靜止無功功率補償器無功補償技術第四章相控單相交流調壓電路1、電阻性負載★當電源電壓為正半周期ωt=α

時觸發(fā)晶閘管VT1，VT1導通，負載輸出電壓u0=u；在ωt=π時，電源電壓過零，i0=0，VT1自行關斷，u0=0?！锂旊娫措妷簽樨摪胫芷讦豻=π+α

時觸發(fā)晶閘管VT2，VT2導通負載輸出電壓u0=u；在ωt=2π時，電源電壓過零，i0=0，VT2自行關斷?！锿ㄟ^改變控制角α就可以調節(jié)輸出電壓的大小。相控單相交流調壓電路2、電感性負載★當正半周期VT1關斷時，VT2恰好觸發(fā)導通，在一個周期中兩只晶閘管輪流導通180°。此時負載電流i0臨界連續(xù)，負載電流是一個滯后電源電壓的純正弦電流。即任何時刻電源電壓都加在負載上，負載電壓為完整的正弦波，相當于晶閘管失去控制，無調壓作用。觸發(fā)角負載阻抗角相控單相交流調壓電路2、電感性負載★當電源電壓為正半周期ωt=α

時觸發(fā)晶閘管VT1，VT1導通，負載輸出電壓u0=u，電流、i0從零開始上升?！镌讦豻=π時，電源電壓過零，電流并不為零，VT1繼續(xù)導通，輸出電壓出現(xiàn)負值。直到

i0=0，VT1自行關斷，u0=0★但此時VT2的觸發(fā)脈沖尚未到達，因此出現(xiàn)了電流的斷續(xù)，導通角觸發(fā)角負載阻抗角相控單相交流調壓電路2、電感性負載★這與時的工作情況一樣，輸出電壓和電流波形都是完整的正弦波，電路失去調壓的功能，也處于“失控’’狀態(tài)。4.1概述1、基本概念：靜止無功功率補償器（StaticVarCompensator-SVC）是指其輸出隨電力系統(tǒng)特定的控制參數(shù)而變化的并聯(lián)連接的靜止無功功率發(fā)生裝置或無功功率吸收裝置。2、SVC的基本作用：連續(xù)而迅速地控制無功功率，并通過發(fā)出或吸收無功功率來控制它所連接的輸電系統(tǒng)的節(jié)點電壓。3、SVC的特點：

●靜止型。其主要部件是無轉動部分，主要依靠晶閘管等電力電子器件完成調節(jié)或投切功能，可以頻繁地調節(jié)和投切，其動作速度是毫秒級的，遠比機械設備的動作速度要快。

●動態(tài)補償。

能快速、平滑調節(jié)容性或感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償。其反應速度很快，能及時跟蹤無功功率快速變化做出變化，達到所設計的各種控制目標4.1概述●

SVC的類型：近10多年來，在世界范圍內，其市場一直在迅速而穩(wěn)定的增長，并占據了動態(tài)無功功率補償裝置的主導地位。晶閘管控制電抗器(ThyristorControlReactor-TCR）晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchCapacitor-TSC）晶閘管投切電抗器（ThyristorSwitchReactoI-TSR）晶閘管控制高阻抗變壓器型（ThyristorControlTransformer-TCT）飽和電抗器(SaturationReactor-SR)類型SVC基本類型，其他補償器是這兩種的發(fā)展●

