毕业设计10kV配电线路实时动态无功补偿研究.doc

(华文行楷，小初，单倍行间距本科生毕业设计（论文）题目 10kV配电线路实时动态无功补偿研究 电气与自动化工程学院 （系） 自动化 专业学生姓名 学号 指导教师 职称 指导教师工作单位 起讫日期 摘 要本文分析了无功功率对电力系统的不良影响，说明了无功补偿的 必要性和重要意义，以无功补偿技术及装置的发展进程为线索，分析 了不同时期无功补偿技术状况及特点，以实例说明了我国10kV配电 系统无功补偿的应用情况。从无功补偿的基本理论出发，阐述了无功 补偿的基本原理、基本方法，说明了无功补偿的作用，进行了无功补 偿的策略分析。本文介绍了晶闸管的工作特性和参数，研究了晶闸管串联技术， 针对目前晶闸管投切电容器进行无功补偿存在的主要问题，提出了用 晶闸管串联开关投切10kV电容器的方案，给出了晶闸管串联开关的静 态和动态均压方法，设计出了主电路结构，并对晶闸管参数的选择进 行了分析和计算。对晶闸管触发技术进行了详细的分析和研究，给出峰值电压触发方式的数字电路的设计方案，并通过了仿真实验，阐述了晶闸管触发 系统的抗干扰措施。基于MATLAB仿真软件，本文对电容器投切控制及晶闸管触发装 置进行了实验研究，并得出与理论分析一致的结论。关键词：无功补偿；动态无功补偿装置；晶闸管；触发控制电路； MATLAB仿真ABSTRACTThis paper analysis the adverse effects of reaction power in the power system, illustrates the necessity of using the method of reaction power compensation and its important significance. With the development process of reactive compensation technology and its devices, expounds the stales and characteristics about var compensation technology in the different periods. By living example the paper illustrates reaction power compensations application for lOkV distribution line in our country. Begining with the basic theory of reaction power compensation, illustrates the basic principles and basic compensation methods, and its function.The paper introduces the working characteristics and parameters of the thyristor, investigate the thyristors specialty and technique in series, in allusion to the problem existences in reactive compensation with capacitor at presently ,bring forward the advanced utility technique investigated controlling lOkV capacitor with thyristor switch in series, brought forward the static state and dynamic voltage, designed the main circuit framework which used with reason, analysis and calculates the thyristors parameters for its selected .I study thyristor triggers technic, device a digital circuit under max value burst mode and complete its emulation text. I expatiate the measure of devaluing disturb for thyristor trigger system.Under the MATLAB power simulation environment,capacitor input-elimination control and thyristor-trigger control were studyed, the same result of theory analysis were get.Key word ： reactive power compensation; static var compensation; thyristor; trigger control circuit； MATLAB Simulation目 