晶闸管控制电抗器

工业设备

晶闸管控制电抗器也称晶闸管相控变压器（TCR）。TCR是SVC中最重要的组成部件之一，IEEE将晶闸管相控电抗器(TCR)定义为一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管的导通时间，它的有效电抗可以连续变化。

组成

基本的单相TCR由反并联的一对晶闸管阀T1、T2与一个线性的空心电抗器相串联组成。反并联的一对晶闸管就像一个双向开关，晶闸管阀T1在供电电压的正半波导通，而晶闸管阀T2在供电电压的负半波导通。晶闸管的触发角以其两端之间电压的过零点时刻作为计算的起点，触发信号的延迟角在90°~180°范围内变化。

原理

TCR触发角α的可控范围是90°～180°。当触发角为90°时，晶闸管全导通，此时TCR中的电流为连续的正弦波形。当触发角从90°变到接近180°时，TCR中的电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半波和负半波。当触发角为180°时，电流减小到0，当触发角低于90°时，将在电流中引入直流分量，从而破坏两个反并联阀支路的对称运行。所以一般在90°～180°范围内调节。通过控制晶闸管的触发延时角，可以连续调节流过电抗器的电流，在0(晶闸管阻断)到最大值(晶闸管全导通)之间变化，相当于改变电抗器的等效电抗值。晶闸管一旦导通，流经晶闸管电流的关断将发生在其自然过零点时刻，这一过程称为电网换相。而TCR是按电网换相方式运行的。电网换相过程的一个特征是一旦阀开始导通，任何触发角的变化只能在下半个周期中起作用，从而导致所谓的晶闸管死区时间。

作用

TCR的作用就像一个可变电纳，改变触发角就可以改变电纳值，因为所加的交流电压是恒定的，改变电纳值就可以改变基波电流，从而导致电抗器吸收无功功率的变化。但是，当触发角超过90°以后，电流变为非正弦的，随之就产生谐波。如果两个晶闸管在正半波和负半波对称触发，就只会产生奇次谐波。谐波可以通过对较高频率分量的傅里叶分析得到。

由于在电力系统应用中要求具有可控的容性无功功率，因此在TCR上并联了一个电容器。这个电容器可以是固定的，也可以是可投切的，通过机械开关或者是晶闸管开关。TCR的主要优点是控制的灵活性和易于扩容。不同的控制策略可以容易的被实现，特别是那些涉及外部辅助信号以显著提高系统性能的控制。参考电压和电流斜率都能够用简单的方式加以控制。由于TCR型SVC本质上是模块化的，因此通过追加更多的TCR模块就能达到扩容的目的，当然前提是不能超过耦合变压器的容量。

TCR不具备大的过负荷能力，因为其电抗器是空心设计的。如果期望TCR承受暂态过电压，就需要在设计TCR时加入短时过负荷能力，或者安装附加的晶闸管投切电抗器，以备在过负荷时使用。

TCR的响应迅速，典型的响应时间为1．5～3个周期。实际的响应时间是测量延迟、TCR控制器的参数和系统强度的函数。

运行特性

如果对TCR采用电压控制的正常运行区域就被压缩到一条特性曲线上。这种特性曲线体现了补偿器的硬电压控制特性，它将系统电压精确地稳定在电压设定值%上。正常情况下，控制器通过控制电抗器注入节点的感性无功功率，来维持节点电压不变。当电压升高，运行点将向右移动，控制器通过增大晶闸管阀的触发角增大注入节点的感性无功功率，保持节点电压。当运行点到达控制范围的最右端，节点电压进一步升高后将不能由控制系统来补偿，因为TCR的电抗器已经处于完全导通状态，所以运行点将沿着对应电抗器全导通(α=90°)的特性曲线向上移动，此时补偿器运行在过负荷范围，超过此范围后，触发控制将设置～个电流极限以防止晶闸管阀因过电压而损坏。在特性曲线的左侧，如果节点电压过分降低，补偿器就会达到发出极限，运行点将会落在欠电压特性上。

三相TCR

一个6脉波的三相TCR由3个单相的TCR按三角形联结连接而成。如果三相电压是平衡的，3个电抗器是相的，而且所有晶闸管是对称触发的，即每相的触发角相同，那么在正半波和负半波中就会出现对称的电流脉冲，因而只产生奇次谐波。