SVC需要在一定條件下才能實現(xiàn)無功功

率的連續(xù)動態(tài)補償，通常的方式有：TCR+TSCTCR+FC（或MSC）TCR+TSC+FC(或MSC)往往把這種包含SVC的無功功率補償系統(tǒng)稱為靜止無功功率補償系統(tǒng)(StaticVarSystem-SVS)4.2晶閘管控制電抗器（TCR）1、電路工作狀態(tài)●當時流過電抗器的電流波形滯后電源電壓900，晶閘管為全導通，導通角，此時電流波形連續(xù)且為正弦波一、晶閘管控制電抗器的基本原理相當于電感性負載的交流調壓器電路，負載為純電感XL=ωL，電抗器的基頻電抗電感中電流iL將受到控制，即隨著角的增大，電感電流基波分量IL1相應減小，諧波分量增加。●當時：電流波形為間斷脈沖波4.2晶閘管控制電抗器（TCR）●當時雙向晶閘管處于失控狀態(tài)，已不能通過控制角變化來改變，IL大小。TCR吸收的感性無功功率：電抗器的等效電抗增加，等效電感值隨之可控，TCR吸收的感性無功功率可平滑調節(jié)1、電路工作狀態(tài)4.2晶閘管控制電抗器（TCR）2、晶閘管控制電抗器的基本原理周期分量：●當時：電流波形為間斷脈沖波，可表示為：非周期分量：忽略電阻時，T=L/R為無窮大，則：對應的角度為導通角為：2、晶閘管控制電抗器的基本原理則iL的瞬時值可用下式表示：基波分量：等效電抗值：吸收的感性無功功率：為基波分量、電壓有效值和基波下電抗器的電抗值2、晶閘管控制電抗器的基本原理當時，全導通，等效電抗值等于接在線路中電抗本身，吸收的無功功率最大。當時，等效電抗值最大，等效開路，吸收的無功功率最小。當時，增大控制角增大時，基波電流IL1減小，等效電抗值XL1增大，吸收的無功功率QL減小?！镉纱丝梢?，在范圍內，調節(jié)控制角的大小，可以連續(xù)、平滑地調節(jié)吸收的無功功率QL的大小?！锍↖L1外，還含3、5、7、9…

奇次諧波，其大小與IL1正比，并隨

變化。為了防止3及3的倍數(shù)次諧波對交流系統(tǒng)的影響，常將三相系統(tǒng)中有三個單相TCR元件作三角形方式連接（6脈沖

TCR），使這類諧波經三相電感環(huán)流而不注入交流電網，因而在線路中就不存在諧波。二、晶閘管控制電抗器的主要特性電壓—電流基本特性二、晶閘管控制電抗器的主要特性諧波特性TCR裝置采用相控原理，在動態(tài)調節(jié)基波無功功率的同時，也產生大量的諧波，并且諧波含量與控制角相關。TCR諧波與控制角的關系若兩個晶閘管的控制角相等，則產生全部奇次諧波。二、晶閘管控制電抗器的主要特性其它特性1、響應時間（擾動開始到調節(jié)器起作用的時間）

TCR任何一相的動態(tài)響應時間約為10ms，對于三相電路，動態(tài)響應時間約為3.4ms，采用數(shù)字式快速調節(jié)器的條件下，動態(tài)響應時間約在5~10ms。2、獨立相控

TCR三相可以獨立進行控制，故TCR型SVC可廣泛用于三相不平衡負荷，以實施動態(tài)不平衡的補償。3、功率損耗

動態(tài)感性部分的損耗隨導通程度增加而增大，這部分損耗中包括電抗器的電阻性損耗和晶閘管中導通、切換等損耗。三、晶閘管可控制電抗器的主要接線形式晶閘管可控制電抗器(TCR)根據需要它們與降壓變壓器可以采用△形或Y形連接。TCR中的電抗器采用△形連接最好，在對稱運行時可以抵消3次諧波。因為當系統(tǒng)平衡時，所有的3次諧波序列的高次諧波電流都在閉合三角形中流通，所以線電流中不包括這些諧波分量。四、晶閘管可控制電抗器的諧波抑制措施將TCR接成△形在三相平衡負載的情況下，使兩個晶閘管的控制角相等，這時由于電流斷續(xù)而引起的諧波為奇次諧波，其中3次及其整倍次諧波電流將在閉合的三角形中流動，而不會出現(xiàn)在線電流中。