录目录摘 要2ABSTRACT3目 录4第一章 无功补偿技术的发展、现状及展望11.1无功补偿技术研究的背景11.2无功补偿技术研究的目的和意义11.3无功补偿技术的发展21.3.1传统的无功补偿技术21.4无功补偿技术在我国供网中得应用31.4.1无功补偿技术在我国应用的历程31.4.2我国lOkV配电网无功补偿技术的现状及实例41.5课题完成主要任务5第二章 无功补偿技术的实现及控制策略62.1无功补偿的基本原理及功率因数与电路参数的关系62.2 无功补偿的基本方式72.3 无功补偿的控制策略82.3.1单一物理量的控制方式82.3.2 “九域图法”控制策略82.4本章小结10第三章 无功补偿电路晶闸管触发系统的研究与设计113.1晶闸管的工作特性及主要参数113.1.1晶闸管的工作原理113.1.2晶闸管的特性分析及主要参数123.2晶闸管串并联技术及其参数的计算133.2.1 晶闸管串联技术143.3晶闸管投切电容器主电路的接线分析153.4晶闸管触发系统的研究与设计173.4.1无功补偿装置系统结构173.4.2晶闸管触发方式的分析193.5晶闸管触发电路的设计及仿真203.5.1同步信号检测电路213.5.3脉冲触发电路的仿真实验223.6晶闸管脉冲触发系统的抗干扰措施233.7本章小结24第四章 10kV无功补偿系统的仿真研究254.1 晶闸管触发系统的MATLAB仿真254.1.1 非峰值电压时刻触发晶闸管的实验264.1.2 峰值电压时刻触发晶闸管的实验284.2 基于电容器投切控制的无功补偿系统的MATLAB仿真294.3 本章小结33第五章 结论34参考文献35致 谢36第一章 无功补偿技术的发展、现状及展望 1.1无功补偿技术研究的背景近几年来,我国经济发展迅速,对电力的需求越来越大。同时对供电的可靠性和质量提出了更高的要求，电力建设投资跟不上经济发展，供需关系矛盾更为突出，尤其是小城镇和城乡配电网。我国小城乡地区的多为10kV配电线路，具有负荷密度大、用电量集中、供电可靠性要求高等特点，表现出线损高、功率因数低、输电效率低、输电能力不足、末端电压低等问题。这严重的影响了人们生活水平的提高和经济发展。目前,国内外针对此问题采取的措施主要是进行电网建设和改造，有：新建线路和变电站，更换线路，对已变电所和线路进行改造和增容，进行无功功率补偿等。根据我国小城镇和城乡配电网的特点以及电力公司的资金和人力情况，最为普遍采用的是并联电容器无功功率补偿。就其补偿方式而言，分为：变电所集中补偿，配电线路分散补偿，负荷侧就地补偿等。我国10kV配电线路以往多采用负荷侧就地补偿，这种方案就用户而言可以获得很好的补偿效果，但就10kV配电网络整体而言，技术性和经济性都不是最合理的。1.2无功补偿技术研究的目的和意义近年来，世界各地发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起人们高度重视。当地时间2003年8月14日美国东北部、中 西部和加拿大安大略省发生了历史最大规模的停电事故，纽约、底特 律、渥太华、多伦多等重要城市及周边地区近5000万人口受到影响， 制造业停产，交通运输瘫痪，经济运转产生中断。经济学家估计整个 经济损失达300亿美元。事故的原因可能是雷电袭击、负荷太重或部分电站停运引发的。这 次灾难说明美国中西部供电系统过于陈旧且存在严重安全系统缺陷。 美国灾难性的大停电给以科技为主导的现代社会敲响了警钟。巨大的经济损失和严重的社会影响提醒人们电力系统应进行设备的更新换代，加强电力系统的安全系数，从而避免事故的发生。不要让美国大停电在中国发生，中国的电力专家们应为中国的电力 系统的安全思考。2002年下半年以来，经济的高增长带动电力需求增大，中国部分 地区出现结构性的供电紧张，部分地区出现用电紧张和高峰时段拉闸 限电问题，大功率非线性负载的不断增加，对电网的无功冲击和谐波 污染呈上升趋势，缺乏有效地无功调节手段使母线电压变化很大导致 配电系统线损增加，电压合格率下降。我国电网建设和运行中长期存 在无功补偿容量不足、配备不合理、无功补偿效果不理想等问题，特 别在10kV供电系统中，快速、准确、可连续的补偿技术没有得到实质 性的应用、中科院院士、清华大学教授卢强说：“我们致力于建设的不只是世 界第一流的，而且是世界上最强大、最安全的电力大系统。”无功功率是建立交流电、磁场所需的功率，在交流电力系统的设计 和运行中，无功功率是一个重要因素。对无功功率的补偿研究是十分 必要的，原因如下：1.由于成本的增加，提高电力系统运行效率的要求 日益迫切。2.输电网络的扩展已经受到限制。3.远距离输电要求解决稳 定性及电压控制问题。4.工业增长的需求和用户电子设备的增多，对供 电质量的要求越来越高。5.直流输电系统的应用研究表明，在换流器的 交流侧应该进行无功控制。无功补偿的目的：1.改善电压调整；2.提供静态和动态稳定；3.降 低过电压；4.减少电压闪变；5.阻尼次同步震荡；6.减少电压和电流的 不平衡。1.3无功补偿技术的发展人们很早就认识到无功功率的危害，认识到是系统中的电容和电感 元件产生的无功功率。最初人们使用了无源补偿方法，即通过改变网 络参数的方法对系统进行无功补偿，也就是将一定容量的电容器或电 抗器以并联或串联的方式安装在系统的母线中，如在高峰负荷下将并 联电容器接入系统中以防止电压过低。