摘要：近年来，随着各种电力电子器件的广泛应用，注入电网的谐波污染日益严重，导致供电质量不断恶化，直接影响电能的利用率。提高电网的功率因数、减小线路损耗、节约能源以及增加经济效益是电力系统运行部门和电力用户面临的实际问题。无功补偿技术是保证电网安全稳定和经济运行的一种主要手段，也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。本论文从提高电能利用率的需求点出发，回顾了无功补偿技术的发展历程，简要介绍了传统无功补偿方式如同步调相机、固定补偿电容器、接触投切电容器等的特点和存在的问题，并结合我国电网建设的实情，浅析了国内无功补偿技术的发展现状，指出其当前发展的机遇和挑战，进而探讨了其发展趋势。主要研究了无功补偿装置对电网性能的改善，无功补偿装置的控制策略、原理等关键技术。采用晶闸管投切电容器，全数字化控制，全中文液晶显示，界面实时显示系统运行状况，完全实现了电容的快速、无弧、无冲击投切，具有优良的性能。从其原理、主接线方式、主要器件功能特点以及控制方法等方面对晶闸管投切电容器技术做了介绍。
关键字：无功补偿；晶闸管；投切；电容器
1 晶闸管投切电容器的基本原理
晶闸管投切电容器是利用单向晶闸管反并联或双相晶闸管构成的交流无触点开关将单组或多组电容器投入到电网上或从电网切除，其关键技术是投切电容器时，主回路无电流冲击。其原理示意图如图3-1所示，是晶闸管投切电容器的电压—电流特性。与晶闸管可控制电抗器中利用相控方式改变有效电感值不同，晶闸管投切电抗器采用整数半周控制，可根据电网对无功功率的需求改变投入电容器的容量，使晶闸管投切电容器成为分级可调的动态无功功率补偿装置。
图3-1 TSC原理示意图
由图3-1可知，电纳值可用投入运行的并联电容器的数目来调整。若K个电容器并联，每一个电容器都可以有晶闸管开关控制，则总电纳值等于每次取0、1、2、3…或K个电容器时的并联电纳值，所以总电纳是分级变化的。为了对对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好。给定并联电容器的并联组数K，且没有任何两种电容器的组合相同时，就可确定最大级数。在电力系统补偿器中，通常不追求这种灵活性，因为这样一来控制装置过于复杂，另一方面，使大多数导纳相等，一般来说要经济得多。所以考虑到系统的复杂性及经济性，一般用 个电容值为 的电容和电容值为 的电容组成 级的电容组数。
晶闸管投切电容器可以很好的补偿系统所需的无功功率，若果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。TSC实际上就是可有级调节的吸收容性无功功率的动态无功功率补偿器。TSC的控制原则是当判断出要投入一组电容器时，检测选择合适的投入时刻，使得投入时不会产生冲击电流。
2 晶闸管控制物理量的测量及算法
TSC无功补偿装置通过检测负荷侧无功电流幅值作为电力电容器的投切判据，其原理如下：
（1）相位差检测原理
这是一种常用的测量方法，只要测得电网电压的电流的过零时间差，即可求得功率因数角和相应的功率因数值。相位差采样由过零采样电路结合计算机定时来完成。当电压信号正向过零时，定时器停止计数。显然定时器数值不仅反映功率因数角的大小，而且还可以判断是欠补偿还是过补偿。
（2）无功电流的检测
这是一种瞬时检测方法。由上可知，只要测量在电压正向过零时刻的负载电流，就可得到无功电流幅值 。基于此原理的无功电流幅值检测原理电路见图3-12.来自电压互感器的电压信号 和电流互感器的电流信号 经过低通滤波器滤波后，由过零脉冲触发电路产生电压正向过零脉冲信号，作为采样保持器的采样开关，采样保持器的输出信号就是对应的无功电流的最大值 。控制算法根据所测得的无功电流，计算出需投切的电容器容量。这种检测方法的优点是简单、快速（在一个周期内只要采样一次）。
式中， 是任取两时刻的电角度差，就能把无功功率检测出来。对于谐波量大的场合，取若干组数据，结合数字滤波技术，就可把无功功率值既准确又快速地计算得到。
3 晶闸管控制物理量的选取及控制策略
依据电网与负载的不同需求和功能，静止无功补偿的控制归纳起来有3种基本结构，即开环控制、闭环控制和复合控制。开环控制能够快速地跟踪负荷的变化，但因缺少对输出量的反馈，不能准确维持无功功率的变化，动态补偿效果不佳。主要用在负荷附近和响应速度要求比较高的场合。闭环控制中因采用了积分环节，能够完成实时监控，但响应速度比较慢。复合控制系统是指将开环控制和闭环控制相结合，其中开环控制主要是使补偿器快速地跟踪负荷电流的变化，而闭环控制则是为了使负荷的功率因数维持在给定值。这种控制方式既能使补偿器快速地跟踪电流的变化，又能使负荷的功率因数维持在给定值。在实际工业生产中，负荷控制结构也是较为快速、精确的TSC补偿控制结构。
TSC的控制物理量有功率因数、无功功率、电压、无功电流及时间等。仅根据某一物理量进行控制有其不足。计算机作为控制元件，为实现多变量控制提供了可能性。比较合理的补偿应做到：最大限度地利用补偿设备提高电网的功率因数；不发生过补偿；无投切振荡；无冲击投切；反应灵敏、迅速。根据TSC控制系统各个变量的特性，可将控制目标分为按功率因数 来控制，按无功功率控制及综合控制。
论文作者:丁宝龙
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/20
标签：电容器论文; 晶闸管论文; 电流论文; 功率因数论文; 电网论文; 功率论文; 电压论文; 《防护工程》2017年第15期论文;