采用濾波器專門的濾波器或者使用和補償電容器相串聯(lián)的電感構成諧振濾波器來消除，消除線路上的5次和7次諧波。四、晶閘管可控制電抗器的諧波抑制措施采用分裂晶閘管可控制電抗器對12脈沖接線而言，最低次特征諧波是11次和13次，無需使用5次和7次諧波濾波器。將電抗器分成兩部分使用電抗變壓器使用電源變壓器，將電網和諧波進行隔離以減少諧波對其他用戶的影響。五、晶閘管控制電抗器的控制系統(tǒng)晶閘管控制電抗器的控制系統(tǒng)應能檢測系統(tǒng)的有關變量，并根據檢測量的大小以及給定參考（輸入）量的大小，產生相應的晶閘管觸發(fā)延遲角，以調節(jié)補償器吸收的無功功率。因此，其控制一般應包括以下三部分電路：

●檢測電路。檢測控制所需的系統(tǒng)變量相補償器變量。系統(tǒng)電壓、流過傳輸線或補償器本身的無功功率、傳輸線輸送的有功功率或其變化率、電壓相角偏差、系統(tǒng)頻率及其導數(shù)等。

●控制電路。為獲得所需的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，對檢測信號和給定參考

（輸入）量進行處理。

●觸發(fā)電路。根據檢測電路輸出的控制信號，產生相應觸發(fā)延遲角的晶閘管觸發(fā)脈沖。五、晶閘管控制電抗器的控制系統(tǒng)控制方式●開環(huán)控制開環(huán)系統(tǒng)結構簡單，一旦遇到不可預測條件出現(xiàn)，得不到理想的控制效果。●閉環(huán)控制閉環(huán)系統(tǒng)結構較開環(huán)系統(tǒng)復雜，增加了一個反饋網絡，響應時間比開環(huán)系統(tǒng)長，但穩(wěn)定度高。只有電壓反饋控制帶電流內環(huán)的電壓反饋控制五、晶閘管控制電抗器的控制系統(tǒng)控制方式●復合系統(tǒng)

開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)聯(lián)合起來使用。

優(yōu)點：對二次干擾具有較強的克服能力，改善被控對象的動態(tài)特性，使時間常數(shù)大大減小，兼有開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點，負荷干擾變化劇烈的情況下，通過開環(huán)控制進行快速補償。適用場合：控制對象滯后時間較長，負荷變化較大，被控對象又有較大非線性場合?！裼嬎銠C控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)既能實現(xiàn)開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復合控制，又可以實現(xiàn)無功功率、電壓閃變、溫度、壓力、流量綜合控制和管理，包括事故處理、記錄、打印等。六、晶閘管控制電抗器與并聯(lián)電容器的配合使用由于單獨的晶閘管控制電抗器只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與晶閘管控制電抗器配合使用構成無功功率補償器。根據投切電容器的元件不同可分為：

●晶閘管控制電抗器與固定電容器配合使用的靜止無功功率補償系統(tǒng)(TCR+FC)

●晶閘管控制電抗器與斷路器投切電容器配合使用的靜止無功功率補償系統(tǒng)(TCR+MSC)優(yōu)點：反應速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應用最為廣泛?！鼍чl管控制電抗器與固定式電容器配合使用原理接線圖各無功功率值變化曲線總要使由系統(tǒng)供給的無功功率Qs=QF+QL-Qc≈常數(shù)，以限制電壓的閃變。QC■晶閘管控制電抗器與固定式電容器配合使用控制框圖■晶閘管控制電抗器與固定式電容器配合使用電壓—電流曲線

TCR并聯(lián)上電容器后，使得總的無功功率為TCR與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的凈無功功率，它既可以吸收感性，也可以吸收容性無功功率。特性左邊界的斜線，就是晶閘管導通角為零，而僅有固定電容器并聯(lián)在母線上的電容器的伏安特性；特性右邊界的斜線，就是晶閘管完全導通，其串聯(lián)電抗器直接接在母線上，并與并聯(lián)電容器并聯(lián)產生的總等效阻抗的伏安特性，而它對應的無功功率是電容器與電抗器無功功率對消后的凈無功功率?！鼍чl管控制電抗器與機械式投切電容器配合使用