1.3.1传统的无功补偿技术传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等。 设置无功补偿电容器是传统补偿方法之一，并联电容器因简单经 济，灵活方便而得到广泛应用。缺点是只能补偿固定无功，不能跟踪 负荷无功需求的变化，即不能实现对无功的动态补偿，且还有可能与 系统发生谐波放大甚至谐振。传统的真空开关或接触器投切电容器的方法，投切电容器时会产生 很大的冲击电流，对电网造成干扰，由于投切瞬间主触头的拉弧现象， 导致主触头烧损，影响无功补偿的正常运行。因接触器动作速度慢，寿命短，所以不适用于快速频繁投切补偿电容器的场合。同步调相机又称同步补偿器，属于有源补偿器。作为并联补偿设计 的同步调相机实质上是一个被拖动到某一转速下并与电力系统同步且 空载运行的电动机。根据控制需要，控制其励磁磁场，使其工作在过 励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率。同步调相机可对系统进行动态补偿，但它属于旋转设备，运行中的 损耗和噪声比较大，维护复杂，成本高，响应速度慢。不适应各类快 速变化非线性负载的要求。1967年英国首先研制成功具有饱和电抗器的无功补偿装置（SR)。 SR分为自饱和型和和可控饱和型两种。自饱和型依靠自身固有的能力 来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收的无功功率的大小。可控饱和型是通过改变工作绕组的感抗来控制无功电流的大小。 这种补偿装置属于第一代静止补偿器。这种补偿装置造价高，损耗大，运行时有振动和噪声，补偿速度慢。 一般在超高压输电线路中使用。1.4无功补偿技术在我国供网中得应用国内早期无功补偿用得最多的是并联电容器。在低压（10kV以下） 供电网络中装设电容器组，以满足调压要求。1.4.1无功补偿技术在我国应用的历程20世纪70年代初，武汉钢铁公司1.7cm轧钢工程进口了比利时的 直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成静补装置后，引起国内相关 人士对可变无功补偿问题的注意。于是有人提出用大负荷调压变压器 改变并联电容器组端电压以调节无功的设想，终因调压器的操作开关 寿命不能保证而未能实现。1981年我国输电系统引进一套ABB公司的SVC装置投入凤凰山 变电站运行，到1990年共有五个500kV变电站采用6套进口 SVC装 置，容量在105-170Mvar之间，形式为TCR+TSC或固定电容器组（FC)。它们都曾在历史上发挥过作用。如凤凰山SVC投入运行后，对湖北电 网的安全、经济运行起到巨大作用，对抑制500kV过高压，增加输电 容量、保证系统电压稳定、改善系统电压水平、降低高压网损意义重 大。遗憾的是由于种种原因，这些SVC陆续退出运行，主要原因如下：1.早期国外供应商对中国电网不了解，初期投运时，SVC与系统之间 相互作用问题比较突出。2.早期控制系统采用模拟技术，系统运行可靠性差。3.因空间距离、费 用等方面的原因，使后期技术服务没有跟上，没有必要的技术升级措 施。这些系统越来越落后，没有办法运行。1.4.2我国lOkV配电网无功补偿技术的现状及实例图1我国供电系统内变电所10kV无功补偿装置目前均采用整组投入或 切除，运行时不能连续灵活调节，损耗也大。10kV无功补偿的关键技术问题：1.大功率电力电子器件串联技术 和补偿装置并网与电力系统保护配合技术。开关元件晶闸管的容量受 到限制。由于晶闸管是灵敏度很高的半导体元件，超过其额定值的冲 击电压或冲击电流都可能损坏晶闸管。2.高压侧直接取能方式的光电触 发及在线监测系统技术。3.抑制谐波问题。4.晶闸管驱动电路的设计技术。金杭市供电局与科研争位合作，研制开发了针对10kV变电站、电 弧炉炼钢等需要无功补偿应用场合的10kv、1200kVar的FC-TCR动态 补偿装置，并制定了相应的设计方案和技术措施。从此展开了 10kV配 电系统动态无功补偿技术的研究。2005年5月邓州市电业局在高集变电站10kV母线上安装无功补偿 装置。如图1示，该装置采用固定电容与可调电容（TSC)并联运 行方式，固定电容的容量为1.2Mvar，TSC部分的容量为1 Mvar，TSC 分成3级调节，为了调节不平衡负荷，采取分相补偿，并在TSC回路中 串联了电抗率为6%的电抗元件，用来抑制系统谐波。在试运行期间，该装置能够自动适应变电站各种运行方式的变化和 无功的变化，自动准确地投切补偿电容器，提高了电容器的运行时间及利用率，性能稳定可靠，功能达到了变电站无功补偿自动投切的控 制要求。投入前后的运行数据如表1-1。根据表1-1中数据分析，将投入两组和投入固定组进行比较，因补偿无功功率使母线相电流降低变压器输出功率降低：AS = yf3y(UI-U2I2) = x(0Axm0-0.6 x 770) = 4957kFA ( 1-1) 变压器的额定功率为40000kVA，此时可增加变压器输送能力： tj = 4957/40000 x 100% = 12.4%功率为40000kVA，此时可增加变压器输送能力： TJ = 4957/40000 x 100% = 12.4%(1-2)已知变压器的各种参数如下：额定容量为40000Kva;短路损耗为 151lkW;阻抗电压9.83%;空载电流0.25%;空载损耗为32.6kW。