TSC无功补偿的控制电路设计
TSC型无功补偿技术
晶闸管模块的作用和选型
角外接法 ：以690V为例，采用两相过零触发控制时晶闸
根据控制量的不同可以分为:
P P 2 Q2
功率因数控制
(补偿精度低)
cos
当系统的功率因数小于目标值时，投入电容可以提高系统 功率因数，反之则减小电容
无功功率控制 (补偿精度高) 以无功功率和电网电压为控制量的双重控制-——
九区法，最适合于风电中的无功补偿控制策略， 且容易实现
TSC型无功补偿技术
电容柜
一般TSC型 电容补偿装 置都是由若 干电容补偿 单元组成， 因此可以组 合成不同补 偿容量，满 足系统无功 变化
TSC——晶闸管无触点开关投切电 容补偿装置
失速型定浆距风力发电机组，均采用异步
感应电动机，因此需要无功补偿装置 进行就地无功补偿，稳定电压，提高风力 发电机组和传输线路效率 具有投入无涌流、切除无过压、响应时间 快和系统稳定性高等特点
TSC控制回路
主要是采集电压、电流信号，通过信号处理作出
电容投切判断，并发出投切动作指令，触发控制 器则在控制指令下在电压过零时触发晶闸管导通 当需要关断时，停止触发信号，则晶闸管在电流 为零时自然关断 系统出现紧急情况时如过温、过流等，控制器能 够及时关断TSC系统以起到保护作用
控制策略
九区法 ——无功功率控制
系统电压作为第一控制量：分为最大值Umax和最小值Umin 系统无功功率为第二控制量：分为消耗的最大值Qx-max和发出的最大值 Qf-max
静止无功补偿器TCR+TSC设计研究
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控制系统软件设计
控制系统软件设计概述 控制系统软件设计流程 控制系统软件设计关键技术 控制系统软件设计实例分析
TCR+TSC的仿真 与实验验证
仿真模型的建立
仿真模型的构建方 法
仿真模型的参数设 置
仿真模型的验证过 程
仿真模型的结果分 析
仿真结果分析
仿真模型的建立 与验证
TCR+TSC控制策 略的仿真结果
控制系统的组成
控制系统硬件：包括主控制器、驱动电路、晶闸管阀组等 控制系统软件：用于实现控制算法和逻辑控制 通讯系统：实现控制系统与上级控制系统的数据交换和信息交互 保护系统：对系统进行过流、过压、欠压等保护
控制策略的选取
选取依据：系统稳定性、动态响应速度、无功补偿效果等 常见控制策略：PID控制、模糊控制、神经网络控制等 控制策略实现方式：通过控制器对TCR和TSC进行实时控制 控制策略的优化：根据实际运行情况对控制策略进行调整和优化
TCR+TSC的设计 原理
TCR的设计原理
静止无功补偿器 TCR+TSC的组成
TCR的工作原理
TCR的控制策略
TCR的应用场景
TSC的设计原理
TSC采用基于 磁通补偿原理 的无功补偿技
术
TSC通过控制 晶闸管的导通 角来调节无功 电流的大小和
方向
TSC具有响应 速度快、调节 范围广、运行
稳定等优点
实验结果与仿真 结果的对比分析
性能评估与优化 建议
实验验证方案
实验目的：验证 TCR+TSC在静 止无功补偿器中 的性能表现
实验设备： TCR+TSC装置、 可编程电源、测 量仪表等
tsc无功补偿装置的设计--电气设计
TSC无功补偿装置的设计摘要：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。
关键字：无功补偿晶闸管TSC零电压触发DESIGN ON A TSC REACTIVE POWER COMPENSATION DEVICE Abstract:Thyristor switchedcapactor（TSC）is a new direction of the staticvar compensator（SVC）technology.Basing on a designproject for TSC reactive power compensation device, the characteristics of itsvarious main circuits are analysed.Some key problems on developing TSC deviceare introduced,i.e.the criterion of switched capactor,the data detectionmethod,zero-voltage switching-on,and the triggering circuit for thyristors.key words:reactive power compensation；thyristor；thyristor switched capactor；zero-voltage triggering 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。
