晶闸管控制电抗器（TCR）的控制系统
谐波抑制和无功功率补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大课题。由于电力电子装置的应用日益广泛，使得谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。 本文介绍目前较为先进的晶闸管控制电抗器（TCR），详细介绍TCR的控制方法。目前这些装置中应用最多的是TCR，而SVG则代表着新的发展方向。
TCR的控制系统
TCR的控制系统应能检测系统的有关变量，并根据检测量的大小以及给定（参考）输入量的大小，产生相应的晶闸管触发延迟角，以调节补偿器吸收的无功功率。因此，其控制系统一般应包括以下三部分电路；
（1）检测电路 检测控制所需的系统变量和补偿器变量。
（2）控制电路 为获得所学的稳态和动态特性对检测信号和给定（参考）输入量进行处理。
（3）触发电路 根据控制电路输出的控制信号产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲。
应该讲，检测电路取哪些量作为被测对象，以及采取什么样的控制策略和控制电路，这些都取决于用户对补偿器功能的要求。但总体来说，其控制策略可以分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制的优点是相应迅速，它适用于负载补偿的场合，尤其在减少电压闪烁方面有成功的应用；而闭环控制的优点是准确，对于输电或配电系统补偿，特别是那些离负载和电源都较远的输电线的中间点，则更适用闭环控制。不论是开环控制还是闭环控制，控制电路输出的控制信号一般是期望补偿器所具有的等效电纳，也就是补偿器等效电纳参考值Bref，当然，也有某些设计，其控制算法直接得到触发脉冲而未出现代表Bref的显式信号。
下面将分别简要介绍TCR的控制系统中常见的信号检测方法、由控制信号产生触发脉冲的方法，以及具体控制的方法。
信号检测
根据对补偿器所期望的功能，被检测的信号应包含下列物理量中的一个或几个：
1）系统电压；
2）流过传输线或补偿器本身的无功功率；
3）传输线输送的有功功率或其变化率；
4）电压相位角偏差；
5）系统频率及其导数等。
应当注意的是，控制中需要的信号是反映以上这些量有效值或幅度大小的直流信号，因此往往需要对传感器所得的信号作进一步的处理。
例如，对系统电压，实际需要的是能反映系统电压有效值大小的直流信号。所以，对从电压互感器检测出来的三相电压信号常采用的进一步处理方法有：整流、取平均值、取方根值、取正序分量、滤波等。图1所示为用于60Hz系统电压检测的典型电路原理框图。其中的90Hz带阻滤波器是为了滤去可能产生系统谐振的谐波，而60、120、360Hz带阻滤波器则是用来滤去整流的特征谐波以及由于可能的三相不平衡引起的谐波。
图1 用于60Hz系统电压检测的典型电路原理框图
触发脉冲的产生
如果采用锯齿波作为触发电路的同步信号，或者采用数字控制电路，则触发电路的控制信号与触发延迟角α以及晶闸管导通角δ都是线性关系，但是触发延迟角（或晶闸管导通角）与补偿器实际的等效电纳之间却并不是线性关系。TCR电流的基波分量与晶闸管导通角之间的关系为
式中 U——系统电压；XL——与晶闸管串联电抗的感抗值。
因此TCR的等效电纳即为
式中，等效电纳最大值为BLmax=1/XL。可见，导通角δ与TCR等效电纳之间是非线性关系。将其绘成曲线，如图2所示
图2 导通角δ与TCR等效电纳BL之间的非线性关系
为了克服这种非线性的影响，通常在触发电路的输入端与触发脉冲形成环节之间插入一个非线性环节，以补偿导通角与实际等效电纳之间的非线性，如图3所示。这个插入的非线性环节被称为线性化环节。其具体实现方法非常灵活，在数字控制电路中可以根据第二个公式采用查表的方法实现，在模拟控制电路中的实现方法可见《电力系统无功功率控制》一书。控制电路输出的控制信号一般是补偿器等效电纳的参考值Bref，因此，线性化环节的插入实现了等效电纳的参考值Bref与实际值BL之间的线性关系。
