1.基本原理

晶闸管投切电容器式静止补偿器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）由晶闸管投切电容器组成，这些电容器分成很多单元，以实现分级控制。TSC是一个三相补偿装置，每相在结构和参数的设计上是等同的。

TSC的典型装置通常由两大部分组成：一部分为TSC主电路，它包括晶闸管阀（若干组）、补偿电容器（同样分成若干组）及阻尼电抗器；另一部分为TSC控制系统，主要由数据采集与检测、参数运算、投切控制、触发控制4个环节组成。

图5-13 TSC典型装置

晶闸管阀通常有两种接线方式：2个晶闸管反并联或1个晶闸管与1个二极管反并联。两者都是投切电容器的开关，所不同的是，前者晶闸管阀承受最大反向电压低，为电源电压峰值，但投资较大，控制复杂；后者投资小，控制简单，但晶闸管阀承受最大反向电压高，为电源电压峰值的2倍，所以在选择使用哪种连接方式时，应根据技术、经济比较来确定。

电容器的投切是根据电网负荷变化情况来决定的，当电网无功需求增加，电压下降时，投入电容器；反之，切除电容器。电容器分组有等容分组和不等容分组两种。前者易于实现自动控制，但补偿级差大，后者利用较少的分组就可获得较小的补偿级差，但不易控制。在实际中也有采用两者折中的办法，例如采用n-1个电容值均为C的电容，和一个电容值为C/2的电容，这样系统从零到最大补偿量的调节则有2n级。

TSC静止无功补偿装置具有以下特性：阶跃控制；平均延时半个周波（最大为一个周波）；有效地减少暂态电流并能抑制谐波的产生。如果晶闸管在电容电压与电网电压相等时导通，那么电容可以无涌流接入。在给定时刻t流过电容器的电流可以用下式表示：

式中 X_C和X_L——补偿器的容抗和感抗；

U_m——电源电压最大瞬时值；

α——电容器投入时的电压相角；

ω_τ——系统谐振频率；

U_CO——电容器初始电压。

上式是在假设系统电阻与电抗相比可以忽略的前提下得到的，这种假设对高压传输线路是有效的。如果电容器在电源电压最大时投入，且U_CO等于电源电压的峰值U_m，那么暂态电流为零。

与机械投切电容器相比，晶闸管开关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，实现无过渡过程的平稳投入和退出，操作简单。与TCR相比，虽然TSC不能连续补偿无功功率，且只能发出感性无功，但具有成本低，运行时不产生谐波，自身能耗小，仅相当于整个补偿容量的1%左右，节电效果十分明显等优点。在实际中，若要求连续调节无功功率，或者要求能提供容性无功，TSC可以与TCR配合使用，构成TCR+TSC的混合型补偿器。

2.主要接线形式

TSC的主电路按照晶闸管和电容器的连接方式，可以大致分为4种类型：星形有中线、星形无中线、角外接法、角内接法。其中前两者统称为星形接法，后两者统称为三角形接法。

（1）星形有中线

这种接法优点在于，晶闸管额定电压降低，可以进行分相投切。但由于中线存在，对三倍次谐波无抑制作用，所以晶闸管额定电流增大，因此该接线方式适合系统电压波形畸变率很小且电网负荷三相不平衡的情况。为了限制涌流和抑制谐波，通常在中线上加装限流电抗器，如图5-14a所示。

（2）星形无中线

与星形有中线相比，该接线方式由于取消了中线，对三倍次谐波有抑制作用，对系统无污染。但需两相电容才能形成回路，不能进行分相投切，因此该方式不适合补偿电网负荷三相不平衡的情况。

（3）角外接法

晶闸管处于电容器三角形的外部。按照电工理论中的“△—”变换原理，在电容器总容量相等的情况下，角外接法和星形无中线电路对外所表现的特性是相同的，实际中多采用三角形接法。角外接法对三倍次谐波也有抑制作用。与角内接法相比，体积小，但不易控制，投切时暂态过程较长，适合于三相平衡负载，如图5-14b所示。

（4）角内接法

晶闸管处于电容器三角形的内部。该接法对系统无污染，相对另外3种接法，晶闸管额定电流小，只有相电流的58%，但晶闸管额定电压较大。

当有较大不平衡负载时，三角形接法的电容器组也可令各相电容值不等，根据各相负荷大小作分相补偿。有文献提出的三相不平衡负荷的补偿装置就是使用角内接法的TSC与TCR的组合形式，如图5-14c所示。此处的TCR仅仅只是为了能够使三相补偿电纳连续可调，所以三角形接法是完全可以实现三相分补的。

除了三角形接法和星形接法外，还常常使用三角形和星形相结合的接法。这种接法的优点在于能综合三角形接法和星形接法的长处，使补偿装置的性价比达到最优。(www.daowen.com)

