毕业设计（论文）-静止无功补偿控制器设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 42 页 共 41 页编号： 毕业设计说明书题 目：静止无功补偿控制器设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 高 工 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2008年 6 月5日42摘 要随着电力电子整流、换流技术和大功率晶闸管装置在各种电气设备中的广泛应用，无功问题在电力系统中已日趋严重。无功需要保持平衡，否则将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题对网络降损节能有着极为重要的意义。无功补偿就是对无功功率进行调度以改善交流电力系统的供电质量,无功功率补偿装置在供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低损耗，提高供电效率。提高功率因数可以改善设备利用率;提高功率因数可以减少电压损失，减少线路损失，提高电力网的传输能力。作为无功功率的主要补偿手段，基于晶闸管控制的静止无功补偿器(SVC)可以较好地对无功进行补偿。本论文对目前公共电网补偿使用的静止无功补偿的基本理论及装置结构进行了分析，包括并联饱和电抗器型静止无功补偿（SR）、晶闸管控制电抗器型静止无功补偿（TCR）和晶闸管投切电容器型静止无功补偿（TSC），并研究了电网功率因数检测的理论和方法。针对补偿目标，以有效、可靠、动态响应速度快为目标，设计了无功补偿控制装置，可以有效控制目标系统的功率因数，对于稳定母线电压，提高供电质量，减少无功引起的损耗有积极的意义。关键词：静止无功补偿器；晶闸管；SR；TCR；TSC；功率因数AbstractWith the extensive application of electronics rectifying and converting technology and high power thyristor device in various kinds of electric equipments, the problem of reactive power becomes more and more serious. Reactive power should keep in balance, or the system voltage will be dropped, seriously, it will result in damage to equipment, and the system solutions will be out. In addition, the voltage and power factor of the power network are dropped, making less use of electrical equipment, decreasing network transmission capacity ,and increasing loss . Therefore, to resolve the issue of compensation has a very important significance for the reduction of energy loss in power network. Reactive power compensation is the way to dispatch reactive power , in order to improve the power quality of AC in power system. The role of the reactive power compensation devices in the power supply system is to improve the power factor and reduce losses and improve power supply efficiency. Increasing the power factor can improve equipment utilization, increasing the power factor can reduce the voltage loss and line losses, increase the transmission ability. The static and transient stabilities can be improved，voltage flicker can be restrained，and power factor can be increased.As