探讨晶闸管投切电容器（TSC）的作用

固定并联电容补偿方式是一种得到最大规模应用的无功功率补偿方式，其优点在于造价低、运行和维护简单、运行可靠性较高；但是，由于无法随负荷无功功率的变化而变化，难以满足变电所功率因数指标要求，甚至出现过补偿等负面影响。而利用断路器或接触器投切的电容器装置虽然具有结构简单、控制方便、性能稳定和成本低廉等优点，但是响应速度慢、不能频繁投切，特别是接入时会产生很大的涌流，因此主要应用于性能要求不高的场合。为了满足提高负荷功率因数的要求，同时克服上述缺点，采用晶闸管作为开关的TSC得到了越来越多的关注，特别是在低压（380V）场合，更得到广泛的应用。单相TSC的原理结构如图5-8a所示，它由电容器、双向导通晶闸管（或一对反并联的晶闸管）和阻抗值很小的限流电抗器组成。限流电抗器的主要作用是，限制晶闸管阀由于误操作引起的浪涌电流，以及避免与交流系统电抗在某些特定频率上发生谐振。

图5-8 TSC的原理结构和工作波形

a）原理结构 b）工作波形

TSC有两个工作状态，即“投入”和“断开”状态。“投入”状态下，双向晶闸管（或反并联晶闸管之一）导通，电容（组）被接入系统，TSC发出容性无功功率；“断开”状态下，双向晶闸管（或反并联晶闸管均）关断，TSC支路不起作用，不输出无功功率。

当TSC支路投入运行并进入稳态时，假设母线电压是标准的正弦信号，即

u_s（t）=U_msin（ωt+α） （5-7）

忽略晶闸管的导通压降和损耗，认为是一个理想开关，则稳态时TSC支路的电流为

式中，，为LC电路自然频率与工频之比；X_C=ωC；X_L=ωL。

电容上基频电压的幅值为

当电容电流过零时，晶闸管自然关断，TSC支路被“断开”，此时电容上的电压达到极值，即U_C，i=0=±n²U_m（n²-1）（其中+对应电容电流由正变为零时晶闸管自然关断的情况，-对应电容电流由负变为零时晶闸管自然关断的情况）。此后，如果忽略电容的漏电损耗，则其上的电压将维持极值不变，而晶闸管承受的电压在（近似）零和交流电压峰-峰值之间变化，如图5-8b所示。

实际上，当TSC支路被断开后，为了安全起见，或者由于电容的漏电效应，电容上的电压将不能维持其极值，当再次投入时，电容上的残留电压将为0（称为完全放电）到±n²U_m（n²-1）之间的某个值（称为部分放电），从而对控制造成困难。

这里对TSC投入时的涌流作一个详细的分析。设母线电压是标准的正弦信号u_s（t）=U_msin（ωt+α），投入时电容上的残压为U_C0，忽略晶闸管的导通压降和损耗，认为是一个理想开关，在忽略电容器与晶闸管有功损耗的条件下，用拉氏变换表示的TSC支路电压方程^[1]为

式中，U（s）、I（s）分别为端电压和支路电流的拉氏变换。以晶闸管首次被触发（即投入TSC）的时刻作为计算时间的起点，对应的电压波形中的角度是α，经过简单的变换处理及逆变换后，可以得到电容器上的瞬时电流为

式中，，是电路的自然频率；B_C=ωC，是电容器的基波电纳；I_1m=U_mB_Cn²（n²-1），是电流基波分量的幅值。(www.xing528.com)

式（5-11）右侧的后两项代表预期的电流振荡分量，其频率为自然频率。实际中由于电路中存在不可避免的有功损耗，所以该两项将随时间增大而衰减。从式（5-11）可以看到，如果希望投入TSC支路时完全没有过渡过程，即后边两项振荡分量为零，必须同时满足以下两个条件：

1）自然换相条件：cosα=0（即sinα=±1） （5-12）

2）零电压切换条件： (5-13)

实际上，条件1，即在系统电压最大值时触发晶闸管，是自然换相条件；因为流过电容的电流超前其两端电压（即系统电压）90°，所以在系统电压峰值时流经电容的电流为零；而作为依赖电流过零自然关断的半控器件，晶闸管的无电流冲击换相点应为系统电压峰值点。而条件2，即投入时电容器应已预充电到U_mn²/（n²-1），是零电压切换条件；此时由于开通前后晶闸管两端电压均为零，所以其开通过程将不会在电路中引起由于电压突变导致的过渡过程。为了同时满足上述条件，厂家多采用了假定电容两端电压已预充电到系统峰值电压，从而在电源电压峰值时开通晶闸管以投入电容器组的方法，如图5-9所示。

