摘要：晶闸管投切电容器（TSC）是静止无功补偿技术的发展方向。根据笔者设计的一种TSC无功补偿装置，分析了TSC装置常用的主电路的特点，介绍了电容器投切判据与信号检测、零电压投入以及晶闸管触发电路等关键问题的解决方案。
关键词：无功补偿晶闸管TSC零电压触发　　DESIGNONATSCREACTIVEPOWERCOMPENSATIONDEVICE　　Abstract:Thyristorswitchedcapactor（TSC）isanewdirectionofthestaticvarcompensator（SVC）technology.BasingonadesignprojectforTSCreactivepowercompensationdevice,thecharacteristicsofitsvariousmaincircuitsareanalysed.SomekeyproblemsondevelopingTSCdeviceareintroduced,i.e.thecriterionofswitchedcapactor,thedatadetectionmethod,zero-voltageswitching-on,andthetriggeringcircuitforthyristors.　　keywords:reactivepowercompensation；thyristor；thyristorswitchedcapactor；zero-voltagetriggering　　1引言　　静止无功补偿装置（SVC）是配电网中控制无功功率的装置，它根据无功功率的需求，对无功器件（电容器和电抗器）进行投切或调节。传统的无功补偿装置采用机械开关（接触器或断路器）投切电容器，开关触头易受电弧作用而损坏。据调查，我国过去使用的自动投切电容器无功补偿装置在使用3年后损坏率达75％^[1]。随着电力电子技术的迅速发展，晶闸管开始用于SVC装置中，出现了晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）这两种基本结构型式的SVC。　　使用晶闸管作为电容器的投切开关，其最大优点是可以频繁投切。因此，TSC正在成为电容器无功补偿装置的更新换代产品。TSC装置的关键问题是如何对作为电容器投切开关的晶闸管进行控制，以保证整套装置的安全可靠工作和达到优良的无功补偿效果。　　笔者设计了一种TSC无功补偿装置。以下着重介绍设计方案中主电路选择、信号检测、投切判据、零电压投切、晶闸管触发电路等TSC装置的关键技术问题。　　2主电路的选择　　TSC无功补偿装置由若干组电容器构成，电容器组常用的主电路方案如图1所示。　　
图1TSC无功补偿装置的主电路图　　图1a~1d方案为三角形接线，其中图1a、1b中的电容器为单相电容器；图1c、1d中的电容器为三相电容器（内部已接成三角形）。　　图1a方案中的无触点投切开关由两只反并联的晶闸管构成（可选用双向晶闸管）。当晶闸管为正向电压，且门极上有触发信号时，晶闸管导通，电容器投入；当去掉触发脉冲信号后，电流过零时，晶闸管截止，电容器从电网上切除。所以，刚切除时电容器上的电压（称为残压）为电网电压幅值（或正或负）。　　图1b方案采用二极管代替部分晶闸管，从而降低装置的成本。当电容器刚切除时，其残压为电网电压幅值（正值）。这种方案的响应速度不如图1a方案。其原因是^[2]：在切除电容器时，从切除指令的输出到第一个电力电子器件截止，方案1a在半个周波内完成，即不大于10ms；方案1b则由于二极管的不可控性，通常要大于半个周波才能被切除，但切除时间一般不会超过一个周波，即不大于20ms。　　图1d方案干脆省掉了一相的晶闸管，同样可以控制三相电容器的投切。　　图1e方案和图1f方案为Y形接线，可用于三相负荷不平衡的电路中作为分相补偿。　　笔者设计的TSC无功补偿装置采用图1a方案。晶闸管电压值U_SCR的选择要考虑电力电容器上的充电电压，可按式（1）选择：　　（1）　　式中　k₁为电压裕度，取1.1；k₂为电网电压波动系数，取1.1；U为电网额定电压。　　晶闸管电流值I_SCR可按式（2）选择：　　I_SCR=2.54πfCU×10^－6（2）　　式中f为50Hz，C为电容（微法）。　　