a main solution to compensate reactive power, static var compensator based on thyristor-controlled can compensate reactive power preferably. This paper further discusses the basic principle and its equipment structure of the static var compensator , including saturated reactor, thyristor controlled reactor and thyristor switched capacitor ,which is used to compensate public power network so far. And the power factor detection theory and its realization method are studied. Aimed at compensating object, our target is effective, reliable and has fast dynamic response .The control strategy of the designed SVC equipment is valid and reliable, and the equipment can compensate power factor efficiently and its respond speed is high. Voltage of line has been stabilized and power quality has been increased. it has a positive significance in reducing loss which is caused by reactive power. Key words： Static Var Compensator; thyristor; saturated reactor; thyristor controlled reactor; thyristor switched capacitor; power factor目 录引言11 绪论11.1 本文的研究背景11.1.1研究背景11.1.2无功补偿的必要性与作用21.2 静止无功补偿器（Static Var Compensator）的分类31.3 静止无功补偿器（Static Var Compensator）的发展趋势51.4本论文的主要任务62.任务要求与总体设计方案62.1 设计任务要求62.2 总体设计方案72.2.1设计框图72.2.2系统模型72.3方案分析论证与选择92.3.1无功补偿控制器设计方案92.3.2功率因数检测方案93晶闸管控制电抗器（TCR）原理与设计103.1工作原理103.2 TCR主电路设计103.2.1 TCR电抗器的设计计算103.2.2 TCR晶闸管阀的设计计算124 晶闸管投切电容器（TSC）原理与设计154.1 工作原理154.2 主电路的选择164.3 投切判断与信号检测174.4 零电压投入问题194.5 晶闸管触发电路205 功率因数检测系统硬件设计205.1原理概述205.2主电路设计215.2.1 8254芯片介绍215.2.2 单片机原理215.2.3 测量原理235.2.4 液晶显示模块255.2.5 误差分析276系统软件设计286.1 软件总体设计思路286.1.1 软件设计原则286.1.2主程序框架设计296.2子程序设计306.2.1 8254计数程序306.2.2液晶显示程序317系统功能调试337.1 硬件调试337.2 软件调试338结束语34谢 辞35参考文献36附 录137附 录240附 录341引言 随着我国国民经济的迅速发展，越来越多具有运行功率因数低、非线性、非对称性和冲击性等特点的工业用电设备和民用用电设备接入配电网中，由此产生了功率因数低，电压波动和闪变，电压三相不平衡，高次谐波污染等诸多的电能质量问题。在电力系统中，电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一，而无功与电压有着极为密切的关系。一方面，电压变化时无功负荷的变化远远大于有功负荷的变化；另一方面，无功负荷引起的电压波动也远大于有功负荷的变化。如果电力系统的无功电源比较充足，就能满足较高水平下无功平衡的需要，系统也将具有较高的运行电压水平，反之，无功不足就反映为运行电压水平偏低，可能造成电压崩溃，从而破坏电力系统的安全运行和运行稳定性。因此，电压和无功的合理调整在提高电能质量、降低网损、操作电网运行的稳定性和安全性等方面具有极为重要的意义。