实际上，实际中的三相电抗器的参数不可能完全相同。三相供电电压也不一定完全平衡。这种不平衡就会导致非特征谐波的产生，包括3倍数次谐波，扩散到线路中。正常情况下，非特征谐波的数值是非常小的。但在严重扰动的情况下，正负半波的触发角可能不同，这就会导致直流分量的产生，并足以引起耦合变压器的饱和，从而产生更大的谐波扩散。除了谐波，一个小的基频电流分量(0．5%～2%)也在TCR中流动，这体现了TCR绕组中的电阻损耗。

TCR在正常运行时会产生大量的特征谐波注入电网，因此必须采取措施将这些谐波消除或减弱。通常的办法是并联滤波器，并联滤波器要么是串联Lc结构，要么是串联LCR结构。这些滤波器被调谐到5次和7次的主导谐波频率，有时，也使用11次和13次滤波器或者只使用一个高通滤波器。如果预想TCR按相控制，或者网络谐振的条件要求TCR要按相控制，那么就需要安装3次谐波滤波器，并且与TCR相并联。

减小TCR向系统注入特征谐波的另一种方法是将主TCR分割成n(n≥2)个并联联接的TCR，每个分段TCR的容量为整个TCR的]/n。在这r1个分段TCR中，只有一个分段TCR的触发角是受控的，其他的分段TCR要么是全导通，要么是全关断，以吸收制定量的无功功率。由于每个分段TCR的电感增加了rl倍，因此受控TCR的容量就减小了n倍，受控TCR产生的谐波相对于额定基波电流也减小了n倍。采用上述结构实现谐波减小的同时，也会伴随成本的增加，因为这霈要更多数目的晶闸管。这样，如果TCR的分段很多，那么分段TCR比不分段的TCR会贵很多。

12脉波TCR

如同在直流输电系统中一样，当采用12脉波TCR时谐波可以大大减小。在这种结构中，2个6脉波TCR通过相位相差30°的2组三相电压供电。12脉波TCR要么需要特制的3绕组变压器，这种变压器具有2个二次绕组；要么需要2个一次侧联结相同的电力变压器。在这两种情况下，变压器的二次侧一个是星形联结，另一个是三角形联结。

将其分成两个6脉波TCR来进行分析。以一次测A相基波线电流为参考向量，表示了一个星一星联结变压器的TCR在其一次侧产生的基波、5次和7次线电流的向量图。同样的，我们也可以得到星形一三角形联结变压器的TCR在其一次侧产生的基波、5次和7次线电流的向量图。由于都是取一次侧A相基波线电流向量为参考向量，对两组向量图进行直接比较可以发现：两组6脉波TCR在变压器的一次侧产生同相位的基波电流，加之在变压器设计时己使两组变压器阀侧电流与一次侧线电流都相同，故一次侧产生的基波电流幅值也是相等的。而对于5次和7次谐波电流，以及更高次16(2n+1)±1，n=0，1，2，…的谐波电流来说，两组6脉波TCR在变压器的一次侧产生的谐波电流幅值相等，但相位刚好相反，二者相互抵消。所以在一次侧的线电流里将仅含12n±1(13为整数)次谐波，也使得对谐波滤波器的要求大大减轻。

12脉波TCR中谐波含量的大量减少，大大减轻了对滤波器的要求。因而不需要像6脉波TCR那样采用5次和7次单独调谐的滤波器，而只要采用高通滤波器就足够了。同样的，谐波的减少伴随着成本的增加，以为需要增加晶闸管的数量，特制的双二次绕组变压器和复杂的触发次序都增加了成本。12脉波TCR的另外一个优点是增加了可靠性。如果其中的一个6脉波TCR单元故障，另一个TCR单元可以继续运行，尽管只有一半无功容量。而且12脉波TCR比6脉波TCR具有更高的过载能力。

脉波数大于12的TCR并没有投入实际使用，尽管这可以大大减小谐波。因为大于12脉波的TCR变得太复杂和太昂贵，比如对应18脉波的TCR就需要一个具有3个二次绕组的变压器。此外，为保证对称触发所要求的触发控制精度也难以达到。

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