晶闸管投切电容器动态无功补偿技术
利用单相晶闸管投切电容器实现无功补偿
利用单相晶闸管投切电容器实现无功补偿无功补偿是为了改善电力系统的功率因数而进行的一种措施。
而利用单相晶闸管投切电容器实现无功补偿，是一种常见的方式。
本文将从晶闸管的工作原理、电容器的作用、无功补偿的意义等方面详细介绍利用单相晶闸管投切电容器实现无功补偿的方法和原理。
首先，我们来了解一下单相晶闸管的工作原理。
晶闸管是一种控制型的半导体器件，其具有单向导电性和双向控制性。
晶闸管有三个电极：阳极（Anode）、阴极（Cathode）和控制极（Gate）。
当阳极电压大于一定的阀值电压时，控制极的电压加大，通过二极管型场效应晶体管的放大，从而控制晶闸管导通或截止。
其次，电容器在电力系统中有很多作用，其中之一就是进行无功补偿。
电容器可以存储和释放电能，具有快速响应的特性。
当电力系统中存在感性负载时，容易产生感性无功功率，导致功率因数降低。
而电容器具有负载电流超前于负载电压的特点，可以提供感性无功功率，从而达到补偿功率因数的效果。
然后，我们来了解一下无功补偿的意义。
功率因数是电力系统中衡量有功功率和视在功率之间关系的参数。
当功率因数低于1时，电网中会产生大量的感性无功功率，不仅浪费了电力资源，还会降低电力系统的稳定性和供电质量。
因此，进行无功补偿可以提高功率因数，减少电网中的无功功率，提高电力系统的效率和稳定性。
接下来，我们来详细说明利用单相晶闸管投切电容器实现无功补偿的方法和原理。
当电网中存在感性负载时，我们可以通过投切电容器的方式进行无功补偿。
具体步骤如下：1.测量电网的功率因数。
使用功率因数测量仪测量电网的功率因数，得到实际的功率因数值。
2.计算所需补偿容量。
根据实际功率因数和目标功率因数之间的差值，计算出所需的补偿容量。
3.选择合适的电容器。
根据所需补偿容量和电压等级，选择合适的电容器进行无功补偿。
4.控制晶闸管的导通和截止。
通过改变晶闸管的工作方式，实现电容器的导通和截止，从而实现无功补偿。
5.监测补偿效果。
晶闸管投、切并联电容器TSC的综述
3.2 3串联电抗器抑制谐波放大的原理
为了抑制谐波电流放大，通常在每相电容器电 路中串联一个适当大小的空心电抗器。这样，就 会使整个补偿电容器支路对谐波源基波仍呈电容 性质，保持其无功功率补偿作用不变，不影响系 统(或负载)正常工作。而对高次谐波补偿支路则 呈感性，避免了与系统(或负载)的电流谐振，消 除或减小了由补偿电容所引起的谐波电流放大现 象。
衷心感谢陈老师和师兄师姐的无私帮助！
2.2.1 电压、电流有效值的测量
根据电压、电流有效值的定义式：
因此得到由一周期内的采样值计算电压、电流有效值 的公式为：
式中N为每周期T的采样点数，且N=I+T／AT，AT为 采样时间间隔，电压单位为伏(V)，电流单位为安(A)。
2.2.2 无功功率的控制
无功功率作为控制物理量控制电容器的投切， 是近年才出现的一种控制方式，它是根据所测得 的电压、电流、功率因数等参数，计算出应该投 入的电容容量，在电容器组合方式中选出一种最 接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一 次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量 (下限值)，则应保持补偿状态不变。只有当所需 容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。
2.1 主电路和装置框架
TSC无功补偿装置主电路通常由若干组电容器 组成，电容器组的常用的主接线方案如下图(以晶 闸管反并联方式的晶闸管阀为例)
图中的(a)—(c)方案为三角型接线，(d)和(e)方案 为星型接线。在复合开关的基础上，根据方案（b） 设计的无功补偿装置主接线图如下图
该装置主要特点是利用两对晶闸管阀可以实现 三组电容器组的投切，下面以C1电容器组投切为 例进行说明。当进行C1电容器组投切时首先合上 开关K4、K5，然后在适当的时机触发两对晶闸管 阀，接着合上开关K1，再使两晶闸管阀依次关断， 最后断开开关K4、K5，这样就完成了一次电容组 的投切。(这里的开关指的是交流接触器)
晶闸管投切电容器