调整无功的方法就是根据无功功率的大小来调整电网无功补偿器的大小。无功功率是交流电力系统的一个重要因素。它对电力系统的输电能力和稳定运行都是十分重要的。电网中有很多元器件要消耗无功，还有大多数的用户负荷都要消耗无功，而线路中大量的传输无功功率是很不经济的，所以，电网相关规定要求，对无功功率最好进行就地补偿。 静止补偿速度快,精度高,稳定性和寿命都好,改善电负荷的功率因数，具有显著的节能效果；同时在系统中采用特定的电感器，可有效防止谐波放大、有效吸收大部分谐波电流，达到谐波治理的目的。1 绪论1.1 本文的研究背景1.1.1研究背景近年来,由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加。无功电源如同有功电源一样是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题对网络降损节能有着极为重要的意义。传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机(SC-Synchronous Condenser)，自二三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中，一度发挥着主要作用。然而由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都很大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已经无法适应快速无功功率控制的要求。70年代以来，同步调相机JT始逐渐被SVC所取代，目前有些国家甚至已经不再使用同步调相机。早期的静止型无功补偿器的研究静止无功补偿装置是饱和电抗器(SR- Saturated Reactor)型的，1967年英国CEC公司研制了世界第一批该种装置。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，相应速度快;但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。然而随着电力系统的发展，对无功功率和谐波进行快速动态补偿的需求越来越大;70 年代以来，现代电力电子技术的出现和发展为谐波和无功功率装置的动态控制提供了可能;近几十年来电力电子技术在电气拖动领域中的广泛应用，积累了大量的应用经验，技术上也日趋成熟。正是在电气拖动领域中得到广泛应用的相控技术，脉冲宽度调制(Pulse width Medulation-PWM)技术和四象限变流技术为各种形式的静止无功功率补偿装置和有源滤波器提供了原型。静止型无功补偿装置开始逐步走上无功补偿的历史舞台。晶闸管获得广泛应用以后，以晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR)和晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor-TSC)为代表的静止无功补偿装置(SVC-Static Var Compensator)有了长足的发展，可以对变化的无功功率进行动态补偿。80年代以来，随着电力电子技术的进一步发展以及瞬时无功功率理论的提出，一种更为先进的静止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的新型静止补偿器(STATC0M-Static Synchronous Compensators)。在谐波抑制方面，则出现了电力有源滤波器(Active Power Filter-APF)，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流由补偿装置产生一个与该谐波大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。这在基本原理上和新型静止无功补偿装置是相同的。近年来 ，随着以GTO、GIBT和IGCT为代表的全控型器件向大容量和高频化化发展采用电力电子技术的各种新型有源补偿装置发展非常迅速，新近出现的新型静止无功功率补偿装置，链式结构STATCOM，摈弃了常规STATCOM的多重变压器，在体积、性能等诸方面显著优越于常规的装置.1.1.2无功补偿的必要性与作用补偿就是对无功功率进行调度以改善交流电力系统的供电质量。在理想的交流电系统中，每一电源点的电压和频率都应该是恒量、无谐波且功率因数为1。无功补偿往往同功率因数校正及电压调整联系在一起，所谓功率因数校正通常是指应尽可能在靠近需要无功功率的负荷处产生无功功率，而不应向遥远的电站去取用无功功率。大多数工业负荷的功率因数是滞后的，就是说它们吸收无功功率。所以负荷电流大于单纯供给有功功率时的值。在能量转换过程中，有功功率才是真正有用的，多余的负荷电流，对用户而言只是一种浪费。