计算变压器的功率损耗：AP = PKUlS2N /(U22S22)(1-3)投入固定组后，变压器的功率损耗为Af；=38.52kW，(1-4)投入全部容量后，变压器的功率损耗为AF2=20.32kW。（1-5) 由计算结果可知，由于无功补偿，使变压器的有功功率损耗减少为 18.2kW。高集变电站仅为受端变电站，功率传输方向单一，故在输电线路 上必然也会由于末端功率的改变而导致线路损失的改变。1.5课题完成主要任务本文阐述了无功补偿技术的基本原理、基本方法及基本的控制策略，探讨了我国10k无功补偿技术中存在的主要问题及其解决方法。详尽分析了开关元件晶闸管的工作特性和技术参数，研究了晶闸管 串联技术，提出用晶闸管串联开关投切10kV电容器的方案，给出了晶 闸管串联开关的静态和动态均压方法，设计出了主电路结构，对晶闸 管参数的选择进行了分析和计算。本文对晶闸管触发技术进行了深入分析和研究，给出峰值触发方式 的晶闸管数字触发电路的设计方案，基于MATLAB仿真软件，对晶闸 管触发装置进行了实验研究，用仿真验证了电容器投切控制及其补偿 效果，得出与理论分析一致的结论。最后阐述了晶闸管触发系统的抗干扰措施。第二章 无功补偿技术的实现及控制策略电力系统网络元件的阻抗主要是感性的，因此在实际电力系统中， 包括异步电动机在内的绝大多数电气设备的等效电路可看作电阻和 电感L的串联电路。网络元件和大多数用电设备工作时将消耗无功功 率。这些无功功率必须从网络中某个地方获得。合理的方法是在需要 消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。2.1无功补偿的基本原理及功率因数与电路参数的关系在正弦交流电路中，网络复阻抗与电阻、电抗元件有阻抗三角形的 关系如图2-1所示，若复阻抗Z呈纯电阻性质，则电压与电流的相位 角相同，相位差 = 0，则此时负载只消耗有功功率，没有无功功率，若复阻抗呈感性或容性，9*0，则负载不仅消耗有功功率同时也消耗 无功功率。感性元件消耗无功功率，容性元件产生无功功率。复阻抗角的余弦函数COS0称为功率因数。COS由负载性质决定， 它与电路的参数和电源频率有关，与电源的电压、电流大小无关。如 图2-1所不，其中xl-Xc在供电系统中，电力网除了要负担用电负荷的有功功率凡还要 承担负荷的无功功率0。有功功率、无功功率和视在功率S有功率三角形的关系如图2-2所示。功率因数还可以用有功功率与视在功率的 比值表示C0S = |,它不但表明电力负荷的性质，而且表明电能质量的水平。由图2-2可以看出，在有功功率不变的情况下，无功功率的存在会使功率因数降低，视在功率增大。从而需要增大发、输电设备的容量，增加电力损耗，增加投资和运行费用，不利于电力的输送与合理应用。将电容器与感性负载并联是补偿无功的传统方法，无功补偿的目 的就是提高电网的功率因数。提高功率因数的前提是必须保证原负载 的工作状态不变。即：加至负载上的电压和负载的有功功率不变。将电容C与感性R、L电路并联后，如图2-3所示，总电流 j-L+fc。由相量图图2-4可知，并联电容后电压 和电流/的相位 差减小，功率因数提高了，根据并联电容的大小功率因数补偿结果有欠补偿、完全补偿（即：C0Sp = l)和过补偿三种情况，若补偿电容的 容量过大出现过补偿情况，此时复阻抗呈容性，供电电流/的相位超前于电压。2.2 无功补偿的基本方式无功补偿分为集中补偿、分组补偿、随器补偿和随机补偿。1.集中补偿是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母 线上，低压集中补偿方式适用于线路末端负荷波动幅度不大、基荷所 占比重较大、负荷容量较大，地点集中的场合。这种补偿方式的优点 是:可以就地补偿变压器的无功功率损耗。由于减少了变压器的无功电流。相应地减少了变压器的容量，也就是说，可以增加变压器所带的有功负荷。可以补偿变电所以上输电线路的功率损耗。可以就近供应380V配电线路的前段部分及所带用电设备的无功功率损耗。 便于集中控制。缺点是:它只能减少装设点以上线路和变压器因输送无 功功率所造成的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备 输送无功功率所造成的损耗。2.分组补偿是将电容器组按低压配电网的无功负荷分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相联接，形成低压电网内部的 多组分散补偿方式。该种方式是被补偿的无功功率不再通过主干线以 上线路输送，从而使变压器和配电主干线路的无功功率损耗相应地减 少，因而分组补偿比集中补偿降损节电效益显著，尤其是当用电负荷 点较多（比如多个车间），而且距离较远时，补偿效率更高。其优点: 有利于对配电变压器所带的无功进行分区控制，实现无功负荷就地平 衡，减少无功功率在变配电所以下配电线路中的流动，使线损显著降 低:分组电容器的投切随总的负荷水平而变化，其利用率较单台补偿 高，分组补偿虽然不如集中补偿管理方便，但比单台电动机补偿易于 控制。3.