图5-9 电容电压等于系统电压峰值时投入TSC

1.无暂态过程的TSC投切时机

在实践中，通常控制器设计在电流过零点（即α=0）时触发晶闸管，将电容投入。问题是电容器一旦被切除后会不可避免地发生放电而导致电容电压下降，因此除非每次（包括首次）投入之前均将电容充电到电源电压的峰值，在间断运行中将很难保证上述条件。

实践中另外一种做法是假定每次投入之前电容器均经过充分放电，其两端电压为零。此时就可以在系统电压过零点（即触发延时角α=-90°）时开通晶闸管，使电容器接入。此时由于U_C0=0，sinα=0，故代表的零电压切换条件可以得到满足；但自然换相条件不能得到满足，其中振荡分量的第一项为零，只有第二项可能引起振荡，振荡的最大值是正常情况下的两倍。为了说明这一点，将描述电容中电流的（5-11）式改写为

显然仅在首次投切（即t=0）时，可以保证流经晶闸管和与之串联的电容中的电流为零；但此后的投切过程中，由于电容（即晶闸管）中的基频电流在系统电压过零时，晶闸管中的电流正达到其峰值，不能自然关断，如图5-10所示。由此可见，采用电压过零点投切的电容方式实际上只能应用于首次投切；其后的运行中，两个晶闸管实际上仍应在系统电压峰值时进行自然换相。为了可靠起见，实践中往往采用提供连续脉冲的形式使晶闸管工作于二极管模式。但这种方式由于电容器一旦从系统中切除，必须等到电压下降到零以后才能够再次投入；而根据国家标准，电容所附带的放电电路需要3～10min对电容上的电压进行放电，所以限制了其再次投入的时间。

图5-10 电容充分放电、无残压情况

2.晶闸管端电压为零作为TSC投入时机

以晶闸管两端电压为零作为电容器投入的条件，即在系统电压和电容两端电压相等时进行投入。对于首次投切而言，由于此时电容电压为零，系统电压为零的时刻为t=kπ（k=0、±1、±2…），此时根据式（5-14）可知，相应的电流同样为零，即没有冲击。而一旦晶闸管（如图5-8a中的VT₁）开通，电容电压将跟随系统电压而变化，所以将始终满足零电压切换条件（触发条件2）；在电源电压达到正峰值时，此时晶闸管VT₁自然关断，同时电容器已被充到电源电压的正峰值，VT₂处于正向偏置，实现无过渡过程的自然换相。这种方法中，TSC的晶闸管一旦导通就将始终满足零电压切换条件，所以最简单且可靠的做法就是提供连续脉冲来实现自然换相。该方法由于取消了必须在电容电压为零时进行投切的条件，所以实际上可以在短时间内进行反复投切。

综上所述，为使TSC电路的过渡过程最短，应在输入的交流电压与电容上的残留电压相等，即晶闸管两端的电压为零时将其首次触发导通，具体而言：①当电容上的正向（反向）残压小于（大于）输入交流电压的峰（谷）值时，在输入电压等于电容上的残压时导通晶闸管，可使得过渡过程最短；②当电容上的正向（反向）残压大于（小于）输入交流电压的峰（谷）值时，在输入电压达到峰（谷）值时，导通晶闸管，可直接进入稳态运行。

采用TSC时一个值得注意的问题是，由于晶闸管关断时刻对应于系统电压峰值，所以关断后电容的残压将是系统电压峰值，换句话说，晶闸管上承受的最大电压将是系统电压峰值的两倍，所以在设计时TSC晶闸管阀体的耐压应按同等电压条件下TCR阀体耐压的两倍来选取，以保证安全运行。再加上TSC仅能对无功功率进行阶梯状调节，以及实际应用中要求每次电容投切所引起的系统电压波动不应超过标称值的5%～6%，所以往往采用多组TSC并联根据需要进行投切的方式。导致其经济性并不理想。因此除了在特定的场合，如电气化铁路重负荷低密度列车供电系统的无功补偿和低压补偿，以及与TCR混合使用外，TSC应用较少。