因为用户不仅要为多余的输电电缆容量付钱，而且要为电力电缆中多余的焦耳损耗付钱。电业部门同样不希望从发电机向负荷输送不必要的无功功率，否则一方面他们的发电机和配电网络得不到充分有效的利用，另一方面，电网电压的控制也会变得更为困难。因此，多年来对低功率因数负荷的用户实行惩罚性的收费标准。而且提高功率因数的意义在于:改善设备利用率;提高功率因数可减少电压损失;减少线路损失;提高电力网的传输能力。在负荷对无功功率的需求不断变化的情形下，电压调整就变成一件重要的甚至是关键的事情。所有负荷的无功功率需求都是变化的，虽然变化的范围和变化的速度很不一样。在所有的情况下，负荷对无功需求的变化，会引起电源点电压的变化(或调整)，这可能影响到与该点连接的工厂的运行效率，导致不同用户的负荷间的互相干扰。为了防止发生这种事情，法令规定电力公司必须保持电源电压的变化在指定的限度内，一般是5%(在几分钟或几小时内的平均值)，但在某些场合，比如当大幅度的急剧的负荷变化所产生的电压将会危害保护设备的运行或产生损害视力的闪烁的情况下，这个限度就比5%要小得多。补偿设备在完成使电源电压维持在预期的限度内这一任务中，起了十分重要的作用。最显而易见的改善电压调节的方法，是增加发电机的容量与台数和使网络连接更加紧密，以加强电力系统。一般来说，这种方法将是不经济的，并将带来运行上的一些问题。改善电压调整更为实用和经济的办法，是根据负荷要求的最大有功功率来确定电力系统的规模，而用补偿器和其他设备来处理无功功率。这些设备调度起来比发电机更为灵活，且又不会增大故障水平。另外，电源电压中的谐波分量是评价供电质量的一个重要参数。谐波的频谱全部高于工频基波，这是其特点。谐波常用滤波器来加以限制，然而，谐波问题却往往与补偿问题同时产生。还有，许多补偿器本身就产生谐波，必须在内部加以消除或在外部加以滤除。同时，补偿对提高电力系统暂态稳定性有作用。1.2静止无功补偿器（Static Var Compensator）的分类SVC是目前电力系统中应用最多，最为成熟的并联型的并联补偿设备，它也是一类较早得到应用的FACTS控制器。静止无功补偿器 (SVC)包括与负荷并联的电抗器或电容器，或两者的组合，且具有可调/可控部分。可调/可控电抗器包括晶闸管控制电抗器(TCR) 或晶闸管投切电抗器(TSR)两种形式。电容器则通常包括与谐波滤波器电路结合成一体的固定的或机械投切的电容器，或者对电容进行高速或频繁投切时所采用的晶闸管投切的电容器(TSC)等形式。（1）自饱和电抗器(Saturated Reactor ,SR)优点是勿需复杂的控制系统，维护较简单，反应时间较短，运行可靠。缺点是噪音大，本身在三相不平衡时产生较多谐波电流。工作点受电压波动的影响较大，制造工艺复杂且价格较高，在大容量领域难以广泛应用。（2）可控硅投切电容器(Thyristor Switched Capacitor ,TSC)特点是反应时间快，适用范围广，分相调节且装置本身不产生谐波，损耗小;但只能分级调节，且价格较高。10KV 以上难以广泛应用，而在1kV以下使用很广，进口设备最高用在8kV。（3）可控硅控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)具有反应时间快(10-20ms),无级调节，分相调节，补偿无功，平衡有功，运行可靠，适用范围广，价格较便宜等优点，实际应用最广，在抑制电弧炉负荷产生的闪变时，几乎都采用这种型式。（4）可控硅控制高漏抗变压器(Thyristor Controlled Transformer, TCT)具有TCR几乎所有的优点。由于TCT变压器一、二次绕组损耗较大，比TCR的效率低:同时，运行时噪声较大。研究表明，从补偿器容量和价格等角度进行综合比较，补偿容量在25Mvar以下选用TCT比较经济，在25Mvar以上的补偿容量则不宜采用TCT而应采用TCR.图1-1 SVC的常见组合方式表1-1中列出了以上四种型式的综合性能比较。表1-1 目前常见的几种SVC性能比较型式自饱和电抗器晶闸管控制电抗器晶闸管控制漏抗变压器晶闸管投切电容器英文缩写SRTCRTCTTSC无功输出连续，感性/容性连续，感性/容性连续，感性/容性分级，容性动态响应时间约10ms约10ms约10ms约1020ms分相调节不能能能能限制过电压能力很好依靠设计依靠设计无自生谐波量小有有无吸收谐波能力好好好无噪音大较小稍大很小直接接入超高压不可不可可以不可控制灵活性差好好好损耗率约0.71%约0.50.7%约0.71%约0.30.5%运行维护简单较复杂较复杂较复杂1.3 静止无功补偿器（Static Var Compensator）的发展趋势随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋势主要有以下几点:(1)在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。