图2电容器补偿的系统示意图　　3投切判据与信号检测　　笔者设计的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。基原理如下：　　图2是电容器无功补偿系统示意图。设节点电压为　　（3）　　（4）负荷电流为　　即　　（5）　　其中，i_p(t)和i_q(t)分别为有功电流分量和无功电流分量。当ωt=2kπ时　　（6）　　可见，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I_QM。这种无功电流检测方法简单、快速（在一个周期内只要采样一次）。　　
图3无功电流幅值检测原理电路框图　　基于上述原理的无功电流幅值检测原理电路框图如图3所示。来自电压互感器的电压信号u和电流互感器的电流信号i经过低通滤波器（LPF）滤波后由过零脉冲发生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信号，于是采样保持器的输出就是无功电流幅值。　　由图2可知，i_l=i_c i_s，如果使i_q=i_c，则实现了完全补偿。由　　（7）　　（8）　　可得　　（9）　　△C即为全补偿所需投切的电容量。若△C为负，则是切除相应容量的电容器；反之，则应投入相应容量的电容器。　　4零电压投入问题　　在电容器切除后重新投入时，若晶闸管导通（电容器接入电网）时的电网电压与电容器残压相差较大，就会由于电容器上的电压不能突变，而产生很大的电流冲击（合闸涌流），这一冲击很可能损坏晶闸管，或给电网带来高频冲击。为了使电容器投入时不引起涌流冲击，必须选准晶闸管触发的理想时刻，即保证晶闸管导通时电网电压与电容器残压大小相等、极性一致，这就要预先测知电容器残压，但这通常不太容易做到。为解决这一问题，可考虑以下方案：　　（1）加放电电阻。每次切除电容器后，通过专门的放电电阻对电容器放电，使电容器残压接近为零，晶闸管在电网电压过零时投入。这一方案要增加无功补偿装置的成本，并且电容器切除后自动接入放电电阻的电路也较复杂。　　（2）电容器预充电。投入电容器之前对其预充电，充电到电网电压的峰值，在电网电压峰值时触发晶闸管。这种方法将使主电路变得很复杂，并且延长了电容器的投入时间。　　（3）主电路采用晶闸管与二极管反并联方式。如图1b所示方案中，电容器投入前其电压总是维持在电网电压的峰值，一旦电容器电压比电网电压峰值有所降低，二极管都会将其电压充电至电网峰值电压。只要在电网电压峰值时触发晶闸管，就可避免电流冲击。　　
图4零电压触发原理框图　　（4）检测晶闸管两端电压的零电压触发方式^[3]。由于电容器残压的不确定性，晶闸管上的电压是一个不能根据电网电压计算的值，但可通过检测晶闸管两端（阳极和阴极）的电压来确定电网电压与电容器残压是否相等。当检测到晶闸管两端电压相等（电压差为零）时，触发晶闸管。其原理电路原理框图如图4所示。　　图4中，晶闸管两端电压经电阻降压送到光电耦合器，当交流电压瞬时值与电容器残压相等时晶闸管上电压为零，零电压检测电路输出一个脉冲，该脉冲与TSC投入指令相“与”后启动触发电路，去触发相应的晶闸管。　　5晶闸管触发电路　　TSC无功补偿装置的控制系统由80C196KB单片机、信号检测电路、晶闸管触发电路、以及其人机接口电路等部分组成。图5是触发电路的原理框图。　　图5触发电路的原理框图　　同步脉冲形成电路的作用是消除电网频率不稳定造成的触发误差。如果在单片机中以工频周期20ms作为产生触发脉冲信号的时间基准，由于电网频率不稳定，将会产生触发误差。同步脉冲形成电路能保证使晶闸管触发脉冲信号与电网工频信号同步。如图5所示，电网工频电压信号经锁相环锁相后再次形成50Hz工频信号，然后进行过零比较，整形输出，送入单片机HSI.0端口，输出的控制信号为HS0.0端口在软件定时控制下产生与电源同步的可移相的脉冲信号，此脉冲信号与单片机的P1.0～5端口输出的信号组合后，经脉冲变压器驱动，最后分别送给主电路中6个晶闸管的门极，触发相应的晶闸管。　　6结语　　研制TSC无功补偿装置的关键是要解决晶闸管的投切控制问题，本文提供的解决方案具有简单、有效、可靠和易于实现的特点。　　参考文献：　　[1]赵贺.电力电子学在电力系统中的应用－灵活交流输电系统[M].北京：中国电力出版社，2001.　　[2]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.　　[3]石新春，杨梅玲，喻德忠等.一种采用零电压型开关的TSC低压无功补偿装置[J].电网技术，2000，24（12）.