无功补偿装置原理与应用

本文讲述了无功补偿的基本概念，介绍了各种无功补偿装置的原理和应用。电压闭环控制的原理框图如图17所示。图中的Uref为参考电压。从图18所示的TcR+FC型SVC的电压一电流特性中可以看出，改变Uref，也就是改变特性在纵坐标轴上的截距，使特性的水平段上下移动。纵坐标轴左部分的特性相当于反向并联晶闸管的导通角为零，仅有固定的补偿电容器FC并联在母线上的情况。而纵坐标轴右部分的特性相当于反向并联晶闸管导通，TCR接在母线上，并与FC并联的情况。此时，IL所对应的感性无功功率与IC所对应的容性无功功率的差值，即为负载的感性无功功率。

在介绍线性化环节时，曾说过线性化环节的作用是实现Bref与BL之间的线性关系，BL线性跟踪Bref。但在电压闭环控制中，参考信号为Uref。此处，Bref与Uref是等效的。

另一点需要说明的是，U～F应为直流信号，图l6和图17中的电压检测单元除包括电压检测以外，还应包括整流和滤波单元。这样，得到的U～的反馈信号U～F才是直流信号，与Uref比较后，得到其差值△U，△U经过PI调节器和包括线性化环节在内的触发单元得到导通角为θ的触发脉冲序列，得到稳定的输出电压U～。

从以上分析可知，TCR+FC型SVC的电压一电流特性在纵坐标轴上的截距是由参考电压Uref决定的，而该特性的斜率是由比环系统的开环放大倍数决定的，所以，改变PI调节器的放大倍数就可以改变特性的斜率。

混合型SVC的电压一电流特性如图19所示。实际上，特性0—1—1′，0—2—2′，0—3—3′和0—4—4′分别是图13中并联的补偿电容器分别为1组、2组、3组和4组的TCR与补偿电容器配合使用时的电压一电流特性。由此所形成的混合型SVC在补偿电容器组切换时，与TCR的控制相配合，其最大的容性无功功率和相对应的最大的感性无功功率的电压一电流特性为0—4—1′。在补偿电容器组进行切换时，TCR的控制器应随着补偿电容器组的投入或切除，发出相对应的控制信号，实时地调整TCR的触发导通角，使所增加的容性无功功率(补偿电容器组投入)或减少的容性无功功率(补偿电容器组切除)被TCR的感性无功功率的增加或减少所平衡。为了防止在切换点发生断续，要求TCR的感性无功功率略大于补偿电容器切换时的容性无功功率。

如前所述，在TCR+FC型SVC中，要求TCR的感性无功功率大于FC的容性无功功率，这样，若FC的补偿容量很大，则TCR的补偿容量会更大。但在?昆合型SVC中，TCR的补偿容量只要满足“在线”的补偿电容器的补偿容量即可。混合型SVC的这个优点也带来了不足，即在实际运行中，应尽量避免补偿电容器组的过于频繁的投切，特别是在TCR+MSC型SVC中，为使系统可靠运行，要防止补偿电容器组的过于频繁的投切造成机械开关的失控。

为了提高控制精度，通常在电压闭环控制的基础上引入补偿电流的反馈控制，其控制原理框图如图20和图21所示。在图20中，引入了电流内环反馈控制。若电流调节器的放大倍数足够高，或者采用有积分作用的电流调节器，电流内反馈的控制精度达到很高，则整个控制系统的精度完全由电压调节器的输出信号Iref所决定，即混合型SVC的电压一电流特性的斜率由电压调节器的放大倍数来决定。

图2l与图17相比，增加了电流反馈，此时的调节器具有积分作用，稳态电压偏差为零，可实现对稳态电压的精确控制。电流反馈的作用是根据SVC的无功电流ISVC的大小来修正参考电压Uref。所以，电流反馈单元的增益K，决定了混合型SVC的电压一电流特性的斜率。而其动态特性是由调节器的积分增益和系统的时间常数决定的。显而易见，图16为图17和图21的合成。

2.3 晶闸管投切电容器(TSC)

1)晶闸管投切电容器(TSC)的工作原理晶闸管投切电容器又称为TSC型静止无功功率补偿器。TSC的原理图如图22所示。图中给出的是单相TSC的原理图，对于三相电路来说，三相TSC为三个单相TSC的组合。在图22中，反并联晶闸管的作用是将补偿电容器投入电网或从电网切除，图中的小电感L1，L2，L3，…，Lk的作用是抑制补偿电容器投入电网时可能产生的冲击电流。

当支路1的反并联晶闸管导通，而其他支路的反并联晶闸管关断时，只有补偿电容器C1投入电网，其工作情况如与1.1节介绍的无功功率补偿电容器完全相同，其补偿容量由C1决定。当k个支路全部投入电网时，补偿容量最大。所以，TSC实际上是一个分组投切的无功功率补偿电容器。

2)补偿电容器的分组方式

补偿电容器的分组要综合考虑电容器组合的级数和性价比两个方面。一般情况下，采用“二进制”分组方式。即在k组补偿电容器中，有k一1组的电容器的容量相等，均为C，只有1组的电容器的容量为C/2。这种分组方式可以得到2k种电容器组和。图23为TSC的电压一电流特性。由于有2k种电容器组和，相应的有2k个电压一电流特性。

3)补偿电容器的投入时刻

选定补偿电容器投入电网的时刻，对于TSC来说是非常重要的。当反并联晶闸管导通时，补偿电容器投入电网。所以反并联晶闸管导通的时刻，就是补偿电容器投入电网的时刻。若补偿电容器投入电网的瞬间，电网电压与补偿电容器上预先充电电压不相等，补偿电容器C上的电压uc将随电网电压产生一个电压阶跃duc，电容器电流ic为

从式(30)可以看出，当duc/dt很大时，将产生很大的电容器电流ic，这一冲击电流可能造成反并联晶闸管的损坏，也可能产生高频振荡，对电网造成不利的影响。当电网电压达到峰值电压时投入补偿电容器，在此处电网电压的变化率(时间倒数)为零，电容器电流也为零，此后，电网电压的变化率按指数规律变化，电容器电流也按指数规律变化。这样以来，补偿电容器投入瞬间，电容器电流不会产生跃阶，即不会产生冲击电流。图24给出了补偿电流器投入时的波形图。图中的ug为反并联晶闸管的触发电压，在电网电压为峰值电压u～M时，ug触发晶闸管导通，补偿电容器投入电网，此时，电容器电流ic等于零。