(2)快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等。数字化(微机控制)的调节器也将逐步取代传统的模拟调节器.(3)目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制是通过变压器降压接入的，如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义，关键问题是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等。(4) 由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术静止型无功补偿器的研究的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。现在 S V C已成为一种有效的无功功率控制手段。SVC对于电弧炉、轧机等波动性负荷的补偿技术已日趋成熟，基本实现国产化。电力系统和电气化铁道等应用领域还有待于开发，提高SVC装置国产化程度，研制出具有自主知识产权的、性能优异可靠的SVC具有十分重要的意义。当代电网无功补偿发展的趋势是朝着优化补偿和动态平滑调节的方向发展，今后的SVC将在数据处理和动态响应方面有更大的提高。随着电网管理部门对功率因数考核的提高，SVC在电网中的使用有着非常广阔前景。1.4本论文的主要任务本论文的主要内容：（1）分析SVC的发展历程，组成结构，控制策略、作用等。（2）晶闸管控制电抗器（TCR）电路设计。（3）晶闸管投切电容器（TSC）电路设计。（4）功率因数测量或电压测量电路设计。（5）通过实际调试，验证控制策略的正确性，分析其误差原因。2.任务要求与总体设计方案2.1 设计任务要求设计一套无功控制装置，当系统中无功过剩时，采取并联电感补偿，当无功不足时，采取并联电容补偿，其中并联电感通过可控硅控制导通，电容器可通过自动开关控制投切，实现与电压调整相适应的无功功率补偿；设计实现静止无功自动调控的功能与电路结构，使系统功率因数维持0.9左右。制作演示装置，实现控制器的某项典型功能，例如功率因数测量或电压检测。2.2 总体设计方案2.2.1设计框图静止无功补偿控制装置是一个比较完善的系统，其制作一般要经过初步设计、详细设计、制作调试等阶段。我们在制作过程中，考虑具体情况，分步细化。其设计主要包括两大部分：静止无功补偿器设计和功率因数检测电路设计。静止无功补偿控制设计主要包括原理设计和方案比较，从整体上来讲，补偿器设计必须与电压调整、功率因数稳定相适应；功率因数检测电路设计包括硬件设计和软件设计，通过检测电网动态功率因数，从而实现静止无功自动调控，维持功率因数在0.9左右。总体方案设计框图如图1-1所示。2.2.2系统模型假设一个小型变电所，母线电压为=10KV，三绕组变压器的变比为10.5/38.5/121KV，其供电负荷统计如下：S=60+j40 (MVA)则功率因数 按要求应当采用无功补偿器将功率因数补偿到0.9以上： 解得 Q=29（Mvar）故补偿容量至少为 Q=40-29=11（Mvar）设计方案无功补偿器设计功率因数检测设计硬件设计原理设计方案比较最优方案选择控制方案整合软件设计调试实现预期功能主控模块驱动模块显示模块方案分析论证方案确定图1-1 总体方案设计框图2.3方案分析论证与选择2.3.1无功补偿控制器设计方案方案1：饱和电抗器（SR）饱和电抗器(Saturated Reactor，SR)可分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器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无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装置组成的静止无功补偿装置属于第一批静止补偿器。早在1967年，这种装置就在英国制成，后来美国通用电气公司(GE)也制成了这样的静止无功补偿装置，但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大23倍，另外这种装置还有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢。由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。方案2：可控硅投切电容器(Thyristor Switched Capacitor ,TSC)特点是反应时间快，适用范围广，分相调节且装置本身不产生谐波，损耗小;但只能分级调节，且价格较高。10kV以上难以广泛应用，而在1kV以下使用很广，进口设备最高用在8kV。