TSC动态无功补偿技术在工业企业的应用

闫家彬

（中车山东机车车辆有限公司，山东 济南 250022）

0 引 言

近几年，随着工业企业中电力电子设备的应用，如整流逆变设备、电焊机设备、等离子切割设备、变频器以及LED照明等，供电系统网络环境比较以前发生了巨大变化，电网中的谐波成分大幅度增加，传统无功补偿设备的故障率明显升高，经常发生电容烧毁和爆炸事故，严重威胁企业的供电安全。使用动态无功补偿技术代替过往的机械式触点无功补偿设备很有必要。

1 无功功率对企业用电的影响

1.1 无功功率的基本概念

供电系统中无功功率是指供用电设备用来建立和维持电场和磁场的电功率。它不是无用功，只是由于不对外做功，因此被称之为无功。没有无功功率，所有的交流设备都无法工作，所以说无功功率和有功功率一样重要[1]。无功功率的产生主要来源于两个方面，一是发电设备在发出有用功率的同时，通过调节励磁电流会发出无功功率，二是通过电容器无功补偿设备和同步调相机等向系统补偿无功功率。

1.2 无功功率在企业用电中的作用

无功功率从电网侧沿线路向用电设备输送时将产生电压损耗，输送的功率越大，线路越长，电压降越大，甚至会因电压降太大而不能满足用电设备的要求，因此无功功率不能长距离传送[2]。当电网不能为用电企业提供足够的无功功率时，用电企业必须加装无功补偿装置进行补偿，使系统具有充足的无功功率容量，确保用电设备的运行。

2 动态无功功率补偿技术

2.1 无功功率补偿方式及特点

无功补偿装置根据安装位置的不同，分为集中无功补偿和就地无功补偿[3]。集中无功补偿是补偿设备安装在变压器低压测的母线上，只能补偿母线及以上电路，包括变压器及其高压配电线路，不能补偿低压供电线路。但因为投资较少，比较经济，在工业企业得到大量应用。就地无功补偿将补偿设备直接安装在用电设备附近，直接补偿所有设备供电线路，补偿范围最大，补偿效果最好，但投资较大，设备利用率较低，只使用在一些重点设备上。

无功补偿装置根据接线方式的不同，分为串联无功补偿和并联无功补偿。串联无功补偿方式通常用在330 kV及以上的超高压线路中无功电压的补偿，用来降低功率损耗，提高系统的稳定性。并联无功补偿方式电容器和低压线路并联，电容器为用电设备提供所需无功电流，从而减轻电力线路、变压器以及发电机的负担，在工业企业中得到了广泛的应用。

工业企业无功补偿设备的发展大致经历了以下几个发展阶段，其各自特点如下。一是同步调相机补偿，补偿相应速度慢，耗能且噪音高，目前已经淘汰。二是接触器投切固定电容器，响应速度慢，连续可控能力差，维修成本高。三是动态晶闸管投切电容器，响应速度快（20 ms内），功率因数补偿后能达到0.95以上，能够避免谐波产生的谐振，降低网损，提高效能，目前得到广泛应用。四是无功发生，因受技术局限性，目前还在发展完善阶段[4]。

2.2 动态无功补偿技术特点

动态无功补偿能够实时跟踪系统无功功率，快速动态补偿功率因数（20 ms响应）减少系统电压波动，保持系统中的瞬时无功功率平衡。无功补偿电容器投切开关采用双向晶闸管投切，实现无触点、无冲击以及过零投切，提高了电容器的使用寿命。主回路电容器组采用三角形+接串联电抗器接法，既能适合于三相对称性负荷的实时功率因数补偿，又能对三相不对称负荷进行分相补偿，同时最大限度地避免系统发生并联谐振。

在工业企业供电系统中，合理安装和使用动态无功补偿装置可以有效提高电网质量，降低网损及谐波对系统的危害，提高功率因数，直接增加经济效益。

3 TSC动态无功补偿装置的设计

3.1 TSC动态无功补偿装置的工作原理

无功补偿装置由电压、电流信号采样单元、控制器单元、晶闸管投切触发单元以及电力电容器4部分构成。电压、电流信号采样单元通过电压变送器和电流变送器将负载侧电压、电流信号变换成标准信号输入控制器，控制器通过模数转换分析计算电量信息，算出系统所需无功功率并发出相应投切指令，投切指令控制晶闸管触发，导通及关闭，相应电力电容器实现系统无功功率平衡。