随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护 装置与电机共同投切。随机补偿的优点是:用电设备运行时，无功补偿 投入，用电设备停运时补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量= 具有投资少，配置灵活，维修简单等优点。在实际补偿中，应该遵循：全面规划，合理布局，分级补偿，就 地平衡；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿主；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，以降损为主的原则。2.3 无功补偿的控制策略根据控制物理量选择的不同，TSC所釆取的控制方法也多种多样。较为合理的补偿装置应最大限度提高电网的功率因数，且不发生过补偿，无投切振荡，无冲击投切，控制过程反应灵敏、迅速。按照控制物理量的不同无功补偿装置分为：无功功率补偿、无功电流补偿、功率因数补偿及综合型补偿。2.3.1单一物理量的控制方式时间控制法是最常用的控制方式之一，这种方法根据电网中用电 设备24小时无功功率变化情况，绘出全天无功变化负荷曲线，由无功 变化的时间规律决定定时投入或切除一定容量的补偿电容。例如主要 负荷在上午8点投入运行，到下午5点退出运行，而这期间负荷变化不 大，调整策略可整.定为上午8点投入电容器组，下午5点切除。显然这种控制方式简单，但只适用于负荷稳定且变化规律一定、 功率因数变化不大的场合。2.3.2 “九域图法”控制策略现阶段多参量综合控制通常以无功功率为基础电网电压上限値和 负载电流下限値作为控制电容器组投切的约束条件，实现电容器组的 智能综合控制。“九域图法”以控制器接入侧电压为主要控制目标，以无功功率 (或功率因数）为参考条件，通过界定电压和无功功率的上下限，将 平面分为九个区，规定不同区域内的控制方式，实现对电容器组和主 变分接开关的联合控制。目前在线运行的电压无功综合控制装置大多 基于此法。根据要求得到U、Q（COS）正常的范围后，可画出如图的九域图，其中，区域9为U、Q（COS）正常的区域。九域图控制法原理是调节有载调压变压器分接头及投切电容器，使系统尽量运行于区域9。调节有载调压变压器分接头位置或投切电容器改变无功补偿量Qc，都将引起变电站母线电压U和从系统吸收的无功功率Q（Q=Ql+Qc，其中，Ql为投切电容器前从系统吸收的无功功率）的变化，变化关系见表3.1（分接头正接）表1. 分接头正接时U、Q动作变化关系由表3.1可得出U、Q（COS）不正常的八个区域的控制顺序关系：区域1：COSCOSL，U UL，投入电容器，视情况调节分接头或不调分接头，使电压趋于正常。区域2：COSCOSL，U正常，投入电容器，视情况调节分接头或不调分接头，使电压恢复正常。区域3：COSUH，调分接头降压，电压正常后，投入电容器，否则不投。区域4：COS正常，UUH，调节分接头降压，至极限档位后仍无法满足要求，强行切除电容器。区域5：COSCOSH，UUH，切除电容器，视情况调节分接头或不调分接头，使电压趋于正常。区域6：COSCOSH，U正常，切除电容器，视情况调节分接头或不调分接头，使电压恢复正常。区域7：COSCOSH，UUL，调分接头升压，电压正常后，切除电容器，否则不切。区域8：COS正常，UUL，调节分接头升压，至极限档位后仍无法满足要求，强行投入电容器。2.4本章小结本章从无功补偿的基本原理出发，分析了功率因数与电路参数的关系，对补偿电容容量及参数的选择进行了计算，总结了无功补偿的基本方法及其对供电质量的影响，讨论了无功补偿的控制策略。第三章 无功补偿电路晶闸管触发系统的研究与设计随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子器件不 断问世，作为高性能电子开关-晶闸管器件的应用使无功补偿技术得到 迅速的发展。无功补偿技术中晶闸管作为开关作用的优势:一是作为投切电容器 的开关。晶闸管开关的响应时间短(微秒级)，而且能够精确选择电容器 的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使 用的可靠性和电力系统的稳定性。二是作为无功功率输出的调节开关。 由于晶闸管器件的高开关频率，使其能够方便地控制晶闸管的导通角， 从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功的变化。3.1晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管（THYRISTOR)是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流 管(SILICON CONTROLLED RECTIFIER SCR)晶闸管是一个三端子反相阻断半导体单向开关元件。在正常工作条 件下，仅当阳极和门级的电压对阴极为正时才能通过电流，晶闸管导 通后，门级失去控制作用，当流经外部电路的电流减小到零时晶闸管 停止导通。晶闸管为半控器件。3.1.1晶闸管的工作原理晶闸管导通的工作原理可以用双晶体模型来解释，如图3-1所示:(a)晶闸管的双晶体模型结构 （b)晶闸管的工作原理图对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流的电路称为门极触发电路。