绪论电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。
电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在用电负荷和电源之间往复交换，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。
无功功率反映了内部与外部往返交换能量的情况，它并不像有功功率那样表示单位时间所做的平均功率，但是它和有功功率一样是维护电力系统稳定，保证电能质量和安全运行必不可少的。
如果电网中的无功功率不足，致使用电设备没有足够的无功功率来建立和维持正常的电磁场，就会造成设备的端电压下降，不能保证电力设备在额定的技术参数下工作，从而影响用电设备的正常工作。
具体表现在以下三方面：（1）降低有功功率，使电力系统内的电气设备容量不能得到充分利用。
在额定电压和额定电流下，由P=UIcosφ，若功率因数降低，则有功功率随之降低，是设备容量不能充分利用。
（2）增加输、配线电路中的有功功率和电能损耗。
设备功率因数降低，在线路输送同样有功功率时，线路中就会流过更多的电流，是线路中的有功功率损耗增加。
（3）是线路的电压损失增加。
使负载端的电压下降，有时甚至低于允许值，从而严重影响电动机及其他用电设备的正常运行。
特别是在用电高峰季节，功率因数太低，会出现大面积的电压偏低。
基于上述情况，在电力系统中经常要进行无功补偿。
无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功功率和无功功率。
安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中传输，相应减小了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。
无功补偿应根据分级就地和便于调整电压的原则进行配置。
集中补偿和分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合；并且与配电网建设改造工程同步规划、设计、施工、同步投运。
动态无功补偿装置的优化
动态无功补偿装置的优化在电力系统中常用的无功补偿装置主要有机械投切电容器装置、晶闸管投切电容器装置、晶闸管控制电抗器与固定电容器以及静止无功发生器。
它们有的调节电容有级差；有的属于间接调节电容，经济效益相对较差；还有的控制器设计复杂，成本昂贵。
因此，现在提出一种新的电力电容器调容方法，应用PWM控制原理，采用并联电容器连续调容，克服分组投切电容器时电容有极差的缺点，更有利于电力系统进行动态无功功率补偿。
1、PWM技术原理PWM连续调节电容的原理如图1 所示，其中电阻R和电感L是线路的电感和阻尼电阻，pulse1和pulse2是PWM发生器产生的二脉波PWM脉冲，控制k1和k2的开关来投切C1和C2。
图1 PWM 连续调节电容原理k1和k2互补动作，pulse1的宽度为Δt1，pulse2的宽度为Δt2，Δt1与Δt2之和Δt保持恒定，Δt1与Δt的比值为pulse1的占空k。
根据PWM控制面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果即环节的输出响应波形基本相同。
在Δt1时间内投入的电容C1与在Δt时间内投入的等效电容C 对整个电路的作用效果相同，在1个脉冲周期Δt1和Δt2时间内分别投入C1和C2，与在Δt 时间内投入等效电容C对整个电路的作用效果相同。
调节脉冲占空比k可调节投入电路的等效电容，理论推导如下：当Δt很小时，由于电感L的存在使得流过电容C1和C2的瞬时电流与流过电感的瞬时电流值相等设为I，在Δt时间内k1导通，根据等面积原理在Δt1内流过C1的等效电流为I1=I·Δt1Δt ；C1两端电压大小为U1= I1棕C1；流过C2的等效电流为I2=I·Δt2Δt ；C2两端电压大小为U2= I2棕C2；则等效电容C两端的电压为U0=U1·Δt1Δt +U2·Δt2Δt 。
整理得C= C1C2(C1+C2)K2- 2C1K1+C1。
晶闸管动态无功补偿介绍