方案3：可控硅控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)具有反应时间快(10-20ms),无级调节，分相调节，补偿无功，平衡有功，运行可靠，适用范围广，价格较便宜等优点，实际应用最广，在抑制电弧炉负荷产生的闪变时，几乎都采用这种型式。根据设计要求，我们必须在无功不足和无功过剩两种情况下实现无功的调节，我们可以采取方案2和方案3,又因为系统母线电压为10KV，故方案3为最优选择。2.3.2功率因数检测方案为了实现三相低压系统功率因数无级柔性补偿分相进行，需要对三相系统中每相电路的动态功率因数精确测量。结合实际系统，利用单片机技术，可以有以下两种测量方法。方案1：利用单片机和可编程间隔定时器8254进行测量。该方案的优点是无需精确地定出8254的计数起始时间和结束时间，非常方便，其不足之处是需要元件较多，必须利用D触发器判断系统呈感性还是容性。方案2：利用单片机和多路模拟转换开关CC4052组成测量电路。该方案与第一种方案相比，可以节省4个比较器，并不需要另加器件来判断系统性质是感性还是容性，但误差较大。综上所述，以及实际系统的调试问题，我们选择方案1。3晶闸管控制电抗器（TCR）原理与设计3.1工作原理如图3-1所示为晶闸管控制电抗器的原理和电流波形图，Th1与Th2为两个反并联的晶闸管，分别在电源电压的两个半周内导通，触发延时角在0/2范围内调节。为0时吸收的感性无功最大 (即短路功率)，为/2时吸收的感性无功最小 (即空载功率)。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后于电压近似90,电流基本上是感性无功电流，而触发延时角在-/20之间会产生含有直流分量及偶次谐波在内的不对称电流产生，故0时不用。图3-1 TCR原理接线和电流波形图通过控制晶闸管的触发延时角，可以连续调节流过电抗器的电流。电流(晶闸管阻断)到最大值 (晶闸管全导通)之间变化，相当于改变电抗器的等效电抗值。触发延时角增大的影响是减少电流的基波分量，相当于电抗器的电感量增加，减少了它吸收的无功功率。3.2 TCR主电路设计3.2.1 TCR电抗器的设计计算TCR为SVC系统的一个组成部分，图3-2为其主接线，它的工作原理前面已经论述，本节主要讨论TCR电抗器设计的相关计算。 图3-2 6脉冲TCR结构简图 TCR电抗器的热稳定电流 目前在国际标准 (IEC289-1988)和国家标准(GB10229-88)中均没有给出相应的条例给予说明，各个电抗器制造公司给出的数值也没有明确的计算依据和科学解释。众所周知，(电抗器热稳定电流)设计过大，会增加制造成本，造成浪费，设计过小则不利于设备的安全运行，因此科学合理的确定很有必要。以下TCR的运行特点及安装环境等因素探讨相关的设计计算方法。 TCR延迟触发角实际的移相范围是根据电抗器的额定容量 (电流)来确定，而可能出现的晶闸管全导通以及其他短路冲击等因素决定了TCR电抗器的热稳定电流和动稳定电流。（1）额定电流 由于TCR通常采用三角形接线方式，因此TCR电抗器的额定电流可以由额定容量直接计算得到: (3-1) 式中，UTCR电抗器所连接的系统电压，kV QTCR的额定容量，MVar（2）热稳定电流 TCR电抗器的热稳定电流与下列几个因素有关: 系统电压偏差，一般为士5%士10%,当下述情况同时发生时取5%:不同时发生时取10%. 晶闸管触发失控 (=0.即处于全导通状态)，或者某支路的上、下两个电抗器之间的绝缘柱因污染、受潮或雨淋等被击穿时，造成整个晶闸管阀被短路，此时相当于电抗器负载直接接在系统上。 某支路的上下两个电抗器中的一个因某种因素发生闪烁短路，该支路只有一个电抗器接入系统中，支路阻抗 (感抗)为原来的二分之一，这种情况在室外露天安装的TCR电抗器中可能发生。 上述三种因素有同时存在的可能性，此时电压偏移不会大于5%。因为TCR是一个感性负荷，系统中突然增大的感性负荷会引起系统电压的降低。 当晶闸管被短路 (与=0时等效)时流过电抗器的电流为: (3-2) 式中，W一一系统中电压角频率，W=2f L一一支路中一个电抗器的电感量 考虑5%的电压偏移，则有: (3-3) 再考虑一个电抗器被短路，该支路中只有一个电抗器工作的情况，则 (3-4) 只考虑一个电抗器被短路和5%的电压偏移，假如此时TCR电抗器工作在最大负荷 (I=I)，则: (3-5) 考虑到电抗器的安装布置方式，应该有针对性的设计电抗器的相关参数，对于室外露天安装的电抗器I(热稳定电流)应该大于其中的最大值。而对于室内安装或可靠防止雨水侵袭的半露天等环境安装下的电抗器，其热稳定电流I应该大于I。（3）动稳定电流动稳定电流依据工程实践经验，通常选取为2.5倍的热稳定电流，即=2.5I。3.2.2 TCR晶闸管阀的设计计算 TCR的一次系统设计包括主电抗器，高压晶闸管阀，保护用避雷器等，其参数选择合适与否直接关系到装置的性能。上节讨论了主电抗器设计的注意事项，本节主要讨论高压晶闸管阀的设计，主要包括晶闸管的选择，动态均压电阻和电容的选择，静态均压电阻的选择及转折二极管 (BOD)保护元件的选择等。 