正是由于通过门极只能控制晶闸管开通，不能控制晶闸管的关断，所以晶闸管才被称为半控型器件。当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触 发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使己导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零 的某一数值以下。晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率过高；结温较高：光直接 照射硅片，即光触发。3.1.2晶闸管的特性分析及主要参数晶闸管的动态特性主要有开通特性、通态电流临界上升率、反向 恢复特性、关断特性、断态电压临界上升率等五个方面，其中开通和 关断特性是其最重要的动态特性指标。晶闸管的动态特性如图3-2所 示：1.开通特性开通时间&是延迟时间G和上升时间之和，&是将门极触发脉冲 加到未开通的晶闸管上，到阳极电流达到其额定电流值的90%所需的 时间，开通时间会随工作电压、阳极电流、门极电流和结温而变化。 开通损耗取决于开通期间负载电流的上升时间。2.通态电流临界上升率晶闸管开通期间，其导电面积是由门极向四周逐渐展开的，过快的开通会使电流集中于门极区，导致器件局部过热损坏。因此，在设 计时考虑到晶闸管的电流上升率di/dt应低于器件允许的通态电流临界 上升率。强触发可以提高器件承受di/dt的能力。3.关断特性当给处于正向导通状态的晶闸管外加反向电压时，阳极电流逐步衰 减到零，并反向流动达到最大值/心，然后衰减到零，晶闸管经过 时间I后恢复其反向阻断能力。由于载流子复合过程较慢，晶闸管要 再经过正向阻断恢复时间L之后才能安全的承受正向阻断电压。普通 晶闸管的关断时间约为几百微妙。关断时间取决于结温、阳 极电流、阳极电流上升率di/dt,反向电压和阳极电压，阳压上升率du/dt。4.断态电压临界上升率du/dt当在阻断的晶闸管阳极一阴极间施加的电压具有正向的上升率， 则由于结电容C的存在，会产生位移电流i = Cdu/dt而引起晶闸管的误 触发导通。因此，在设计时采用吸收电路的措施，使加于晶闸管上的断态电压临界上升率应该小于器件允许的断态电压临界上升率值。门极正向伏安特性如图3-3所示，可以分为可靠触发区、不可靠触 发区和不触发区等三个区域，门极特性中的最大和最小两条曲线反映 该器件在整个工作范围内可能出现的最大阻抗和最小阻抗，门极阻抗 随门极电流上升率的增大而增大。利用门极特性曲线设计晶闸管触发器时，使其两个稳定输出状态落入不可靠触发区和可靠触发区内，触发器输出负载线与特性曲线的交点(A, B, C, D, E, J, K、I点)确定了在 晶闸管开通延迟时间内流入门极所需的最小电流(E，J点)和在运行中触 发器可能输出的最大电流(1、K点）。4.额定电压断态重复峰值电压断态重复峰值电压是在门极断路而 结温为额定值时允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。(3)通态（峰值）电压这是晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。5.电流变化率和电压变化率如果通过晶闸管的实际电流的变化率超过其限制，或晶闸管两端电压的实际变化率超过其限制，都将导致晶闸管被击穿。3.2晶闸管串并联技术及其参数的计算用于配电网的TSC或TCR的额定电压大于单个晶闸管的额定电压值，可以将晶闸管串联起来以满足电压要求。3.2.1 晶闸管串联技术两个反极性晶闸管并联构成晶闸管级，由多个晶闸管级串联起来称 为晶闸管串，作为幵关单元晶闸管串承受最大两倍的峰值线电压。对于lOkV的配电线路的SVC并联电容器采用三角形连接，每相晶闸管串承受的最大电压为28.3kV。晶闸管静态截止时，由于其漏电流不同，其漏电阻也不同，使晶闸 管的端电压分布不均匀，造成静态均压问题。晶闸管在关断和开通的 过程中也存在动态均压问题。各晶闸管反相恢复电荷不同，其关断时 间也不同。关断电荷少，关断时间短。先关断的晶闸管会承担外加电源电压，造成动态电压不均。各晶闸管的开通时间不一致，即使同时触发，开关时间短的元件先导通，于是全部正向电压都由其余尚未导 通的晶闸管承担，如果动态均压不良。可使其中某一晶闸管的正向电 压超过转折电压，造成硬性转折，对元件是一种损伤。所以每个晶闸 管的性能和参数尽可能完全相同。两个以上晶闸管级串联运行可以提高整体的工作电压，但需要解决 静态和动态均压问题。串联运行电压分配不均的因素主要有：1静态伏 安特性对静态电压的影响；2关断电荷和开通时间等动态特性对均压的影响；3杂散电容对均压的影响。在选择晶闸管元件时，尽量选择性能、参数完全一致的元件，采用强触发脉冲、光纤传输触发信号可以减小开通时间上的差异，可以有效改善开通过程中的动态均压问题。若选择晶闸管阀两端电压为零时触发晶闸管，则不会出现开通过压问题。多个晶闸管级串联后将电气和机械部件结合，包括所有连接线、辅件和机械结构，可与SVC的每一相的电抗器或电容器串联构成晶闸管阀。