低压配网中TSC型动态无功补偿装置的设计与应用
(2) 优化电能质量功能的欠缺 ● 对波动负荷和 冲击负荷用户，不能抑制电压波动和电压闪变。● 对 不平衡负荷用户，不能改善公共联络点电压和配电电 流的不平衡度。 ● 达不到最理想的高效节能效果。
3 TSC 型动态无功补偿装置的设计
3.1 TSC 的基本原理
晶闸管投切电容器（TSC）是利用电力电子开关
5 结语
晶闸管投切电容器装置具有优良的动态无功功 率补偿功能，在功率因数偏低，负载波动较大的低压 配网中具有良好的应用前景。同时也对改善系统功率 因数，抑制谐波，稳定系统电压，改善电能质量具有 重要的作用。伴随着控制元件性能的提高和电力电子 技术的飞速发展，晶闸管投切电容器将会得到进一步 的推广和应用。 参考文献
图 1 （a）与电网连接方式
投入命令
L
光电 耦合
零电 压检 测器
与门
多谐振荡器
C
脉冲隔离放大
图 1 （b） 晶闸管电压过零触发电路
2006 年第 3 期自动化与信息工程 21
电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管上电压 为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投 入指令存在，就会经过一系列环节，产生脉冲去触发 晶闸管，保证晶闸管的平稳导通。晶闸管的投入指令 撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下 次发出投入指令，TSC 才会在零电压时重新投入。 3.2 TSC 的补偿判据和电容器的投切控制方式
2 机械投切电容器无功功率自动补偿装置的主 要缺点
自 1983 年电力部颁布实施按功率因数值调整电 费规定以来，各种机械投切电容器（MSC）在低压配 网中得到了广泛的应用。但这些以机械开关作为切换 元件的无功补偿装置越来越不能适应配网发展的需 求，主要表现在：
(1) 可靠性低 由于机械投切电容器在自动投切 过程中不能控制电容器回路的合闸角和开断角，因而 不可避免会引起合闸过电流、开断过电压，使开关触 头烧损严重，检修频繁，电力电容器的使用寿命缩短。
TSC无功补偿装置
TSC无功补偿装置TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率,可以实现无级调节，可快速跟踪冲击负荷的突变，对最佳功率因数进行闭环反馈，实现动态无功补偿、减小电压波动，从而达到节能降耗的目的。
SVC专指使用晶闸管的静止型动态无功补偿装置，包括晶闸管相控电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC），或者TCR与固定电容器或机械投切电容混合使用的装置。
TSC（晶闸管投切电容器）的基本原理如图所示。
其中左图是其单相电路图，其中两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而并联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流的。
在运行中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。
这样可根据电网的无功需求投切这些电容器，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。
当TSC 用于三相电路时，可以是Δ连接，也可以是Y连接。
每一相都可以设计成如右图所示的那样分组投切。
在TSC 系统中，晶闸管阀一般采用 2 只晶闸管反并联的方法，达到 2 只晶闸管轮流触发的效果，起到了接通和断开补偿回路的作用。
这种反并联的方式可靠性高。
晶闸管阀承受的最大反相电压为电源电压的峰值。