3.2 主电路接线方式

三相动态无功补偿装置中，晶闸管投切电容器连接方式通常分为星形接法和三角形接法。

3.2.1 星形接法

3.2.2 三角形接法

图1 主电路三角形接线图

3.3 电容器无功容量的选择

合理选择无功补偿装置是提高补偿效果的重要保证，选择正确的电容器容量需要确定以下4个关键因素。

一是根据变压器空轻载情况，选择固定无功容量。变压器在空载和轻载状态下，可选择变压器容量3%的并联电容器作为固定补偿，安装在变压器低压母线侧，以补偿变压器的空轻载无功损耗。二是根据负载的变化情况，选择合理补偿梯度。根据用电负荷的大小、负荷变化幅度以及用电设备的功率因数，确定无功补偿的容量、补偿路数及梯度电容的大小，尽量达到无级调节状态。三是根据用电负荷情况，选择合适的补偿方式。由三相负荷平衡情况确定采用三相补偿，单相补偿，还是混合补偿，以达到最佳补偿配置。四是根据负载性质情况，确定是否加入谐波滤波电路。进行现场谐波测试，确定谐波分量，当谐波分量达到5%时，应采取与电抗器配套设计电容器，以防止在谐波成分较大时，发生补偿装置无法运行或电容器损毁的现象[6]。

3.4 电容器投切依据和信号检测

TSC无功补偿装置通过检测用电设备负荷侧无功电流的幅值作为电容器投切的依据，基本原理如图2所示[7]。

图2 无功补偿原理示意图

设节点电压、电流为：

则负载电流为：

式中，ip(t)和iq(t)分别为有功电流分量和无功电流分量。当t=2kπ时，有：

由以上推理可得，电压信号正向过零时所测得负载电流值，即为负载无功电流的幅值IQM[8]。

根据以上原理，通过电压、电流互感器变换的电压信号u和电流信号i分别经过各自低通滤波器（Low Pass Filter，LPF）滤波后，由过零脉冲发生电路产生的电压正向过零脉冲信号作为采样保持器的采样开关信号，于是采样保持器的输出就是无功电流幅值IQM。无功电流幅值检测原理如图3所示。同时由图2可知，il=ic+is，如果使iq=ic，即电容器的电流等于负载的无功电流分量，那么实现了负载的无功全补偿。电容器电流为：

图3 无功电流幅值检测原理图

由式（3）和式（4）可得无功电流分量为：

ΔC为全补偿所需投切的电容量，若为负则应切除相应容量的电容器，反之则应投入相应容量的电容器[9]。

3.5 晶闸管零电压投切

电容器无触点投切开关由两只正反向并联的晶闸管构成（也可选择双向晶闸管），当两只晶闸管中的T1为正向电压时，门极发出触发信号时T1导通，电容器正半波导通，当T2为正电压时，门极发出触发信号时T2导通，电容器负半波导通，当触发脉冲停止时，晶闸管电流过零截止，电容从电网中切除。刚切除时电容器上的电压（残压）为电网电压幅值（可正可负），待电容器重新投用时，若晶闸管导通时的电网电压和残压电压差较大时，由于电容器电压不能突变，从而会产生很大的合闸涌流，导致晶闸管击穿或对电网造成高频冲击。为了使电容器在投入时不产生涌流，必须控制在晶闸管两端电压差为零时导通[10]。通过检测晶闸管两端的电压差来确定晶闸管触发时间，工作原理如图4所示。

图4 零电压触发原理框图

3.6 TSC控制原理

动态无功补偿控制器通过采集系统电压、电流信号，计算出系统所需要的无功功率，输出投切命令，发送至TSC过零电压触发板。过零电压触发板根据命令在晶闸管两端电压差为零时触发晶闸管导通，晶闸管电流为零时切除晶闸管，以增减电容器投切数量。

图5 TSC控制原理示意图

3.7 TSC动态无功补偿装置保护措施

采用空气开关对装置进行短路、过流以及接地保护，采用快速熔断器对晶闸管进行过流保护，压敏电阻对其进行过压保护，利用压敏电阻进行过压保护，利用快速熔断器进行过流保护，阻容进行过压保护。TSC动态无功补偿装置保护主要是短路保护和过压保护，保护措施不规范或不完整将影响到无功补偿装置的安全运行[11]。

4 结 论

工业企业用电设备设施发展更新迭代越来越快，特别是电力电子技术在设备中的应用，使得对供电的安全性和无功补偿能力要求越来越高。TSC动态无功补偿技术采用晶闸管组成的无触点开关对多级电容器组进行快速无过渡投切，克服了传统无功功率补偿采用机械式触点开关造成的结点烧结的现象。动态响应速度快，节能效果明显，功率因数提高显著，对各种负荷均能起到良好的补偿效果。目前，TSC无功补偿技术还主要用于低压供电系统，未来随着半导体技术的发展，晶闸管在高电压和大电流的应用将会在高压电力系统无功补偿中得到广泛推广