波装置投资及小型化，应尽量减小TCR型SVC中产生的谐波电流。常用的方法有如下两种：

（1）分组控制方式

这种方法是把TCR型SVC按容量分成N组等分的TCR，全部接在电网上，根据要求补偿的无功功率量来决定同时工作的TCR组数M（M≤N）及其触发延迟角。在投入工作的M组TCR中，除1组外，其他M-1组都运行在产生谐波最小的触发延迟角，即图5-7c及式（5-31）中的α=0或α₀=π/2，导通角θ=π（180°），仅调控余下的一组TCR的触发延迟角，使总无功功率与要求的无功功率相等，而使注入电网的谐波电流最小。

图5-11示出了由4个相同的TCR组成的无功功率补偿器。总的补偿电流i_L为i_L=i_L1+i_L2+i_L3+i_L4。通常根据需要补偿的电流的不同，这4个TCR中只有一个相控运行，其他的TCR要么全通i_L=I_m，要么完全阻断i_L=0。由于每个TCR的最大电流仅为总电流最大值的1/4，因此，4个TCR分组控制时的谐波电流要比只用一个4倍容量大的TCR相控时的谐波电流小得多，同时也减少了总的开关损耗。当需要100%的补偿电流时，4个TCR都全通，当需要75%～100%时，3个全通，相控一个；当要求补偿的i_L从75%的最大值减小时，逐次关断1、2、3组，由第4组TCR提供所需的小于25%的连续可控的补偿电流。

（2）TCR的多重化

图5-11 分组控制TCR原理

图5-12所示的12脉波TCR是TCR多重化的一个例子。图中，三相三绕组变压器一次绕组匝数为N₁，两个三相二次绕组分别接成星形和三角形，因此，两个三相二次绕组输出的线电压相差30°。若星形绕组匝数为N₂，三角形绕组匝数为3N₂，分别对TCR₂和TCR₁供电，则TCR₁、TCR₂六个支路的电压幅值相同，若两组三相TCR中6对双向可控晶闸管的触发延迟控制角α都相等，如果三相电源电压V_A、V_B、V_C对称，则两个TCR的电流为相差30°的六脉波电流、变压器一次绕组电流为12脉波电流，构成一个12脉波TCR。类似4.2.2节的分析得知：只有12k±1次（11、13、23、25…）次谐波电流注入电网，由于最低次谐波为11次且相对值已很小（参考表5-1，n=11时11次谐波电流最大相对值仅1.26%），易于采用无源LC滤波器或采用有源滤波器予以补偿或削弱。

类似于对图5-12两组相差π/6（30°）的TCR的分析，若将TCR分为3组，各组相位差20°，可构成18脉波TCR，谐波电流只有18k±1次能流入电网。若将TCR分为4组，各组相差15°，可构成24脉波TCR，这时只有24k±1次谐波电流流入电网，谐波数值也大为减小。这种多个三相电路组合的多重化相控技术削弱谐波策略与在本书第4章高压直流输电系统中，采用两个、三个、四个三相桥分别移相30°、20°、15°的多重化相控整流和有源逆变在原理上是类似的。

图5-12 12脉波TCR电路

4.混合型静止无功补偿器SVC的补偿特性

在图5-13a中FC为固定电容器，电容器电流I_C=ωCV。图5-13b中曲线①、②、③分别是一个TSC支路、二个TSC支路和三个TSC支路补偿时的电压-电流特性；④为TCR中晶闸管全导通（即图5-7c中触发延迟角α=0）时，I_L=V/ωL的电压电流特性；如果TCR中晶闸管完全阻断，即α=90°，X_L=∞，则I_L=0，这就是图5-13b中的曲线⑤；曲线⑥为TCR在0°<α<90°时的电压-电压特性。各曲线与水平电压线的交点就是该电压时TSC、TCR的工作点，如果负载感性无功电流很大，则应使所有的补偿电容，即n个TSC同时工作提供最大的容性补偿电流。

图5-13a中除晶闸管投切电容器TSC外，还采用了机械开关S投切电容器（又被称为固定电容FC，提供固定的补偿电流I_co）、TCR及无源滤波器L_h、C_h支路，对某次谐波电流谐振，例如对负载中的5次谐波电流谐振，L_h、C_h支路对5次电流谐波阻抗为零，负载中的5次谐波电流全部流入该支路，电网中不会有5次谐波电流，但对电网负载端的基波电压，该支路是容抗比感抗大25倍，因而该支路也是一个容性电流发生器，类似于一个固定电容器。如果电网负载很轻，输电线电容电流使电网节点电压升高到超过额定值，则应使所有的TSC全部退出工作，对TCR进行相控，增大电网感性无功电流（功率）把电网电压减小到额定值。表5-2是静止无功补偿系统SVC中各种装置的比较简表。

图5-13 混合型静止无功补偿

表5-2 静止补偿系统（SVC）各装置的比较