TSC 投入电容的时刻即交流电源电压与电容预先充电电压相等的时刻。
此时，晶闸管上电压为零，光电耦合器输出脉冲，并与投入指令作逻辑“与”运算后决定是否去触发晶闸管，以保证晶闸管的平稳导通。
TSC 投入的指令撤消时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下次发出投入指令，TSC 才会在零电压处重新投入。
脉冲信号由送能变提供，送能变由上下两节组成，分别为反并联的两组晶闸管提供脉冲信号，从而实现整个周期的补偿（晶闸管的接通需要两个条件1是触发脉冲2是正向导通），由于TSC的晶闸管需要较大的触发脉冲所以单独配备送能变，当系统需要无功补偿时送能变发出触发脉冲使晶闸管导通从而进行电容器的投切。
TSC型无功补偿技术
P P 2 Q2
功率因数控制
(补偿精度低)
cos
当系统的功率因数小于目标值时，投入电容可以提高系统 功率因数，反之则减小电容
无功功率控制 (补偿精度高) 以无功功率和电网电压为控制量的双重控制-——
九区法，最适合于风电中的无功补偿控制策略， 且容易实现
TSC控制回路
主要是采集电压、电流信号，通过信号处理作出
电容投切判断，并发出投切动作指令，触发控制 器则在控制指令下在电压过零时触发晶闸管导通 当需要关断时，停止触发信号，则晶闸管在电流 为零时自然关断 系统出现紧急情况时如过温、过流等，控制器能 够及时关断TSC系统以起到保护作用
控制策略
管上的压差很不稳定，应选用耐压在3000V或更高的晶闸 管，成本很高，不推荐在风机上使用。当采用三相过零触 发控制时，切除瞬间晶闸管上的压差相对稳定，最大在 1200V左右，因此选用耐压1800V或以上的晶闸管就能保 证系统的可靠性。 星型有中性点接法：由于切除时晶闸管两端承受是相电压， 相对而言耐压等级降低，晶闸管选型容易，成本也容易控 制，因此在风机工况上推荐使用该接线方案。该方案晶闸 管上电流较大，容易发热，必须谨慎考虑设备的散热问 题。
TSC型无功补偿技术
电容柜
一般TSC型 电容补偿装 置都是由若 干电容补偿 单元组成， 因此可以组 合成不同补 偿容量，满 足系统无功 变化
TSC——晶闸管无触点开关投切电 容补偿装置
失速型定浆距风力发电机组，均采用异步
感应电动机，因此需要无功补偿装置 进行就地无功补偿，稳定电压，提高风力 发电机组和传输线路效率 具有投入无涌流、切除无过压、响应时间 快和系统稳定性高等特点
基于DSP的TSC无功补偿系统的设计中期报告
基于DSP的TSC无功补偿系统的设计中期报告一、项目背景及意义随着电力系统的不断发展和扩大，电力负荷也呈现出逐年增加的趋势，同时，不断提高的能耗意识和电能质量要求也使得电力系统的稳定性和可靠性越来越重要。
其中，电力负荷中的无功功率是造成系统不稳定和浪费能源的重要因素。
因此，如何对电力负荷进行无功补偿，提高电能的质量和效率就成为当前电力系统科研和工程领域的研究热点。
传统的无功补偿技术主要采用电容器和电感器进行电力负荷的无功补偿，但是由于电容器和电感器的参数随着环境、时间和电力系统负荷变化而发生变化，容易出现电力系统的过电压、过电流等问题，降低了电力系统的稳定性和可靠性。
因此，随着电子技术的不断发展，基于数字信号处理（DSP）的无功补偿技术成为了当前研究的热点和发展方向。
本项目旨在基于DSP技术设计一种可靠、高效、精确的无功补偿系统，通过对电力负荷进行有效的无功补偿，提高电能的质量和效率，保证电力系统的稳定性和可靠性，达到节能降耗、优化电力系统运行的目的。
二、研究内容本项目的主要研究内容包括：1. 分析电力系统的无功功率和谐波产生的原因及其对电力系统的影响，建立无功补偿系统模型，确定系统的控制策略和优化目标。
2. 选取合适的DSP芯片，设计无功补偿系统的处理器模块，实现对电力负荷的无功补偿和控制。
3. 设计无功补偿系统的硬件电路，包括DSP芯片、A/D转换器、DAC转换器、三相电压、电流传感器等模块的连接、调试和测试。
查系统的稳定性、响应时间、控制精度等性能指标，优化控制算法和系统参数。
5. 编写无功补偿系统的控制程序，进行实际现场测试，验证系统的实际效果和可靠性，并与传统无功补偿系统进行对比分析，评估系统的优劣。
三、进度安排1. 前期准备：2022年1月-2022年2月，主要包括团队组建、研究资料搜集和整理、项目立项申报等。