改善功率因数提高电力效能-----晶闸管动态无功补偿宣导资料-----目录1.改善功率因数提高电力效能2.晶闸管动态无功补偿电容柜样机元件表单3.晶闸管动态无功补偿技术要求4.晶闸管动态无功补偿元件性能参数5.晶闸管动态无功补偿接线原理6.晶闸管动态无功补偿电容柜介绍7.晶闸管动态无功补偿简易问答改善功率因数 提高电力效能-----简明宣导资料-----随着现代经济的日益高速发展以及人民生活水平的不断提高，各行各业包括社会家庭对电能的需求量迅速增加，各地每年都因为电力缺口而不得不采取一些避高峰、错高峰等让电措施，甚至停电。
在当地有限的电网资源范围内，特别是在国家强调节能的大前提、大背景下，如何科学合理地利用电能，减少无功消耗，提高功率因数，保证能源的充分利用，提高系统的供电效率，无疑是当前乃至今后一个长期的节能课题。
本宣导资料就提高功率因数的意义以及晶闸管无触点动态无功补偿的好处做一个粗入简出的介绍，就节能工作与大家共勉。
理论上的电网负荷无外乎三种性质，电阻性、电感性和电容性。
电网提供电源容量为视在功率KVA ；电阻性负载吸收消耗的是有功功率KW ；电感性和电容性负载吸收消耗的是无功功率KVAR ，分为电感性无功KVARL 和电容性无功KVARC 两种。
只是由于矢量相角的关系，电感性和电容性的相角相反，电感性滞后电阻性90度角，而电容性超前电阻性90度角，他们是可以互相抵消的矢量。
事实上，在现实生活工作的电网电器应用中，没有理想的纯电阻性元件或负荷，也很少有容性负荷，绝大多属于含有电感性和电阻性的负荷，如电动机、变压器、、电弧炉等，这些含电感性的设备在运行过程中其需要向电力系统吸收有功功率，做真正需要的有用功。
同时其感性部分吸收无功功率，这部分功率是无用的。
平时人们所言的无功功率一般指的是感性产生的感性无功。
确定的负荷做同样的有效功率，伴生的无功越大则需要更大的电网容量来提供能量，相反电网需量则小；等量的电网容量，做的无功大了，势必是有功少了。
晶闸管无功补偿PPT课件
（c） • 这种无中性线的接法，电
UU
容器组可以选择任何一种
三相电容器。但是，由于 L
没有中性线的电位固定作
用，晶闸管承受最大电压
和（a）图相同，并且在
相同容量条件下，流过晶
闸管的电流是（a）图的 3 C
倍
UV
UW
L
L
C
C
图 3.4（c） 7/178
主接线设计方案
•
UU
UV
UW
LL L
C
C
C
8/17
• B 能根据电流电压的测得值，得出一次需改善的 物理量（无功量与谐波量），决定电容器投入组 数，是一种只管投切，不能控制补偿后的实际效 果，其优点是控制方式简单，可一次快速投切多 组电容器，缺点是静态补偿的精度较差。
16/18
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检测点位置方案
• 本装置是采用结合两者优点的闭合控制方 式，即检测点设在 A 处。A 点能检测到补 偿前负载端完全补偿时所需投入的全部电 容器组，则先根据该检测结果快速选择一 次投切方案；经过一次投切后，再根据 A 点的检测结果对投切方案进行逐级调整。 这样即可获得快速动态补偿特性，也可保 证补偿的精度。
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系统原理接线图
3/18
3
硬件控制电路说明方案
电压比较
电压 信号 调理电流 信号 调理源自CAPAD 转
DSP控制器
换
驱动电路 3.3系统硬件结构图
JTAG接口 通讯接口 外部看门狗 外部存储器 实时时钟电路
可控硅开关
4/18 4
主接线设计方案
• 三相控制的△接线方式如
图 3.4（a）
• 在晶闸管投入时，要考虑 UU
TSC 系统总体设计方案
TSC动态无功补偿研究
TSC动态无功补偿研究摘要：随着我国经济的迅速发展，交流电弧炉等不平衡、冲击性工业用电设备日益增多，由此产生了功率因数低、三相电压和电流不平衡等诸多电能质量问题。
TSC(Thyristor Switched Capacitor)又称晶闸管投切电容器，对综合解决上述电能质量问题有良好的效果，设计具有快速响应的、稳定性好的静止无功补偿器具有十分重要的意义。
关键词：TSC三相不平衡补偿无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。
大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。