TSC开关电路晶闸管阀每相一组的主电路如图3-4所示。为避免晶闸管承受过电压或过电流应采取保护措施。晶闸管元件过电流保护方法中常用的是快速熔断器，当电路出现过 电流时，在晶闸管元件发生热击穿之前，快速熔断器迅速熔断，达到 保护晶闸管的目的。恶劣误触发带来千安级的冲击电流，阀两端可能出现4倍峰值电 压，在阀两端并联避雷器，限制过电压的同时可旁路部分冲击电流， 有效限制di/dt値。大电流流过晶闸管阀时，将会使元件发热，若不能将元件结温控制 在规定的范围内，可能导致元件的击穿。晶闸管元件的通流水平在很 大程度上与能否保持元件的结温有关，当晶闸管额定容量不大时，可 在元件上加装散热器或采取强制风冷的冷却方式，对于大容量的晶闸 管阀采用油冷或采用低电导率水胶混合液冷却方式。3.3晶闸管投切电容器主电路的接线分析无功补偿装置的主电路是指电容器组和晶闸管开关及其附件构成的与电网直接连接的部分电路。三相电容有两种连接形式：Y接线和 接线。电容器为Y接时，晶闸管开关和每相电容串联接入电网，组 成无功补偿的主电路。电容器接时，晶闸管开关可以在内控制和 外控制。接只适用于三相共补电路，如果三相电路负荷不平衡、三相功率因数和电流差异较大，TSC主电路只能采用Y接法，以满足 分项补偿的要求。TSC常见主电路A接线方式如图3-5所示。采用接线方式见图3-5 (a)，晶闸管电压定额可以降低，但电流 定额增大。电容器电压降低会提高单位价格，同时投入时会产生短时 不平衡中线电流。若采用无中线的接法，电容器组可以选择某一三相 电容器。由于没有中线的电位固定作用晶闸管可能承受过大电压，在 相同容量的情况下，流过晶闸管的电流也较大。.接线角内控制方式见图3-5 (b),晶闸管截止时承受最大反向电 压是两倍线电压的VI，但电容器的耐压降低。接线角外控制方式见 图3-5 (c)，与图3-5 (b)相比晶闸管的耐压有所降低，但电容器的耐 压将升高。TSC采用厶接线方式具有一定优势：1可以降低晶闸管阀的电流容量；2电容器电压没有中性点引起的电压漂移；3避免中线电流。若釆 用Y连接，晶闸管中的电流是A接的力倍，而且投切过程中可能有较 大的中线电流，将产生较大的电压漂移，影响投入时的准确角度，可 能产生投切冲击电流。电网的无功补偿主回路都采用晶闸管作为三相电子开关，这种电路 使用晶闸管元件数量较多，相应的触发电路也多，结构复杂，投资大。若每个晶闸管级采用一只晶闸管和一只二极管反并联构成三相电子幵关即“3+3”电路结构可较少晶闸管的数量，这种电路的特点是每次 切除电容器时，电容器的残压总是保持电源的峰值电压，这样晶闸管 重投时，只要脉冲序列从系统电压峰值开始触发就可以保证平稳过渡。 其缺点是第一次送电时仍会发生电流冲击。为了降低成本，人们研究出了结构简单、工作可靠、使用元件少 的TSC投切开关的主电路结构。在图3-6所示主电路中，图(a)用2只 晶闸管和1只二极管组成主电路电子开关，称为”2+1”电路，图（b) 和图（c)分别用2只晶闸管和2只二极管构成主电路电子开关，称为 “2+2”电路。“2+1”电路结构是电容器组接成星型，星点处用1只晶闸管和1 只二极管接成三角型。工作时，电路通过二极管给两相电容器预充电 至一半的峰值线电压，在电源线电压负、正峰值时触发晶闸管，在任 意时刻均有两只管子导通，每只管子导通角为240。三个元件的关断 时间不同，关断时元件端电压也不同，二极管为3倍的线电压，2只晶 闸管分别为3.5倍或2倍的线电压。“2+2”电路是在三相电源的两相上分别用1只晶闸管和1只二极管 反并联连接组成三相开关电路，电容器组接成三角型也可以接成星形。 该电路的工作原理与“2+1”电路相似。一相晶闸管和二极管承受3.5 倍电源线电压，另一相承受3倍线电压。晶闸管重投时，需要考虑电容器的残压，系统电压与电容器残压 相等时刻（允许有小差值），就是晶闸管投入的触发时刻。由于电容器 两端的电压不能突变，当系统电压与电容器残压的差值较大时，触发 晶闸管会产生很大的冲击电流，将损坏晶闸管。增大串联电抗器可以降低冲击电流，或选择大的晶闸管。这需要 增加投资。为了确定触发的合适时刻，可选择脉冲序列作为晶闸管的 触发信号。无论电容器残压有多高，它总是小于系统电压幅值，在一 周期中，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。选择晶闸管承受反压的 时刻作为触发脉冲序列的开始时刻，这样晶闸管由反压转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态。 3.4晶闸管触发系统的研究与设计近些年，晶闸管投切补偿电容器装置（TSC)较好的解决了用接触器投切无功补偿电容器装置存在的问题。由于晶闸管是无触点开关，其使用寿命可以很长，而且晶闸管的投入时刻可以精确控制，能做到 快速无冲击的将补偿电容接入电网，大大降低了对电网的冲击，保护 了补偿电容器。所以其得到了广泛的应用。3.4.1无功补偿装置系统结构无功补偿装置硬件结构如图3-7所示，从三相母线上引出电压信号和电流信号接入控制装置，其中引入的电压信号需要先经过变压器进 行调压进入控制装置后，由控制装置对输入的电压信号和电流信号 进行采集、控制、通信等任务，而后输入到晶闸管控制电路触发脉冲到可控硅，以有效地控制可控硅及时、准确地进行无功补偿。