2. 系统设计：2022年3月-2022年5月，主要完成对电力负荷的无功补偿系统建模、DSP处理器模块的设计和系统控制策略的确定。
基于模糊控制的tsc无功补偿系统的研究
基于模糊控制的tsc无功补偿系统的研究基于模糊控制的无功补偿技术自20世纪70年代以来一直是用于改善电力系统能量转换效率和平衡电压的主要技术之一。
有效的电力系统平衡是确保电力系统允许高效运营的关键因素。
同时，电力系统的无功补偿还有助于减少电力系统无功功率的不匹配，减少负荷的波动，从而节省电力公司的成本，提高电力系统的稳定性。
无功补偿方法中最常采用的是模糊控制方法。
模糊控制是由工学家大谷爱和石井晃昭于1978年提出的。
模糊控制可以结合无功补偿技术改进和控制电力系统中的无功补偿器，以有效地改善系统效率，补偿容量和负荷余量。
此外，采用模糊控制方法进行无功补偿还有助于减少系统反应时间，提高系统的稳定性，并减少不必要的无功补偿设备。
本文主要对基于模糊控制的TSC无功补偿系统进行了研究。
一般来说，TSC是指可调式无功补偿装置，它的主要作用是补偿负荷的无功功率和电力系统的无功不平衡。
本文首先介绍了模糊控制系统的基本原理，即模糊控制中的模糊规则及模糊推理过程，并分析了模糊控制对TSC无功补偿系统的性能的影响及其优越性。
其次，讨论了基于模糊控制的TSC无功补偿系统的具体设计，包括一个高效的模糊控制器，以及一个用于实现功率配置控制的软件。
在此基础上，本文还阐述了模糊控制的TSC无功补偿系统的仿真结果，包括对系统性能的影响、补偿器性能的影响以及无功补偿器的运行时间和可靠性。
综上所述，本文对基于模糊控制的TSC无功补偿系统进行了深入的研究。
结果表明，使用模糊控制技术可以改善无功补偿产品的性能，从而为电力系统提供更高的稳定性和更高的能量转换效率。
本文的研究为进一步研究基于模糊控制的TSC无功补偿系统提供了重要参考。
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TSC无功补偿的控制电路设计
[摘要] 选择合适的TSC无功补偿装置的控制方式,可以使补偿达到更准确的目的。
通过分析功率因素控制和无功功率(无功电流)两种控制方式的特点,在TSC 控制电路设计过程中,采用无功功率(无功电流)控制的方式。
[关键词] TSC装置功率因素无功功率(无功电流)
0 引言
在设计完整的TSC无功补偿装置时,可以考虑采用固体继电器来作为TSC无功补偿装置的开关元件,从而达到TSC 投切电容器所应具有的电压过零触发功能。
同时,TSC控制器在控制方式上的选择也非常重要。
在此,分析功率因素控制和无功功率(无功电流)两种控制方式的特点,以及具体到固体继电器工作时的控制要求[1]。
1 常用无功功率补偿措施
(1) 功率因素控制
功率因素控制就是以功率因素满足要求为控制目标。
用无功补偿装置进行补偿,使供电电网的功率因素满足要求。
功率因素式控制器通过对电网的电压、电流进行采样检测,分析计算出当前的功率因素值。
用当前的功率因素值与设定的投切门限值进行比较,以确定是投入、切除,还是保持不变,功率因素式控制器当检测到当前的功率因素值介于0.9和1.0之间时,则不论实际的无功功率因素值是多少,都保持与当前的补偿状态不变。
功率因素值是一个比例值,所以在重负荷时,虽然功率因素满足了要求,但电网中的无功功率仍很大。
由于负载很轻,这时的功率因素很低。
按照补偿原理投入一个电容器组,用该组电容器的超前电流去进行补偿,补偿的结果是得到了超前的功率因素。
功率因素只要超前,就要立即切除一电容器组,而切除一组功率因素又不够,因此形成振荡。
(2) 无功功率(无功电流)控制
针对无功因素控制的问题,出现了以系统中的无功功率(无功电流)为被控制对象,即无功功率(无功电流)控制方式。
控制器对电网的电压、电流进行采样检测,计算出当前的无功功率(无功电流)值。
若当前值大于一个电容器组的补偿值,则投入一个电容器组;若当前值超前,则切除一个电容器组。
本方法的控制对象是无功功率(无功电流),而无功功率(无功电流)又始终保持在一个较低的水平上。
因此,不会出现功率因素控制方式所出现的重载时功率因素满足要求,但无功电流很大,而轻载时又容易产生投切振荡的问题。
(3) 控制方式的比较
两种控制方式控制的无功补偿器性能比较见表1。
用无功补偿装置进行补偿,使供电电网的功率因素满足要求,这是人们最先想到和做到的。
