10kV配电线路实时动态无功补偿研究论文03306.doc

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1、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 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

2、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 (华文行楷，小初， 单倍行间距 真 ABSTRACT This paper analysis the adverse effects of reaction power in

3、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

4、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

5、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

6、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 m

7、ode 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 ： reacti

8、ve power compensation; static var compensation; thyristor; trigger control circuit； MATLAB Simulation 目 录 目录 摘 要 2 ABSTRACT .3 目 录 4 第一章 无功补偿技术的发展、现状及展望 .1 1.1 无功补偿技术研究的背景 1 1.2 无功补偿技术研究的目的和意义 .1 1.3 无功补偿技术的发展 2 1.3.1 传统的无功补偿技术 .2 1.4 无功补偿技术在我国供网中得应用 .3 1.4.1 无功补偿技术在我国应用的历程 .3 1.4.2 我国 lOkV 配电网无功补偿技

9、术的现状及实例 4 1.5 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 .6 2.1 无功补偿的基本原理及功率因数与电路参数的关系 .6 2.2 无功补偿的基本方式 .7 2.3 无功补偿的控制策略 .8 2.3.1 单一物理量的控制方式 .8 2.3.2 “九域图法”控制策略 8 2.4 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 .11 3.1 晶闸管的工作特性及主要参数 .11 3.1.1 晶闸管的工作原理 .11 3.1.2 晶闸管的特性分析及主要参数 12 3.2 晶闸管串并联技术及其参数的计算 .13 3.2.1 晶闸管串联技术 14 3.3 晶

10、闸管投切电容器主电路的接线分析 .15 3.4 晶闸管触发系统的研究与设计 .17 3.4.1 无功补偿装置系统结构 .17 3.4.2 晶闸管触发方式的分析 .19 3.5 晶闸管触发电路的设计及仿真 .20 3.5.1 同步信号检测电路 .21 3.5.3 脉冲触发电路的仿真实验 22 3.6 晶闸管脉冲触发系统的抗干扰措施 .23 3.7 本章小结 24 第四章 10kV 无功补偿系统的仿真研究 .25 4.1 晶闸管触发系统的 MATLAB 仿真 25 4.1.1 非峰值电压时刻触发晶闸管的实验 .26 4.1.2 峰值电压时刻触发晶闸管的实验 .28 4.2 基于电容器投切控制的无功

11、补偿系统的 MATLAB 仿真 29 4.3 本章小结 .33 第五章 结论 34 参考文献 35 致 谢 36 1 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

12、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 2

13、003 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，

14、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 2 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

15、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

16、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

17、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

18、3 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

19、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

20、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。 4 1.4.2 我国 lOkV

21、 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、

22、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

23、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。 5 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% =

24、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

25、.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

26、致的结论。最后阐述了晶闸管触发系统的抗干扰措施。 6 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

27、 = 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

28、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。 7 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

29、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。

30、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 8 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

31、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

32、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

33、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 9 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

34、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

35、出 U、Q（COS）不正常的八个区域的控制顺序关系： 区域 1：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。 10 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

36、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。 11 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

37、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

38、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。 12 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

39、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

40、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 13 后才能安全的承受正

41、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

42、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

43、)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。 14 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

44、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

45、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。 15 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

46、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

47、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。 16 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 (

48、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

49、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。 17 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