問題的提出TCR+FC型靜止無功功率補償系統(tǒng)要求電抗器的容量大于電容器的容

量，另外當補償裝置工作在吸收較小的無功電流時，其電抗器和電容器

都已吸收了很大的無功電流，只是相互抵消而已。

解決方法把固定電容器改為分組投切，可以減少電容造成的效應，但電容器組會頻繁的投切，減少系統(tǒng)的壽命。而TSC+MSC型補償器通過采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點，但應盡量避免斷路器頻繁的投入與切除?！鼍чl管控制電抗器與機械式投切電容器配合使用例如在最大為70kvar的無功功率補償系統(tǒng)中按下列原則設置電容值Cl=10kvar、C2=20kvar、C3=40kvar。晶閘管控制電抗器的最大無功功率為10kvar，當TCR中的晶閘管導通角大于90°時，等效的電抗無功功率值小于10kvar。在初始狀態(tài)下，電感器的導通角設置為90°，電容組中的Cl處于接入狀態(tài)，兩者無功功率之和為零，當所需的無功功率在10kvar以內時，通過調節(jié)TCR中的觸發(fā)角來滿足無功功率補償?shù)囊?。當要求補償?shù)臒o功功率大于C1時再考慮接入其他電容器。七、晶閘管控制電抗器的動態(tài)性能和動態(tài)調節(jié)過程動態(tài)性能（或響應時間）TCR自身固有的動態(tài)響應速度非?？?，響應時間小于5~10ms，由于測量和控制回路以及系統(tǒng)阻抗產生的附加時延，會影響整個裝置的響應時間。TCR型SVC整個系統(tǒng)的響應時間即調節(jié)時間約為60~200ms。七、晶閘管控制電抗器的動態(tài)性能和動態(tài)調節(jié)過程動態(tài)調節(jié)過程4.3晶閘管投切電容器隨著電力電子技術及計算機控制技術的發(fā)展，各種新型的自動、快速無功功率補償裝置相繼出現(xiàn)，晶閘管投切電容器(TSC)是一種廣泛應用于配電系統(tǒng)的動態(tài)無功功率不償裝置。優(yōu)點與機械投切電容器相比，晶閘管的開、關無觸點，其操作壽命幾乎是無限的，而且晶閘管的投切時刻可以精確控制，可以快速無沖擊地將電容器接人電網，大大減少了投切時的沖擊電流和操作困難，其動態(tài)響應時間約為0.01~0.02s缺點

TSC只能分組投切，不能連續(xù)調節(jié)無功功率，它只有和TCR配和使用，才能實現(xiàn)真正意義上的無功功率連續(xù)調節(jié)。1、晶閘管投切電容器的基本原理

TSC利用單向晶閘管反并聯(lián)或雙向晶閘管構成的交流無觸點開關將單組或多組電容器投入到電網上或從電網切除，晶閘管采用過零觸發(fā)方式。與晶閘管可控制電抗器中利用相控方式改變有效電感值不同，晶閘管投切電容器采用整數(shù)半周控制。單組投切單相結構分組投切單相結構TSC電壓—電流特性2、晶閘管投切電容器的投切時刻的選取現(xiàn)在普遍采用單片機控制大功率晶閘管來投切電容，由于具有過零檢測、過零觸發(fā)的優(yōu)點，響應速度快，合閘涌流小，無操作過電壓，無電弧重燃，從而基本上解決了以往投切時交流接觸器經常拉弧甚至于燒結而損壞的不良情況。晶閘管投切電容器投切時間選取的條件TSC投切開關時要做到電流無沖擊，需要滿足兩個條件：

●

晶閘管必須在正弦電源電壓的正負峰值時觸發(fā)。

●電容器必須要預先充電，使其兩端電壓為電網電壓峰值的n2/(n2-1)倍。2、晶閘管投切電容器的投切時刻的選取晶閘管投切電容投切時間選取的原則經過多年的分析與實驗研究，TSC運行時，應選擇交流電源電壓和電容器預先充電電壓相等時刻，觸發(fā)導通相應晶閘管進行電容投入，使電容電壓不突變、不產生沖擊電流。理想情況是電容器預先充電到電源峰值電壓，此時電源電壓變化率為零，可使投入時電容電流為零。這樣，整個投入過程不但不會產生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化，這就是所謂的理想投入時刻。2、晶閘管投切電容器的投切時刻的選取

