专利名称：一种基于晶闸管控制变压器的静止型高压无功补偿装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无功功率补偿装置，特别是一种基于晶闸管控制变
压器(TCT)的静止型(SVC)高压无功补偿装置。
背景技术：
随着电网容量不断扩大，应用电力电子元件的非线性负荷、电弧炉、轧 机等冲击性负荷以及电力机车等大型不平衡负荷接入电网中，给电网带来了 谐波、闪变等诸多电能质量问题。其中造成电压波动的一个根本原因是负荷 的无功快速变化引起的，然而常规的无功补偿设备，由于响应速度较慢，无 法解决这一问题，因此出现了以晶闸管等半导体元件作为调节执行机构的 "静止型"补偿设备，即SVC (Static VarCompensator)。 SVC可以给系统 提供快速、连续的无功功率补偿，减少负荷的无功冲击从而减少电压波动与 闪变，同时由于SVC中一般有滤波支路，可以对负荷产生的谐波进行滤除。 SVC主要分为两部分，即可调电感部分与滤波及无功补偿部分。滤波及无功 补偿部分通常由2路(或更多)无源滤波支路组成，提供补偿所需的容性功 率以及谐波滤波通道；可调电感部分主要有TCR型(晶闸管控制电抗器)与 MCR型(磁控电抗器)两种，详述如下
1. MCR型主要缺点是响应时间较慢， 一般在300ms左右，而TCR通 常响应时间为10ms;其次由于MCR采用的是磁饱和工作原理，其电感的线 性度也较差；此外，MCR中使用的可控硅处在高电位上，需采用光电隔离等 触发方式解决控制信号(低电位)与可控硅(高电位)间的绝缘问题。高电 位运行对可控硅的触发、保护、监测等带来了一系列较难处理的问题。
2. TCR型与MCR—样，TCR直接将可控硅用在高压中，存在上述MCR同样的问题，不同之处在于，TCR中的可控硅通常需要多只串联，设计成大 容量的硅阀，这对可控硅的触发、散热、均压等要求很高，因此可控硅部分 比MCR结构更复杂，难度更大，且占地面积大，维护量大。
为解决以上2类可调电感存在的问题，TCT (晶闸管控制变压器)型SVC 应运而生，衡阳炼钢分厂早在上世纪末采用TCT型静止无功功率补偿装置 (以下简称TCT型SVC)，解决了2X30t电弧炉对电网产生的高次谐波、电 压波动、电压畸变等问题，TCT的基本原理是通过短路高阻抗变压器的副边 提供感性无功功率，TCT具有与TCR几乎一样的电气特性，例如响应时间、 线性度等；还有与TCR相当的灵活的控制特性，能够全范围从90。 180° 分相控制晶闸管的导通角；此外TCT的某些特性还优于TCR，如过负荷能力 比TCR更强、占地面积更小、电磁泄漏更少等。且无需使用高压硅阀，可靠 性高、结构简单、使用维护方便，解决了TCR以及MCR均需要复杂的可控硅 系统带来的问题。
TCT型SVC由TCT高阻抗变压器与可控硅两部分组成可调电感部分，其 基本原理图见附图l。采取TCT支路作为调感支路须满足以下两点其一， 必须满足SVC的基本需求，即TCT支路能对外提供连续变化的感性无功功率， 从TCT支路的等效电气原理图2所示可以看出，TCT支路的等效电路与TCR 支路类似，通过控制TCT副边的可控硅的导通角即可对外提供连续可调的感 性无功功率。其二，能解决TCR与MCR存在的问题，可使可控硅工作在较低 电压下，同时具有响应时间快、控制灵活的优点。
发明内容
本实用新型的目的在于，提供一种基于晶闸管控制变压器的静止型高压 无功补偿装置。
为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案 一种基于晶闸管控制变压器的静止型高压无功补偿装置，其特征在于，该装置包括
连接在线路上的TCT高阻抗变压器，该TCT高阻抗变压器的阻抗电压典 型值为100%，副边额定电压在1000 2000V，高低压联结组别为D， yn;
TCT高阻抗变压器上连接有可控硅柜，TCT高阻抗变压器和可控硅柜组 成调感支路，当TCT高阻抗变压器阻抗电压典型值为100%,在TCT变压器 原边达到额定电压时，副边则短路运行，并可连续长期运行；
至少一路连接在线路上的滤波支路，由滤波电抗与滤波电容匹配组成， 用于根据系统的特征谐波次数以及大小，给系统特征谐波提供一个低阻抗通 道，滤波支路在滤除谐波的同时，还提供无功功率；
一控制柜，分别与TCT高阻抗变压器、滤波支路和可控硅柜连接，用于 对TCT高阻抗变压器、滤波支路和可控硅柜进行控制、监视和保护，同时提 供人机界面接口，还具有记录历史运行数据的功能。
本实用新型带来的技术效果是
① 由于无需采用高压硅阀，大大简化了系统的复杂程度，提高了系统 的可靠性与安全性，运行维护也变得更简单。
② TCT提供的是变压器短路产生的感性电流，因此其过负荷能力大大 优于TCR。