控制装置的系统硬件结构如图3-8所示，输入进的电压信号和电流 信号将分别流进电压采集前置电路和电流采集前置电路，以完成系统的数据采集任务，具体地说就是采集传感器输出的模拟信号并转换成 计算机能够识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理, 得出所需的数据。电压采集前置电路和电流采集前置电路唯一的不同 就是电流采集前置电路需要先经过电流变电压电路完成电流到电压的 转变。再进入A/D采样最后输入进计算机，由计算机对信号进行处理 后，输出到以上的晶闸管控制电路。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸 管在需要的时刻由阻断转为导通。触发脉冲的参数包括脉冲电压和脉冲电流，设计时还应考虑脉冲的 陡度和后沿波形，脉冲的相序和相角以及与主电路的同步关系，同时 还应考虑门控电路与主电路的绝缘隔离问题和抗干扰、防止误触发问 题。由于晶闸管是半控器件，导通后触发脉冲失去控制作用，为了减 小损耗，多采用单脉冲或脉冲序列。晶闸管触发脉冲和触发电路应满足以下要求：1.触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲的宽度应能保 证阳极电流上升到大于擎住电流。由于晶闸管的开通过程只有几微秒，若触发电流小于擎住电流，几微秒后触发脉冲消失时晶闸管不能维持 导通而关断，因此对脉冲宽度有一定要求。2.触发脉冲应有足够的幅度，触发电路所提供的触发电压和触发电流的幅度应大于产品目录所提供的可触发电压和可触发电流，从而保证晶闸管可靠触发，但不得超过规定的门极最大允许触发电压和最大允许触发电流，实际触发电流可整定为3-5倍的额定触发电流。3.触发脉冲应有足够的输出功率，并能方便获得多个输出脉冲。每 相中多个脉冲的前沿陡度不要相差太大。为了获得足够的触发功率， 在控制电路中通常需要功率放大电路。4.触发脉冲形式的要求：（1)晶闸管触发电路必须保证加在晶闸管 门极上是一个对阴极为正的触发脉冲。（2)触发脉冲的宽度可以调制， 以便得到宽脉冲、窄脉冲或脉冲序列等。也可采用对宽脉冲进行高频 调制，得到脉冲序列。（3)触发脉冲应与主电路同步，触发信号与电 源电压保持固定的相位关系，避免导通时的冲击。（4)触发脉冲的移相范围应满足主电路的要求。5触发电路应有良好的抗干扰能力、温度的稳定性及与主电路的电 气隔离。晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路引起的， 因此需要在触发电路中采取屏蔽等抗干扰措施，以防止误触发。3.4.2晶闸管触发方式的分析根据控制系统的投切命令，选择合适的时刻产生触发脉冲，驱动 晶闸管导通。晶闸管的驱动对控制补偿支路投入时的涌流起着关键作用，若触发时机不当，会产生接近支路本身固有频率的涌流，这个涌流对装置本身的元件以及用电设备的正常运行产生不良影响，频繁投切时可能造成元件的烧毁。若电容器投入电网时的残压与晶闸管导通时的电网电压相差较 大，由于电容器的端电压投入前后不能突变而产生很大的冲击电流，很可能损坏晶闸管或给电网带来高频冲击。要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。晶闸管端电压过零触发方式电容器残压的不确定性使晶闸管电压不能根据电网电压来计算，可采用检测晶闸管两端电压过零时刻驱动晶闸管。原理图见图3-9。晶阐管两端的电压相等（电位差为零)即确定电网电压与电容器残压相等时，触发晶闸管。在图3-9中，晶闸管两端电压经电阻降压后送入光电耦合器，交流电压瞬时值与电容器相等时晶闸管上的电压为零，零电压检测电路输出一脉冲，与投切指令相与后启动触发电路，触发相应晶闸管。考虑到滤波电抗器的影响，以及电容器对系统电压的影响，晶闸管 端电压可能存在没有零点的情况，在这种情况下，选择晶闸管端电压 最接近零时刻驱动晶闸管。检测晶闸管端电压过零信号电路设计繁琐，在高压装置中实现困难，对10kV无功补偿晶闸管触发电路不建议采用此种方法。电网峰值电压触发方式晶闸管在电网电压的正或负峰值时触发导通投切电容器组。晶闸管 触发同步电路输入信号取自电网电压信号，经同步变压器降压后，电 阻限流驱动光电耦合器，提供同步信号。这种方式信号隔离，系统可靠性高，动作速度快。但对触发电路有严格的相序要求，应设计相序错电路功能，当错误触发时，晶闸管 有很大冲击电流，能引起电网电压畸变，瞬间相序破坏，用此功能闭 锁晶闸管，保护主电路。电网峰值电压触发方式，采样回路中宜设计滤波功能，滤除电路谐波，提高出发时刻的准确性。该种触发方式结构复杂，但调试安全，运行直观可靠。3.5晶闸管触发电路的设计及仿真晶闸管触发电路的结构主要有同步电路、移相电路、脉冲产生电 路及功率放大电路构成。其结构框图如图3-10所示。同步电路的功能是保证触发脉冲每次产生的时刻，都能准确地对 应主电路电压波形的某一时刻如电压过零时刻或峰值电压时刻等。即 保证触发脉冲和主电路电压同步。通常采用的方法是将主电路的电压 信号直接引入或通过同步变压器或经过阻容移相电路引入作为触发同 步信号。移相控制电路的功能是调节触发脉冲发生的时刻（即调节控制角的大小），常用锯齿波与给定信号电压比较进行移相控制。