晶闸管控制电抗器（TCR）的作用与原理

基本的单相TCR（Thyristor Controlled Reactor）的原理结构如图5-1中A部分所示，它由固定电抗器（通常是铁心的）、两个反并联的晶闸管串联组成。由于目前晶闸管的耐压能力的限制，实际应用时，往往采用多个晶闸管串联接入中压电网或降压变压器二次侧使用，以满足需要的电压和容量要求。串联的晶闸管要求同时触发导通，而当电流过零时自动关断。图5-2为一个实际TCR装置的外观图。

图5-1 TCR的结构原理单线图

TCR正常工作时，在电压的每个正负半周的后1/4周波中，即从电压峰值到电压过零点的间隔内，触发晶闸管，此时承受正向电压的晶闸管将导通，使电抗器进入导通状态。一般用触发延时角（firing delay angle）α来表示晶闸管的触发瞬间，它是从电压最大峰值点到触发时刻的电角度，其决定了电抗器中电流有效值的大小。如前所述，电流的基波分量的幅值是α（σ）的函数，即

图5-2 ABB公司TCR阀体和电抗器的外观图

而TCR的基波等效电纳为

或

式中，U_m为TCR补偿母线电压的最大值；X_L为相控电抗器电抗值（Ω）。

因此，TCR的基波电纳连续可控，最小值为B_F，min=0（对应α=π/2），最大值为（对应α=0）。

TCR的运行特性可以用图5-3所示的电压-电流特性曲线来描述，它的边界由最大允许电压、最大允许电流和最大导纳构成，在正常运行区域内，TCR可以视作一个连续可调的电感。

图5-3 TCR的基频电压-电流特性曲线

由于TCR采用相控的方式工作，所以当触发延时角α≠0时，流过电抗器的电流将不是正弦信号。在理想情况下，通过傅里叶分析可以得到电流各次谐波分量的幅值与α的关系，即

基波和各次谐波的幅值随着α的变化曲线如图5-4所示，其中I₁对应基波电流幅值；以α=0时TCR流过最大基波电流I₁=1.0作为基准，为了将谐波成分表达更清楚，其幅值乘了10倍。

图5-4 TCR电流的基波和各次谐波的幅值与触发延时角的关系

可见，最主要的谐波是3、5、7、9、11和13次谐波，它们的最大值出现在不同的导通角，见表5-1。TCR在正常运行时会产生大量的特征谐波注入电网，因此必须采取措施将这些谐波消除或减弱，有以下几种方法。

表5-1 TCR正常运行时的最大特征谐波电流值

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1.六脉波TCR

在三相交流电力系统中，通常将三个单相TCR按照△联结方式连接起来，如图5-5所示，用六组触发脉冲来控制晶闸管的开通，故称为六脉波TCR。如果各相TCR参数一致，三相电压平衡，晶闸管在电压正半周期和负半周期的控制角相等，那么通过电抗器的电流除基波外，还包括如下奇次谐波：正序6n+1次（即1、7、13次等）、零序电流6n+3次（即3、9、15次等）、负序电流6n+5次（即5、11次等）。其中零序电流在接成三角形的电抗器内形成环流，不会进入电网。正序和负序电流流入电网，因此六脉波TCR的特征谐波为n=6k±1，k=1，2，3…。

实际系统中，电抗器不会完全相同，电压也不平衡，尤其当电抗器正负半周投切不对称时，电抗器电流将包含包括直流分量在内的所有频谱的谐波，直流分量可能使降压变压器饱和，增大谐波含量和损耗。

图5-5 六脉波晶闸管控制电抗器

2.十二脉波TCR

图5-6所示为十二脉波TCR电路结构，由两组参数相同的六脉波三角形联结TCR组成，通过变压器耦合起来，一组TCR接入变压器二次侧的三角形联结绕组（以下称第一组），另一组TCR接入变压器二次侧的星形联结绕组（以下称为第二组）。

图5-6 十二脉波晶闸管控制电抗器

设三相对称，电压比分别为k_Δ：1（二次侧）、k_Y：1，且，各TCR控制的触发延迟角α相同，下面以A相电流为例来分析变压器一次侧电流的n次谐波含量。已知，加在第一组a相TCR上的电压与加在第二组a相TCR上的电压的幅值相同，相位滞后30˚，由于各组TCR采用相同的触发延时角，则i_LabΔ与i_LabY形状相同，基波相位滞后30˚，n次谐波分量的相位滞后n×30˚；而i_aY各次谐波分量与i_LabY的各次谐波分量的关系为

i_aY，n=i_LabY，n-i_LcaY，n

从而一次电流为

当n=6（2k-1）±1，k=1，2，3…时，i₁，n=0，即消除了5、7、17、19等次谐波分量；又由于六脉波三角形联结TCR输出电流中不含3、9、15等次谐波，因此，十二脉波TCR的特征谐波为n=12k±1，k=1，2，3…。

采用更多脉波TCR来消除谐波的做法，会导致增加一套晶闸管阀及其控制装置，不仅结构复杂而且经济性也较差，所以很少见到使用。

TCR类似一个连续可调的电感，它只能吸收无功功率，因此通常利用加入固定电容器组（FC）为其提供偏置的方法，使其可以通过调节晶闸管的触发角，实现从容性到感性无功功率的平滑调节。实际应用中，电容器支路还通常串联一个适当的电感（4%～12%），使其起到限流和滤波器的作用。

3.晶闸管控制的高阻抗变压器（TCT）

TCT（Thyristor Controlled Transformer）是一种特殊类型的TCR，它利用高阻抗变压器替代电抗器与晶闸管串联构成，其结构如图5-7所示，其中高阻抗变压器的漏抗可取在33%～100%之间。用于高压电网时，高阻抗变压器一般采用星形-三角形联结，以降低绝缘要求；中低压电网中，则采用三角形-开口三角形联结，一次侧采用三角形联结能消除3次谐波，二次侧中性点分开，使每相负荷与另外两相独立，从而可以单独控制正序和负序电流，分相调节，补偿电弧炉等不平衡负荷。

这种装置实际上是将常规TCR中的耦合变压器和电抗器合二为一，其基本工作原理和TCR相同，同样需要固定的电容支路提供容性无功功率并兼作滤波器。由于高阻抗变压器二次电压可以取得较低（如1000V左右），在单个晶闸管器件的工作电压以内，或串联器件数量少，使得主电路和门极电路的绝缘均变得简单，安装容易；再加上可以根据需要尽可能充分利用器件的电压和电流容量，所以造价低于同容量的TCR。这些原因使得TCT在中小型（40～50Mvar以下）的SVC中得到了相当广泛的应用，在日本采用此类结构的SVC占到总数的一半以上。作为其变形，也可以将变压器和电抗器分离，以降低制造成本。

图5-7 晶闸管控制的高阻抗变压器

当容量进一步增大时，由于变压器二次电流增大，使得其经济性变差，再加上大电流引起的干扰和损耗问题，所以变得不再适用。