TSC理想投切時刻原理圖晶閘管投切電容器的投切時刻的選取設投入前電容器上端電壓配uc已由上次最后導通的V1充到電源電壓配us的正峰值，故本次導通應選在us與uc相等的t1時刻使V2觸發(fā)導通，電容電流開始建立。以后每半周期在過零點處輪流觸發(fā)Vl、V2需要切除電容時，選擇ic降為零的t2時刻撤除觸發(fā)脈沖，V2關斷，Vl也不再導通，uc則保持V2導通結束時的電源電壓負峰值，為下次投入電容做準備。晶閘管投切電容器的投切時刻的選取實際上，在投入電網之前，電容電壓有時不能被充電到電源電壓峰值。這就需要找出在電容充電電壓為各種情況下的最佳投入時刻。晶閘管投切電容器的投切時刻的選取晶閘管零電流投入保障措施

在電容器切除后重新投入時，若晶閘管導通時的電網電壓與電容器殘壓相差較大，就會由于電容器的電壓不能突變而產生很大的沖擊電流，稱為合閘涌流。

這一涌流沖擊很可能損壞晶閘管或給電網帶來高頻沖擊。為了使電容器投入時不引起涌流沖擊，必須保誣晶閘管導通時電網電壓與電容器殘壓大小相等，極性一致，即零電流投入，為此可以采取如下措施：晶閘管投切電容器的投切時刻的選取晶閘管零電壓投入保障措施

●

加放電電阻

每次切除電容器后，通過專門的放電電阻對電容器放電，使電容器殘壓接近為零，晶閘管兩端電壓為零時投入。

這種措施要增加無功功率補償裝置的成本，并且電容器切除后自動接入放電電阻的電路也較復雜。晶閘管投切電容器的投切時刻的選取

●

電容器預充電投入電容器之前對其充電，充電到電網電壓的峰值，在電網電壓峰值時觸發(fā)晶閘管。這種方法將使主電路變得很復雜，并且延長了電容器的投入時間。晶閘管零電流投入保障措施

●主電路采用晶閘管與二極管反并聯(lián)方式電容器投入前，其電壓總是維持在電壓的峰值，一旦電容器電壓比電網電壓峰值有所降低，二極管會將其電壓充電到電網峰值電壓。只要在電網電壓峰值時觸發(fā)晶閘管，就可以避免電流沖擊。缺點：當要切除電容，最大的時間滯后為一個周波，相應速度比兩晶閘管反并聯(lián)的方式稍慢。晶閘管投切電容器的投切時刻的選取晶閘管零電流投入保障措施晶閘管投切電容器的投切時刻的選取

●

檢測晶閘管兩端電壓的零電壓觸發(fā)方式由于電容器殘壓的不確定性，晶閘管上的電壓是個不能根據電網電壓計算的值，但可以通過檢測晶閘管兩端（陽極與陰極）的電壓來確定電網電壓與電容器殘壓是否相等。當檢測到晶閘管兩端電壓相等（殘壓為零）時，觸發(fā)晶閘管。

TSC補償器可以很好的補償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級數(shù)分得足夠細化，基本上可以實現(xiàn)無級調節(jié)。因此，TSC實際上就是可有級調節(jié)的吸收容性無功功率的動態(tài)無功功率補償器。同樣的，晶閘管也可以用來投切電抗器。3、晶閘管投切電容器的主電路接線方式1）三相控制的Y接線方式缺點：晶閘管電壓定額可以降低，但電流定額增大了，而且在投切過程中可能有較大的中線電流，將產生較大的電壓漂移，影響投入時的準確度，可能會產生投切沖擊電流，同時，會提高其單位價格。優(yōu)點：可以分相補償，適用于三相負荷不平衡，三相的功率因數(shù)角和電流差異較大，。3、晶閘管投切電容器的主電路接線方式2）三相控制的△接線方式適用于三相共補電路。優(yōu)勢：①可以降低晶閘管閥的電流容量；②電源電壓比較能夠保證；③避免中線電流。3、晶閘管投切電容器的主電路接線方式3）兩相控制的“2+1”接線方式