当电力电子装置中一个臂的工作电压大于单只器件所允许的电压时，就需要数只器件作串联连接。电力电子器件串联时，由于他们的伏安特性、开通时间、恢复电荷等方面的分散性，将会影响他们直接串联时的电压均衡。为了实现串联器件的均压，需要在器件特性的选配、均压电路等方面采取一定的措施。（1）晶闸管的选择一般很难或者不可能准确知道TCR晶闸管阀在关断时所承受的反向恢复电压的最大值，因为反向恢复电压的幅值与电力系统的供电质量有很大关系，供电质量又依赖于诸多因素，如设备所处的位置、环境以及运行时间和所采取的保护措施等。此外TCR晶闸管阀还涉及到多个晶闸管的串联，它们之间还有一个暂态和稳态均压的过程问题。典型的电压设计原则是，晶闸管阀的承受最大重复电压峰值为晶闸管阀在额定工况下运行电压峰值的23倍，即总的电压过冲因子为23,通常取总的电压过冲系数为2. 5。例如，晶闸管安装处的额定电压为35kV，使用重复电压峰值为6500V的晶闸管，则串联的晶闸管的个数为: (3-6)若采用三只热备用，则串联的总个数为22只。晶闸管额定电流的选择不仅与额定运行时流过晶闸管的电流有效值有关，而且还与电流的波形系数、晶闸管的导通压降、晶闸管和散热器的热阻及冷却方式或环境温度有关。通常保守的设计时，按电流有效值相等的原则，并考虑5倍的裕度，则晶闸管的额定电流为: (3-7)式中，为额定相电流，即主电抗器的基波额定电流。例如= 750A，代入上式，可以求得I1800A。故可以采用ABB公司生产的5STP18M6500型号的晶闸管。（2） 串联器件的稳态均压 在串联器件出现阻断状态时，由于其伏安特性不一致，若直接串联时将分担不同的电压。因此串联电力电子器件的稳态均压是指，当器件处于正向阻断或反向阻断状态时，其承受的电压要均衡。 稳态均压的常用方法是给每只串联器件并联一支均压电阻Rp。为了获得较好的稳态均压，Rp的值取决于串联器件的漏电流值及它们的漏电流之差，当漏电流差值很小时，Rp可取较大的值，如果不考虑串联器件漏电流的差异，则Rp()值可由下式确定 (3-8)式中U一对于晶闸管而言，其取值为额定正向重复峰值电压U及额定重复反向电压U 中的较小值； I一一对应于U的额定重复峰值漏电流； K一一均压系数，通常取0.80.9。（3）串联器件的瞬态均压串联器件存在着开通时间及反向恢复电荷的差异，因此在开通及关断的过程中会出现瞬态的电压分配不均衡。瞬态均压的目的就是将由此瞬态电压分配不均衡所造成的过电压抑制到允许值。瞬态均压的措施之一是在每只串联器件的两端并联RC阻容吸收电路，以便吸收瞬态过电压。 串联晶闸管开通过程中的瞬态过电压与开通时间有密切关系。其开通时间差异大时，则后开通器件的瞬态过电压随之增大，可能造成串联晶闸管损坏。当串联器件数量多而门极触发电流不足时，最容易发生这种情况。为抑制瞬态过电压，可采取的措施通常有两个。首先是给串联晶闸管提供强触发脉冲，以提高串联晶闸管开通时间一致性。其次，在门极强触发的基础上，选择开通时间差异性小的晶闸管来构成串联臂 (晶闸管阀)，再加上RC瞬态吸收电路的作用，就能将开通瞬态过电压抑制到允许的程度。 当串联晶闸管采用门极强触发措施后，由反向恢复电荷差异造成的关断过电压便变为瞬态均压的主要问题。由反向恢复电荷差异造成的过电压，与串联晶闸管反向恢复电荷的差值及瞬态吸收电路的电容C有关，其值为： Umax=Qmax/C (3-9)式中 Umax一一晶闸管承受的最大关断过电压 (V); Qmax一一串联晶闸管之间反向恢复电荷的最大差值 (C); C一一瞬态均压电容器的电容量 (F )。 抑制关断过电压的吸收回路电容C的值可由下式计算: (3-10)式中一一换相电压，其最大值为变压器输出侧线电压的峰值(V): 一一晶闸管的串联数目。 串联电阻R的作用是抑制回路中电感与电容引起的振荡，并限制晶闸管触发开通时电容C的放电电流值。从抑制振荡及限制导通时的放电电流来说，希望R值大。但R值人时由于电容C充电的电流会在R上产生较高的电压值，使得晶闸管容易遭受过电压。所以R值的选取要综合考虑这两方而的因素，一般取R=10 30欧姆。 对于无功补偿的串联晶闸管阀，由于它运行于交流工作状态，由正反并联的器件构成。通常反并联的两只器件可以共用一组RC均压器件，不仅器件较少，而且反并联的两只器件可实现直接相互保护。此种晶闸管阀相当于静止交流开关，其间上的电压几乎没有直流分量，所以不必并联电阻实现静态均压，只采用RC均压电路就可以实现静态及瞬态均压。(4)转折二极管(BOD)的选择晶闸管串联高压阀中，由于串联器件较多，各晶闸管的触发瞬间有可能不一致，甚至出现个别器件丢失触发脉冲的现象发生，此时最后触发导通的晶闸管或不能触发导通晶闸管必定会遭受过电压而击穿损坏。为了避免这种情况发生，可以使用具有雪崩击穿特性的转折二极管 (BOD)来进行保护。