摘要： 提出国内10kV以上晶闸管动态无功补偿装置的研制和生产具有很大的发展空间，分别介绍了一种1/10kV、1200kvar的晶闸管控制电抗器（TCR）与固定电容器组（FC）并联使用，即FC+TCR动态无功补偿装置的技术原理、技术方案、技术措施以及各项技术指标。并介绍该装置与计算机在线检测监视系统相结合在无人值守变电站中的应用情况。设计方案提倡采用国内技术与进口关键元器件相结合的设计思想，同时实现降低成本和提高可靠性2项指标。
关键词： FC+TCR；静止无功补偿装置；晶闸管；闭环控制；远程通信
晶闸管控制电抗器（TCR）与固定电容器组（FC）并联使用的静止无功补偿装置FC+TCR是国外近15年来才投入使用的高新技术产品。国内目前开发的该类产品只能在400V左右电压等级徘徊，无论从规模上还是技术上均与国外存在很大差距。国外35kV、100Mvar的晶闸管动态无功补偿装置已有广泛应用，国内虽也有存在应用10kV
FC+TCR、TCR或TSC的例子，但几乎都是使用国外的技术。因此，研制和生产10kV以上、大容量的晶闸管动态无功补偿装置，具有很大的发展空间。金坛市供电局选择TCR、FC+TCR的晶闸管动态无功补偿技术作为科技项目与科研单位进行合作，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的动态无功补偿装置，并制定了相应的设计方案和技术措施。
1 技术方案
研制10kV，1200kvar FC+TCR的动态无功补偿装置时，技术方案设计受晶闸管耐压的限制。以6kV耐压的晶闸管举例计算，10kV的TCR需要6只晶闸管串联构成单一回路，同时由于是正反相导通，每相需要12只晶闸管以反并联的形式接入。所以，一台三相10kV的TCR至少需要36只晶闸管才能满足耐压的要求。
由于10kV，1200kvar的TCR电流值较小，一般的晶闸管都能满足电流的要求。1200kvar的TCR需要使用250A的晶闸管，如果需要生产大容量的TCR系统，则可采用晶闸管并联的方法扩大容量。
除了大容量晶闸管外，TCR主回路每相还须配以6套LC吸收电路，6套限流电阻R（三相共18套），用于吸收晶闸管斩波时产生的过电压，起到过电压保护作用。
由于晶闸管是灵敏度很高的半导体元件，一般的超过其额定值的冲击电压或冲击电流都可能损坏晶闸管，所以需要精心设计LC吸收电路和限流电阻，传统的二次继电保护方法由于反应速度过慢，不适合应用于TCR的保护，只能应用于FC回路的保护。
2 技术措施
（1） 附加谐波的消除。晶闸管斩波不可避免的会产生谐波，FC+TCR的谐波可以利用以下途径消除：① 补偿装置以三角形方式连接，消除3次谐波和所有其他零序谐波分量。②
并上5次、7次滤波器消除5次、7次谐波，高次谐波含量很小。如采用以上措施，电压和电流谐波均能控制在国标规定的电压和电流的限值以内。
（2） 晶闸管驱动电路。就晶闸管的控制而言，10kV的TCR至少需要6组晶闸管驱动电路，由于每一组驱动电路需要驱动6只晶闸管，因此对驱动电路的电流要求较高。同时，驱动电路和晶闸管门电路之间必须使用光纤通信，用以减少损耗和排除晶闸管斩波时造成的高频干扰。
（3） 控制模式。FC+TCR的控制采用电压大闭环、电流小闭环的反馈控制系统，其控制模式有2种：①开环控制。开环控制为导通角直接控制，它通过查表的形式，由电流的需求量控制晶闸管的导通角。②闭环控制。闭环控制为电压控制，经过PI控制器后确定电流的参考值，再经过电流控制回路选择（查表）控制角，进而将控制角转变成一个时间变量与相应的导通角（0°～90°），从而提供晶闸管的门电路触发信号，控制功能由数字信号处理（DSP）芯片实现。由于控制量输出与导通角之间存在一对一和三角函数的关系，同时电流需要限流保护，电流控制量容易饱和，所以电流小闭环中存在严重的非线性关系。传统的控制理论不能完全解决问题，需要采用非线性控制理论中的鲁棒控制、自适应控制、模式识别等高级算法。其闭环控制系统如图1所示。
图1 动态无功补偿系统内部控制图
（4） 远程通信。项目的弱电部分还包括远程通信。例如，晶闸管动态无功补偿装置在无人值班变电站的应用，因为它能够无级、连续调节无功的输入（出），所以一经运行就无需专人维护。该项目将配置一套计算机在线检测、监视系统，该系统可将以下信息通过工业以太网络或SDH传送到供电系统的计算机监视系统：①晶闸管动态无功补偿装置运行状态（正常，故障）；②无功补偿装置的补偿量（消耗无功，发出无功）；③节点电压；④前24
h无功功率补偿情况的历史曲线；⑤前24h节点电压变化的历史曲线。
远程通信将利用电力系统现有的工业以太网或SDH，通过标准的TCP/IP模式进行传输。该系统设计了数据采集系统和通信接口，同时在电力系统终端计算机监控系统中增加了无功补偿装置的所有信息。
远程通信除了具有使综合管理部门对补偿装置以及临近的用户进行直接监视的作用外，更重要的是便于售后服务。计算机在线检测是快速诊断，是快速消除故障的最有效办法。系统总体结构见图2。该系统采用美国TI公司或Motorola公司的DSP中央处理芯片，进行实际计算和逻辑运算，同时配以美国International
Rectifier（IR）的驱动器模块作为晶闸管的驱动电路。该系统装有人机对话接口，通过RS485/RS232与笔记本电脑进行联系，调试人员将通过该接口实现实时控制和检测，同时系统室内电气柜上安装相关仪表，用以显示系统运行状态和有关补偿信息。
图2 系统总体安装设计图
3 技术指标
该TCR，FC+TCR晶闸管动态无功补偿装置设计和预期实现的技术指标为：①电压等级为10kV；②容量为1200kvar；③采取连续控制模式；④响应速度≤10ms（1/2周期）；⑤谐波电压THD≤2%、谐波电流THD≤5%，或在国标的限值以内；⑥损耗≤2%。
4 结束语
10kV，1200kvar TCR是目前最能被用户接受的晶闸管动态无功补偿装置，它既能利用现有的电容器静态无功补偿装置，又能在多个晶闸管串联的情况下，保证其容量和电压等级达到供电系统的要求。由于国内很多研究单位都引进国外的技术，成本过高是无法避免的。因此提出自行研制技术，同时采用进口晶闸管等关键元器件，这样就能保证低成本和高可靠性相结合的特点。在35kV变电所的10kV母线和电弧炉钢铁厂等某些特殊用电单位，必将能得到广泛的应用。
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