图3 触发电路前端的线性化环节及其功能
控制方法
开环控制的策略相对较简单，多用于负载补偿，例如检测负载无功功率来控制TCR产生相等的无功功率，从而使电源供给的无功功率为零，以达到功率因数校正或改善电压调整的目的。
闭环控制的策略较为复杂，下面就以闭环控制为主，以改善电压调整的功能为例，介绍具体的控制方法。
根据控制理论的基本原理，要得到稳定的电压，必须引入电压的负反馈控制。图4所示为电压闭环的控制方法示意图。它通过检测到的系统电压U与系统电压参考值Uref的比较，由其偏差来控制系统的运行。其调节器一般为比例调节器。显然，TCR电压-电流特性在电压轴上的截距由电压参考值Uref决定，而该特性的斜率由闭环系统的开环放大倍数决定，因而改变比例调节器的放大倍数就可以改变电压-电流特性的斜率。而补偿器的动态特性和稳定性则由闭环系统的开环放大倍数和时间常数共同来决定。
图4 只有电压反馈的控制方法示意图为了改善控制性能，可以在此基础上再引入补偿电流ISVC的反馈。一种方法是在电压反馈构成的外闭环之内再引入电流环的负反馈控制，以提高控制准确度，如图5所示。这样，控制系统中就有两个调节器——电压调节器和电流调节器。如果电流调节器的放大倍数足够高，或者采用有积分作用的调节器，则电流偏差就可以忽略，甚至基本为零。因此补偿电流将完全由电压调节器的输出信号决定，而与其他因素无关。补偿器电压-电流特性的斜率则仍由电压调节器的放大倍数决定。
图5 带电流内环的电压反馈控制方法示意图图6所示为另一种引入补偿器电流反馈的方法。在这种情况下，调节器一般设计成具有积分作用，因而稳态时电压偏差为零，可实现对电压的准确控制。而引入的补偿器电流反馈实际上相当于根据补偿器无功电流的大小对电压参考值的修正。因此实际上，电流反馈通道的增益是用来决定补偿器电压-电流特性斜率的。而整个补偿器的动态性能是由调节器的积分增益以及系统的时间常数来决定的。图7所示为采用这种电流反馈形式的一个TCR控制系统原理框图例。
图6 具有附加电流反馈的电压反馈控制示意图
图7 TCR控制系统原理框图例以上介绍都是以电压调整功能为例，实际上将这些控制方法稍加修改或补充，就可以使静止无功补偿器的功能扩展到无功功率动态补偿所能实现的其他一些功能范围。像图8所示的那样，这些功能可以有自己的调节器，它们通过对有关物理量的检测有效地修正电压控制环的参考电压，成为附属于电压控制的功能。例如，要增加对输电线传输的无功功率的控制功能，则要检测传输的无功功率大小并与参考量比较；若要加入阻尼功率振荡，维持电力系统稳定的功能，则可以将传输线输送的有功功率及其变化量，或者系统频率及其导数作为检测量。
图8 补偿器多种控制功能的实现在有些场合，某种特殊功能可能取代电压控制功能而成为主要功能，或者要求采用特有的检测和控制方法，因为控制系统可能并不包含电压闭环。例如，以功率因数校正为主要目标的负载无功功率补偿，可以采用如前面所述的开环控制，也可以与闭环控制相结合，加一个响应速度较慢的总无功功率或功率因数反馈控制闭环即可；而若要补偿三相电流的不平衡，则需分别检测出三相电流中的非正序分量，采用三相分相单独触发的控制方法来产生不平衡的三相补偿电流。
此外，控制系统中还可以包括各种保护功能，如限制补偿器的运行范围、过电流保护、谐波电流限制等，以及各种特殊控制功能，如手动控制与自动控制的切换、自动增益调整、频率补偿等等，还应包括对于TCR配合使用的MSC和TSC的相应控制功能，这些都不再详述。
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