但从上面所列出的表格中可以看出,它在轻载时易发生投切振荡;在重负荷时,虽然功率因素满足了要求,但电网中的无功功率仍很大。
因此,在设计TSC无功补偿装置时,宜采用无功功率(无功电流)控制的方式。
2 投切判据与信号检测
(1) 无功电流幅值检测原理
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。
进行无功补偿幅值检测原理电路框图如图1所示。
图1中,电压信号为电源经电压互感器后得到的;电流信号为负载电流经电流互感器后得到的;采样保持器的输出就是无功电流幅值Iqm。
由此得到全补偿所需的电容量:
其中,为交流电压的有效值。
若为负,则切除相应容量的电容器;反之,则应投入相应容量的电容器。
(2) 固体继电器(Solid State Relay,SSR)
固体继电器是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。
它可以实现用微弱的控制信号(几毫安到几十毫安)控制0.1A直至几百安电流负载,进行无触点接通或分断。
交流过零型固体继电器采用了过零触发技术,具有电压过零时开启,负载电流过零时关断的特性[2]。
固体继电器多为四端接线,两个输入端,两个输出端,如图2所示。
输入端接控制信号,输出端与负载、电源串联,SSR实际是一个受控的电力电子开关;输入输出间为光隔离,输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,输出端就能从断态转变成通态。
将TSC所要求的开关具有过零触发功能和过零型固体继电器所具有的过零
触发技术相比较,可采用过零型固体继电器作为TSC的投切开关,如图4所示为电网单相施行TSC无功补偿时的连接图。
其中的AC-SSR表示为交流过零型固体继电器;C表示为电网所需补偿的电容;表示为触发脉冲,+、-两端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,继电器就能从断态转变成通态。
同时,也可以考虑用单片机为核心的微机系统来准确控制触发脉冲;在治理配电网时,为了使TSC的补偿更加准确,通常采用电容的分级投切形式,此时,结合微机系统来操作,将使系统能达到实时准确补偿的目的[3]。
3 以Intel 80C196KB单片机为核心的微机控制系统
在使用TSC方式对系统进行无功补偿时,为了确保补偿的精确性,通常采用电容器的分级投切方式[4]。
在此,需要考虑如何更好地实时控制电容器的投入或切除[3]。
用以Intel 80C196KB单片机为核心的微机系统来控制TSC电路中电容的投切,单片机兼有CPU,A/D,RAM等功能。
如图4所示。
电压、电流的采样信号先经单片机内部的A/D把模拟量变成数字量,以便计算负荷无功功率Q和作为保护等所用。
在无功功率的检测方法上,采用独特的只检测负荷电压、电流任意两时刻的瞬时值即可快速检测出负荷无功功率Q的新方法。
为了减少随机误差,实际上进行了多点采样以计算出若干Q,同时结合数字滤波技术,由单片机快速准确地把Q检测出来。
快速检测出无功Q以后,即可实时决定应投入的电容器级数,并由单片机的高速输出口HSO.0～HSO.5发出相应的触发脉冲信号;同时单片机还实时查询各种保护状态,决定是否采取保护措施,以保证整机的安全运行[5]。
参考文献:
[1] 黄绍平,彭晓,浣喜明.TSC无功补偿装置的设计[J].高压电器,2003,39(6):33-35.
[2] 罗永昌,谷永刚,肖国春,王兆安.SSR 在TSC 中应用的实验研究[J].电力电子技术.2004,8(4).
[3] Zhang Jianhua; Dai Guanping; Xiao Gang; Zhao Jie; Zhang Hui; Wang Shuying.Design of the control system for thyristor switched capacitor devices[J].Transmission and Distribution Conference and Exposition,2003 IEEE PES V olume 2, 7-12 Sept. 2003 Page(s):606 - 610.
[4] 电能质量·电压允许波动和闪变(GB-2000).
[5] 陈小华,黎有勇.现代控制继电器实用技术手册[M].人民邮电出版社.1998.。