同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。
提高系统稳定性和抑止系统电压波动及闪变已引起国内外学术界和工程界的高度关注，成为电工技术学科研究的热点问题之一。
目前主要措施是采用无功补偿装置，具有快速响应的无功补偿装置可以起到稳定系统电压、改善系统的不平衡、提高负荷的功率因数等作用。
一、TSC基本原理TSC的典型装置通常由两大部分组成：一部分为TSC主电路，它包括晶闸管阀、补偿电容器及阻尼电抗器：另一部分为TSC控制系统，主要由数据采集与检测、参数运算、投切控制，触发控制4个环节组成。
晶闸管阀通常有2种接线方式：2个晶闸管反并联和1个晶闸管与1个二极管反并联。
前者晶闸管阀承受最大反向电压高，为电源电压峰值，但投资较大，控制复杂：后者投资小，控制简单，但晶闸管阀承受最大反向电压高，为电源电压峰值的2倍，所以在选择使用哪种连接方式时，应根据技术、经济比较来确定。
二、TSC无功补偿主电路1.星形有中线这种接法优点在于，晶闸管电压定额降低，可以进行分相投切；但由于中线存在，对三倍次谐波无抑制作用，所以晶闸管电流定额增大，因此该接线方式适合系统电压波形畸变率很小且电网负荷三相不平衡的情况。
为了限制涌流和抑制谐波，通常在中线上加装限流电抗器。
2.星形无中线与星形有中线相比，该接线方式由于取消了中线，对三倍次谐波有抑制作用，对系统无污染：但需两相电容能形成回路，不能进行分相投切，因此，该方式不适合补偿电网负荷三相不平衡的情况。
TCR和TSC
近年来，随着大功率非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染呈不断上升的趋势，无功调节手段的缺乏使得母线电压随运行方式的改变而变化很大。
导致电网的线损增加，电压合格率降低。
此外，随着电网的发展，系统稳定性的问题也愈加重要。
动态无功补偿技术是一种提高电压稳定性的经济、有效的措施。
SVC的补偿原理是通过控制晶闸管触发角，改变接入系统中的SVC等效电纳的大小，从而使SVC达到调节补偿无功功率的目的。
采用晶闸管控制的SVC装置根据晶闸管控制对象主要可以分为晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)，以及两者混合式(TCR+TSC)等类型。
TSC（Thyristor Switched Capacitor，TSC）TSC单相原理图如图1所示。
2个反并联晶闸管串联电容器并联接人电网系统中。
分析和实验研究表明，TSC最佳投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻，此时投切电容器，电路冲击电流为零。
为保证更好的投切效果，应对电容器预先充电，充电结束后再投人电容器。
在工程实际中一般将电容器分组，每组都可由晶闸管投切，这样可根据电网的无功需求投切电容器，运行时不会产生谐波，且损耗较小。
运行实践证明此装置具有较快的反映速度"体积小、重量轻，对三相不肀衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流。
但是，对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠TSC投入电网的电容量变化进行调节是不够的，所以TSC装置一般与电感相并联，其典型设备是TSC+TCR补偿器。
这种补偿器以电容器作分级粗调，以电感作相控细调，又设有3次和5次谐波滤波器，大大减小了谐波。
TCR(Thyristor Controlled Reactor,TCR)图2所示为TCR单相原理图’将2个反并联晶闸管与1个电抗器相串联再接入电网中。
这种电路结构并联到电网中相当于交流调压器接电感性负载，这种结构的无功补偿装置具有反应时间快、无级补偿、运行可靠、能分相调节、适用范围广及价格较便宜等优点，因此实际应用最广。
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浅析晶闸管投切电容器动态无功补偿技术
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。
参考文献
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