晶闸管投切电容器在电网中的应用

晶闸管投切电容器在电网中的应用
摘要：随着我国经济的快速发展，各种大功率整流、变频等工业电子设备的广泛应用，在电网建设和运行过程中，电网电压波形畸变、功率因素低、谐波严重，对电网造成大量污染，造成很大的损耗。

采用晶闸管投切电容器对配电系统进行无功补偿，可有效提高电网功率因素，降低变压器和输电线路的功率损耗，增强变压器输送能力，提高电网输电效率，节能降耗，减少电网建设和运行成本。

关键词：电网晶闸管投切电容器无功补偿节能降耗
一、引言
随着我国经济的快速发展，各种大功率整流、变频等工业电子设备的广泛应用，在电网建设和运行过程中，电网电压波形畸变、功率因素低、谐波严重，对电网造成大量污染，造成很大的损耗。

为了提高电网的传输能力，稳定供电电压，提高电能利用率，节电降耗，保护环境，减少成本，有效途径就是对配电系统进行无功补偿，提高功率因数。

随着电力电子技术的发展，高压晶闸管的诞生和广泛应用，新型的静止无功补偿设备—晶闸管投切电容器（Thyristor Switch capacitor一TSC）逐步取代了机械式开关投切电容器。

晶闸管开关是无触点的，操作寿命几乎是无限的，有效提高电容器和开关设备的使用寿命，且晶闸管的投切时刻可以精确控制，能够快速、频繁、无冲击地将电容器、电抗器等设备接入电网，大大减小了投切时的冲击涌流和操作困难，并可实现分相补偿。

二、TSC 工作原理
TSC型补偿器是一种断续可调的发出无功功率的动态补偿装置，其基本原理如图1所示。

常用的是三相电路，可以是三角形连接，也可以是星形连接。

两个反并联的晶闸管起着把电容器C并入电网或者从电网断开的作用，串联的电感L 很小，用来抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流。

在实际工程应用中，为避免容量较大的电容器组同时投入或切断会对电网造成较大的冲击，一般把电容器分成几组，这样可以根据电网对无功功率的要求而改变投入电容器的容量，成为断续可调的动态无功功率补偿器[1]。

TSC的关键技术问题是投切电容器的时刻选取。

为了投切效果更好，必须对电容预先充电。

电容组的最佳投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻，也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。

这样，电容器电压不会产生跃变，也就不会产生冲击电流，电流也没有阶跃变化。

图1 TSC基本原理图
图2是TSC系统原理框图[2]。

控制电路通过电压、电流互感器从10kV母
线上测得电压和电流信号，由监控系统的控制器对信号进行分析和判断，确定系统的无功功率需求量；控制器触发电路发出触发信号或者闭锁、跳闸等保护信号，进行电容器的投切或保护等动作；开关电路控制补偿电容器投切到系统；缓冲电路对开关电路两端出现的过电压和过电流起缓冲作用；保护电路限制系统的暂态过电压，保护系统安全运行。

图2 TSC系统原理框图
三、TSC 在10KV配电网的应用
某市供电局在10KV变电站母线上安装无功补偿装置，该装置采用固定电容与可调电容并联运行方式（FC+TSC），由若干不可控电容器与TSC并联而成，固定电容的容量为1Mvar，TSC部分的容量为1.5Mvar，采取分相补偿以调节不平衡负荷。

TSC装置的三相分成两组电容配置，每相所配置的容量分别为200kvar/14kV 和300kvar/14kV，如图2所示[3]。

图3 10KV变电站无功补偿装置
在该变电站运行过程中，我们检测并统计了功率因素、母线电压电流等运行数据，如表1所示。

表1 加装TSC装置后变电站运行数据
根据表1所示，TSC系统根据电网所需无功功率的变化，自动投切电容器组，使电网功率因素提高，母线相电流降低，从而使变压器输出功率降低。

当投入固定组和投入两组电容器时，变压器输出功率分别为：
从而，变压器输出功率降低：
设变压器的额定功率为40000kW，可增加变压器输送能力：
配电变压器损耗分为铁损（空载损耗）和铜损（负载损耗）两部分。

铁损对某一型号变压器来说是固定的，与负载电流无关，该变压器空载损耗为32kW。

铜损与变压器负载率的平方成正比。

当投入固定组和投入两组电容器时，变压器的负载损耗分别为：
从而，变压器损耗减少：
输电线路长度约5公里，计算其输电过程中有功功率损耗。

当投入固定组和投入两组时，输电线路有功功率损耗分别为：
从而，输电线路有功功率损耗减少：
所以，在变压器损耗和输电线路上的减少有功损耗
由此可计算出，加装TSC装置后，每天可节省电能
全年可节省电能
按照惠州市平均电价每千瓦时0.75元计算，每年可节省约295650元。

四、结论
TSC装置能够自动适应变电站各种运行方式和无功功率的变化，自动准确快速地投切补偿电容器，无冲击，无过电压，性能稳定可靠，达到变电站无功补偿自动投切的控制要求，能有效提高电网功率因素，降低变压器和输电线路的功率损耗，增强变压器输送能力，提高电网输电效率，节能降耗，减少电网建设和运行成本，在电网的建设中具有良好的应用前景。

参考文献
[1] 王兆安，黄俊. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
[2] 李涛. 10kV晶闸管投切电容器在变电站的应用[J]. 技术与应用，2008，7 ：96-98.
[1] 王丽华. 10kV配电系统无功补偿技术的研究[D]. 天津大学硕士论文，2009.。