3.TSC控制系统

TSC的控制系统应能检测系统的相关变量，并能根据检测量的大小以及给定输入量的大小，产生相应的晶闸管触发脉冲，以调节补偿器发出的无功功率。因此，其控制系统一般应包括3部分：检测、控制及触发部分。

（1）系统变量的检测及算法

1）功率因数的计算：功率因数常常被选作控制目标，从检测到得出计算结果都很简单。只要测得电网电压和电流的过零时间差，即可求得功率因数角和相应的功率因数值。显然，时间差不仅反映功率因数角的大小，而且还可以判断是欠补偿还是过补偿。还有一种比较简单的方法，即用已知幅值的电流信号在电压信号过零两点间的积分。

2）无功功率的计算：可通过计算无功电流间接得到，也可通过直接计算无功功率得到。相电压由正到负过零瞬间，相电流的瞬时值恰好就是该相无功电流的最大值。再经过计算，即得到所需无功功率。这种检测方法的优点是简单、快速。还有一种方法是任取两时刻的电压、电流作为一组数据。按照式（5-2）就能把无功功率计算出来：

图5-14 TSC主电路接线

Q=（u₁i₂-u₂i₁）/2sinα （5-2）

式中 α——任取两个时刻对应的电角度差。

对于谐波较大的场合，取若干组数据，结合数字滤波技术，就可以准确又快速地计算出无功功率值。

3）基于瞬时无功功率理论的信号检测：有文献提出一种基于瞬时无功功率理论的信号检测方法。该方法可以由三相电压、电流瞬时值快速、有效地计算出电压、电流有效值以及瞬时无功功率等，进而可以计算得到功率因数。这种方法与传统的检测方法核心区别在于，它突破了传统功率理论中用平均值定义功率量的局限，是对传统功率理论的拓展。

（2）控制目标的选取及控制策略

TSC控制目标一般可分为功率因数控制、无功功率控制及两者结合的综合控制。

1）功率因数控制：按照cosφ₂＜cosφ＜cosφ₁的原则控制所需的补偿电容器容量。但这种方法具有许多缺点：由于电容是分级补偿，在轻载时容易产生投切振荡，这样不仅会缩短补偿电容器的寿命，而且会给电网电压带来持续的低频振荡；而重载时，又不易达到充分补偿。

2）无功功率控制：根据所测得的系统参数，计算出应该投入的电容器容量，在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一次到位。这种控制方式解决了投切振荡的问题，同时又能达到很好的补偿效果。

3）综合控制：尽管无功功率控制有诸多好处，但单独使用一种控制方式，总会有其局限性。因此产生了以功率因数控制和无功功率控制为基础，电压控制等多种控制因素为辅助的综合控制方式。

TSC的控制策略可以分为开环控制、闭环控制和复合控制三大类。开环控制的优点是响应迅速，能快速地跟踪负荷的变化，但维持电压或功率因数等参数的功能不强；闭环控制中因采用了积分环节，响应速度比较慢，但优点是精度高。而复合控制系统将开环控制和闭环控制相结合，即可使补偿器快速地跟踪负荷电流的变化，又能使负荷的功率因数维持在给定值。

（3）触发时刻的选取

选取合适的触发时刻总的原则是，TSC投入电容时，也就是晶闸管开通的时刻，必须为电源电压与电容器残压的幅值和相位相同时。无论电容器残压是多少，其值往往都是不易测量的，所以必须通过其他一些方法来解决电容器残压测量的难题。

1）过零触发电路：晶闸管电压过零触发电路如图5-15a所示。当电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管两端电压为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投入指令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的平稳导通。当TSC投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下次发出投入指令，TSC才会在电源电压与电容器残压相等时重新投入。

2）反压触发：一般来讲，无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值，则在一个周期内，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。利用这一点，在晶闸管承受反压时，触发脉冲序列开始，这样当晶闸管由反压转为正压时就自动进入平稳导通状态。图5-15b就是一种可以用该方法触发的电路，该电路使用了2只晶闸管、1只二极管组成的—△连接的三相投切开关，故简称“2+1”电路。

值得一提的是，这种电路控制元件少，结构紧凑，投资很少，是较为简捷的TSC主电路形式，已获得了中国实用新型专利。

3）利用相位关系触发：和相位关系如图5-15c所示。当反向过零时，均正处于峰值点，所以利用作为触发信号，触发A、B、C三相的晶闸管，可以保证各相晶闸管在峰值时触发。

在这几种触发方法中，过零触发电路应用范围最广，无论电容器残压处于何种状态，都能适用；反压触发适用于电容器残压低于电源电压峰值的情况，因为当电容器残压等于电源峰值时，晶闸管就没有反压的状态了；利用相位关系触发则更适合电容器残压等于电源电压峰值的情况。在实际中，应根据不同情况，相应处理。

图5-15 TSC脉冲的触发