晶闸管串并联电抗补偿器优化方案

1.晶闸管控制的串联电容补偿器

在电网线路中，由于无功电流的存在，使功率因数小于1，发电机、变压器、线路、开关电器等，虽然其额定电流已经达到最大允许值I_M，但它们发送的功率P却随cosϕ的降低而减小，也就是cosϕ越小，无功电流、无功功率越大，电力设备流过的电流I越大，功耗和发热温升越严重。

在输电电路中串入电容可以补偿电感的影响，提高输电能力。图7-44为晶闸管控制的串联电容补偿器，它主要由晶闸管控制的电感L与一个电容C并联，然后再串联到线路上。通过控制晶闸管的触发延迟角，改变电感的大小，从而可以连续调节A、B两点间的等效容抗X_C，此外，还可以调控B点的电压，改变输电线路或电网中的有功无功潮流分布，使系统达到最优。

图7-44b为电容两端的电压、电流波形，电容两端电压为，在ωt=α（α≥π/2）和ωt=π+α时，依次触发VT₁、VT₂，这时VT₁、VT₂支路的等效基波感抗X_l为

α的控制范围为π/2≤β≤π，可见，改变触发延迟角α，就可以改变A、B两点的等效感抗大小。

特殊情况下，当触发延迟角α=π时，X_l（α）=，此时，相当于电感支路断开，A、B两点的容抗为

当触发延迟角时，X_l（α）=ωl=X_l，A、B两点的容抗为

图7-44 晶闸管控制的串联电容补偿器

a）原理图 b）时电容两端的电压、电流波形

2.晶闸管并联电容器

晶闸管并联电容器如图7-45所示。图7-45a为带晶闸管投切并联电容的电力系统图，交流电压经变压器T和线路电抗X_L后对负载供电，负载的端电压为，电阻电感性负载电流为，功率因数角为ϕ，负载中的有功电流为I_p=Icosϕ，无功电流为I_Q=Isinϕ，感性无功电流滞后电压，有功功率P=U₂Icosϕ=U₂I_p，无功功率Q=U₂Isinϕ=U₂I_Q。负载电流I流经电源、变压器和线路电阻时所产生的功率损耗I²R和发热、温升与电流二次方成正比。受功率损耗、发热和温升限制，发电机、变压器、线路、开关电器等一切电力设备都允许通过一定数值的最大电流I_M。当感性负载的无功电流使功率因数小于1时，发电机、变压器、线路、开关电器等电力设备尽管其电流已经达到最大允许电流值I_M，但它们能发送的功率P却随cosϕ的降低成比例地减小，即电力输送设备功率容量的利用率成比例地减小。换而言之，如果电力设备输送功率一定，cosϕ越低，无功电流、无功功率越大，则电力设备所流过的电流I=P/（U₂cosϕ）就越大，功率和发热就越严重。

图7-45a中，在负载处，经双向晶闸管开关VT接入一个电容C，电容器的容抗为X_C=，流入电容C的容性电流I_C超前电压。如果选取C的大小使I_C等于负载感性无功电流I_Q，即

I_C=U₂/X_C=2πfCU₂=I_Q=Isinϕ （7-32）

则

则负载的感性无功电流I_Q将被流入电容器C的容性电流所补偿，于是电容器和感性负载并联后的等效负载就只有有功电流，等效负载的功率因数为1，发电机、变压器、线路、开关电器就只流过有功电流I_P、只传输负载的有功功率P，减小了功率损耗。

图7-45 晶闸管并联电容器(www.xing528.com)

a）带晶闸管投切并联电容的电力系统图 b）相量图 c）感性电流相量图 d）容性电流相量图

电容器的投切相当于一个滞后无功电流源、滞后无功功率U₂I_C发生器。由于电容器两端电压不能突变，因此电容器投入电网，即触发晶闸管导通的脉冲信号应该在交流电网瞬时值过零时刻。

