浅析晶闸管投切电容器动态无功补偿技术
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摘 要：该文对晶闸管投切电容器技术进行了探讨。提出了该系统的分类，重点对TSC系统的主电路和检测及控制系统进行了介绍，并对该技术的不足进行了探讨，指出了目前的研究动向。
关键词：晶闸管投切电容器 控制系统 检测系统
中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（c）-00-02
随着电力系统的发展和技术进步，电能质量问题日益得到重视，许多新技术设备应运而生。目前，为了减少损耗以及调整电压，提高系统的功率因数，在各级变电站里广泛使用了新型电容器组进行系统的无功补偿，这些电容器组的正常运行对降低线损和提高电能质量起着重要作用。晶闸管投切电容器就是其中的一种，于近年来得到了较大发展。晶闸管投切电容器具有无功功率补偿性能的优良动态，适合经常有波动性负荷和冲击性负荷的电网。与机械投切电容器相比，晶闸管作为电容器的投切开关克服了采用机械开关触头易受电弧作用而损坏的缺点，可频繁投切，且投切时刻可精确控制。晶闸管投切电容器的上述优良的动态性能，促使其近年发展迅猛，该文对该技术的现状及最新发展动向进行了介绍。
1 晶闸管投切电容器的分类
晶闸管投切电容器（thyristor switched capacitor，简称TSC）是利用晶闸管作为无触点开关的无功补偿装置，它根据晶闸管具有精确的过程，迅速并平稳的切割电容器，与机械投切电容器相比，晶闸管具有操作寿命长，开、关无触点，抗机械应力能力强和动态开关特性优越等优点。晶闸管的投切时刻可以精确控制，能迅速的将电容器接入电网，有力的减少了投切时的冲击电流的优点。TSC可按电压等级或按应用范围划分。按电压等级划分为：低压补偿方式和高压补偿方式。低压补偿方式适用于1 kV及以下电压的补偿，高压补偿方式（即补偿系统直接接入电网进行高压补偿）则对6～35 kV电压进行补偿。TSC按应用范围划分为：负荷补偿方式和集中补偿方式。负补偿方式是直接对某一负荷进行针对性动态补偿以消除对电网的无功冲击，集中补偿方式是对电网供电采取系统的补偿，以解决整个电网无功功率波动的问题。
2 TSC的主电路
目前，TSC只有两个工作状态：投入和切除状态。在投入状态下，双向晶闸管导通，电容器并入线路中，TSC向系统发出容性无功功率；切除状态下，双向晶闸管（或反向并联晶闸管）阻断，TSC的支路并不起到任何作用，不输出无功功率。TSC主电路设计除了满足分级快速补偿要求外，还应考虑限制并联电容器组的合闸涌流和抑制高次谐波等问题。TSC的关键技术是如何保证电流无冲击，常见的接线方式有两种：晶闸管与二极管反并联接线方式和晶闸管反并联接线方式。在TSC系统中，晶闸管反并联方式是促使两个晶闸管轮流触发，接通和断开补偿回路。晶闸管反并联方式的可靠性非常高，即使是某项损坏了一个晶闸管，也不会导致电容器投入失效或错误。晶闸管和二极管反并联方式与晶闸管反并联方式相比之下，速率较差，但经济且操作简便。晶闸管阀承受的最大反相电压对于晶闸管反并联方式是将电容器上的残压放掉时的电源电压的峰值，晶闸管和二极管反并联方式是电源电压峰值的2倍。TSC系统中，为了限制因晶闸管误触发或事故情况下引起的合闸涌流，主电路中须安装串联电抗器，以抑制高次谐波和限制短路电流。而串联电抗器后，电容器端的电压会升高，所以额定电压应选择电容器高于电网的。电抗器的类型有空芯电抗器和铁芯电抗器两种，其中，而铁芯电抗器限流效果较差，但造价低，空芯电抗器的限流效果很好，但造价也很高。所以选择时，应通过经济、技术等方面比较来确定。TSC主回路接线方式根据晶闸管阀和电容器的连接可分为三相控制的三角形接法、星形接法和其他组合接法。其中三角形与星形的组合接法既综合了前两种接法的优势，也可提升补偿装置的运行质量，因此更为常用。根据电容器电压不能突变的特性，TSC系统投切当电网电压和电容器残压相差较大的时候，则很容易产生冲击电流。当冲击电流与正常稳定电流之比小于1.7倍时，可以认为冲击电流对晶闸管和电容器的使用无影响。投切停止后，电容器上有电网峰值电压，晶闸管在电网电压和电容器直流电压的双重作用下，存在过零电压，过零点触发晶闸管是理想状态，不会产生冲击电流。
3 TSC的检测系统和控制系统
TSC的检测系统用于检测电网与负载系统的相关变量，包括相位采样部分、电压与电流有效值测算部分、待补无功量与无功功率计算部分等。目前比较先进的技术则是利用微机同步相位控制技术和自适应晶闸管触发技术进行检测。当检测到电容器两端电压与电网电压大小等同，极致一样时，瞬时投入电容器，电流过零时晶闸管会自然断开，无需对电容器预先充电，也无需加装限流电抗器及专门的放电电阻，则可随时实现无投切电容器。依据电网与负载的不同功能和需求，TSC的控制系统可分为开环控制、闭环控制和复合控制三种。控制物理变量包括电流、无功功率、电网电压、全周期时间、功率因数角和相位差角等。根据电信号参数，对电信号变量分析处理，在电容组合方式中选出最接近且不会过补偿的组合方式，对无功功率进行实时补偿。由控制系统发出投切指令，当补偿系统所需容量不小于最小一组电容器容量时，可快速、平稳、高效地对设备进行补偿。
4 晶闸管投切电容器的研究动向
目前，采用TSC装置的缺点是：①补偿电容器的投切可靠性低，容易引发谐振；②功率损耗过大；③电容器过电压；④装置的制造成本增加、复杂程度提高及故障率大等；⑤晶闸管投切具有误触发等问题。但由于TSC具有动态无功功率补偿的优良性能，近年来该技术还是在低压配电网中得到很好的广泛应用。而针对TSC使用中的问题，国内外学者进行了相应的研究，研究内容主要针对以下方面：（1）寻找无功参量的快速检测及控制新方法；（2）研制兼具补偿无功和抑制谐波的多功能产品，控制振荡问题；（3）探寻高压系统中的TSC 技术；（4）提高TSC 产品可靠性，并降低其成本等。
5 结语
该文对TSC技术进行了探讨，重点对TSC系统的主电路和检测及控制系统进行了介绍，并对该技术的不足进行了探讨，指出了目前的研究动向。TSC装置具有优良的动态无功功率补偿性能，特别适合于具有经常冲击性负荷和波动性负荷的场所。随着微电子技术和电力电子技术的进步，TSC 技术将会有更大的发展应用空间。
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