BOD在一定的导通宽度及导通电流下能承受次转折而不损坏，它具有雪崩击穿特性因而开通速度快，击穿电压稳定度高，特别适合于串联阀臂的触发异常过电压保护。 BOD的保护既要考虑其在过电压情况下进行可靠保护，又要防止其频繁动作，所以BOD的保护电压的选择一般如下: (3-11) 其中，二为晶闸管中运行时可能出现的最高电压峰值，包括反向恢复电荷引起的电压偏移，其计算参见式(3-9)。U二为BOD的保护电压值;U 为晶闸管的正向重复电压。4 晶闸管投切电容器（TSC）原理与设计4.1 工作原理图 4-1为晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置。其中图4-1a是单相电路图，两个反相并联的晶闸管是电容器的投切开关，串联电感(小电感)是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流的，在很多情况下这个电感不画出来。在工程实际中，一般将电容分成几组，如图4-1b所示，每组都通过晶闸管投切。这样，每组就可以根据负载的无功要求进行投切。TSC实际上就是分级可调的吸收电网容性无功的动态静止无功补偿器，其电压-电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图4-1c 中的OA、OB、OC。当TSC用于三相电路时，可以是三角形连接，也可以是星形连接，每一相都设计成如图4-1b所示的分组投切形式。电容器分组的方法很多，从理论上讲，分组越多越好，但是，综合考虑到成本和系统的复杂性等要求，分组还是有限制的。早期的电容器分组投切都是用机械开关投切的，由于机械开关动作比较慢，投切时间不好掌握，一般会产生较大的冲击电流。和机械断路器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的，而且采用晶闸管进行投切，可以精确控制投切时刻，减小投切时的冲击电流。图4-1 晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置(a)单相原理图 (b)多组TSC并联电路 (c)电压-电流特性TSC型无功补偿装置控制简单，损耗小，缺点是投切时易产生冲击电流，响应速度慢，不能实行平滑调节。为了能实时地平滑调节无功，往往将TCR和TSC联合起来组成混合型静补装置。4.2 主电路的选择图4-2 TSC无功补偿装置的主电路图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4-2所示。图4-2a4-2d方案为三角形接线，其中图4-2a、4-2b中的电容器为单相电容器；图4-2c、4-2d中的电容器为三相电容器（内部已接成三角形）。 图4-2a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4-2b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4-2a方案。其原因是：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4-2a在半个周波内完成，即不大于10ms；方案4-2b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4-2d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4-2e方案和图4-2f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。现采用图4-2a方案，晶闸管电压值U的选择要考虑电力电容器上的充电电压，可按式（4-1）选择： （4-1）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可按式（4-2）选择： （4-2）式中 f为50Hz，C为电容（微法）。4.3 投切判断与信号检测本文设计的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4-3是电容器无功补偿系统示意图。负载电源图4-3 电容器补偿的系统示意图设节点电压为: （4-3）负荷电流为： （4-4） 即 （4-5）其中，ip(t)和iq(t)分别为有功电流分量和无功电流分量。当t=2k时 （4-6）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。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）。基于上述原理的无功电流幅值检测原理电路框图如图4-4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4-4可知，如果，则实现了完补偿。由 （4-7） （4-8）可得： （4-9）C即为全补偿所需投切的电容