晶闸管投切电容所能补偿的滞后无功功率大小由电容C的大小和交流电压幅值的大小决定。由于负载无功功率的大小是随时变化的，因此设置一个或两个电容器不可能任意时刻都恰如其分地满足需要。过度的无功功率补偿会使cosϕ小于1，因而设置多个小容量的TSC，根据实际负载无功功率的情况进行分级投切，才可能得到较好的补偿效果。

顺便指出，负载电流流过变压器和线路电抗时会引起电抗压降。图7-45a中的和两端电压降为

如果用户负载电流是感性电流I_Q，如图7-45c所示，则与同相，比小I_QX_L。如果负载电流为容性电流，如图7-45d所示，则与同相，比大I_CX_L。所以负载电流流过变压器和线路电抗时会使负载端电压U₂下降，而容性负载电流流过变压器和线路电抗时会使负载端电压U₂上升。因此，图7-45a所示的TSC的另一个优点是提升负载端电压。

3.晶闸管相控并联电抗器

晶闸管相控并联电抗器如图7-46所示。图7-46a为由双向晶闸管VT₁、VT₂和电抗器L组成的晶闸管相控电抗器TCR电路，VT₁、VT₂按相控方式工作。图7-46b为三相电路中的3个TCR电路。以A、B相间的TCR为例，如果，令VT₁的触发延迟角为α，如图7-43c所示，在ωt=OA=α时触发VT₁，从ωt=OA开始VT₁导通，电感L流过的电流i可表示为

图7-46 晶闸管相控并联电抗器

a）带TCR及TSC的电力系统 b）三相TCR电路 c）晶闸管相控电抗器TCR

在ωt=π+α时触发VT₂导通，直到ωt=2π+（π-α）=3π-α结束导电的电流负半波期间，有

当交流电源经晶闸管相控RL负载时，若α小于或等于功率因数角ϕ，电流i为正弦波。纯电感负载的功率因数角ϕ=90°，所以，要对电感进行相控，触发延迟角α必须大于90°，如图7-46c所示。如图7-46c所示α＞90°的情况下，在α≤ωt≤π的AB期间，电感L外加正电压u_AB，电流i从零上升。在ωt=2π-α时i下降到零。在AB期间电感存储磁能，在BC期间电感释放磁能。半个周期中VT₁的导通持续角度θ=2（π-α）＜π。在电源电压负半周期ωt=π+α时VT₂被触发导通，电流i在ωt=2π、u_BC=0时达到最大负值，然后减小到零。VT₂在半个周期中导通电角度也是θ=2（π-α）＜π。因此，图7-46b电路中晶闸管的触发延迟角α的调整范围是90°～180°，电流正、负半波宽度θ=2（π-α）≤π。由式（7-37）、式（7-38）和图7-46c中的电流i作傅里叶分析可求得其基次谐波和n次谐波电流的有效值I₁、I_n为

电感L的等效基波电抗为

α≤π/2=90°时，电流为完整的正弦波，无谐波，I₁=I=U₂/（ωL），θ=π。当α从90°增大时，I₁减小，谐波电流I_n≠0。控制晶闸管的触发延迟角α，即可改变等效电抗的大小，调控电抗器的基波无功电流I₁。

实际应用中，通常采用晶闸管投切电容器TSC、晶闸管相控电抗器TCR和无源LC串联谐振电路组成无功功率和谐波电流综合补偿系统。图7-46a中，如果负载主要谐波电流为5次，则可令图7-46a中的L₀C₀对5次谐波串联谐振，L₀C₀对5次谐波而言其串联阻抗为零，L₀C₀支路分流负载的全部5次谐波电流。对基波而言，L₀C₀支路为一个容性电路，它流入容性电流，或者说向电网输出感性电流，补偿负载的部分感性无功电流。图7-46a中的TSC根据负载无功功率情况投入电网或从电网切除，TCR侧实时控制触发延迟角α的大小，连续地调控其基波无功电流，并与L₀C₀支路、TSC支路的基波电容电流相加共同补偿负载的基波无功电流，使电网功率因数接近于1。