③ 由于使用可控硅作为主调节器件，调节时无拉弧、涌流，设备使用 寿命长。且可通过改变导通角连续调节无功功率。
④ TCT型SVC高压静止无功补偿装置的控制至少包含有一个由DSP全 数字电路实现的调节器，采用实时操作系统，响应速度快，小于10ms，调 节精度高。且同时采集系统电流与负荷电流，瞬时开环调节与PI闭环调节 结合，既保证响应速度又能优化补偿效果。
⑤ 至少包含一个主要由PLC实现对装置完善的保护功能，包括对调节 器的监视，使成套装置简单、稳定。◎至少包含一个触摸屏作为人机操作界面，可记录系统电参量数据， 并掉电保持。
⑦可自由选择多种通讯接口，适应于各种工业场合或变电站。
图1为TCT型SVC的电原理图； 图2为TCT支路的等效电气原理图。 图3为本实用新型的结构示意图。 图4为调节器方框图。
图5-1、 5-2、 5-3、 5-4、 5-5为调节器电路图。 图6为调节器软件主流程图。
以下结合附图和具体实例对本实用新型作进一步的详细说明。
具体实施方式
根据申请人的进一步研究，TCT必须具备以下3个特征
1. 阻抗电压远高于普通变压器， 一般在80%以上，典型设计值通常为 100%。由于调感支路需要输出一定的感性无功电流， 一般较直观的方法是直 接在变压器后串接电感，而本实用新型采取的思路是提高变压器的阻抗电 压，当变压器阻抗电压达到100%时，可允许变压器在原边为额定电压、副 边完全短路下长期连续运行，此时变压器对外输出感性无功功率。这种高阻 抗变压器的思路实际上是将变压器与电抗器集成到一起，既能通过变压器降 压使可控硅工作在较低电压下，又能通过变压器高阻抗对外提供大量感性无 功功率，从而由TCT与低压可控硅构成了一个SVC系统必须具备的连续调感 的支路。因此100%阻抗电压的变压器作为可调电抗支路是本实用新型的最 显著特征，此外由于短路阻抗高，TCT补偿的线性度也好。
2. 副边输出电压为1000V 2000V。 TCR (晶闸管控制电抗器)或MCR (磁控电抗器)支路这两种可调电感都需要将可控硅放在高电位上，这给可控硅的触发、保护等应用带来了麻烦，同时成套装置的可靠性也降低。为解
决这一问题，通过变压器将电压降到适合可控硅工作的电压，如1000V 2000V，可控硅即可直接应用(无需串联成硅阀)，这样做的好处是使可控硅 元件大量减少(相比于TCR中的硅阀)，系统复杂度降低，可靠性提高。
3.变压器的联结组别为D， yn，原边绕组采用D型接法为3次谐波提 供了通道，避免了 TCT的3次谐波漏磁过大造成变压器发热严重，也避免了 TCT产生的3次谐波给电网注入谐波污染，副边绕组采用yn接法，使三相 电路控制起来互不影响，可以从90。 180°全范围控制，其等效电路与TCR 基本相当，从而简化了控制，使分相控制以及整个SVC的不平衡补偿功能得 以较容易实现。
依照本实用新型的技术方案，本实用新型的装置结构示意图如图3所 示，它至少包含TCT高阻抗变压器以及可控硅柜组成的调感支路；采用低压 可控硅柜短接高阻抗变压器的副边输出连续可调的感性无功，至少1个以上 的滤波支路；以及l个控制柜组成。
①调感支路它由TCT高阻抗变压器以及低压可控硅柜组成。
TCT高阻抗变压器的阻抗典型值为100%;高阻抗变压器的副边额定电压 在1000V 2000V;高阻抗变压器的高低压联结组别为D， yn。在TCT变压器 原边达到额定电压时，副边可以短路运行，并可连续长期运行。它集变压器 与电抗器于一体，既起到降压作用，又能像电抗器一样提供感性无功。
可控硅柜，主要包含可控硅元件，散热单元，触发及保护单元。由于 TCT的副边输出电压只有1000V 2000V，因此使用单个元件的可控硅作为主 控制元件即可，无需多个可控硅串连，从而省去了复杂的均压，高低压隔离 环节。散热单元一般包含散热片及风扇，复杂的水冷散热对散热设备以及可 靠性要求均较高，而普通风冷散热器散热效果一般，因此多采用热管散热器， 还可以辅助配以小风量风机，比热管自冷散热效果更优，而且整体噪音还较小。
可控硅柜接在TCT高阻抗变压器的副边，通过控制可控硅的导通角，可 灵活调节TCT支路输出无功的大小，当可控硅导通角为90。时，相当于TCT 副边完全短路，此时TCT对外输出的无功功率最大，达到TCT容量的额定值。 当可控硅导通角为180。时，相当于TCT副边完全开路，此时TCT对外输出 的无功功率最小，几乎等于零。
② 滤波支路主要由滤波电抗与滤波电容匹配组成，为电路提供容性 无功功率，同时吸收系统产生的谐波。它一般由2路或更多路电感、电容组 成的单调谐滤波通道组成，各个滤波支路的电感、电容搭配成对应特征次谐 波的谐振频率，对特征频率的谐波阻抗很低，因此大部分特征谐波电流流入 滤波支路，仅有极少部分流入系统。同时各滤波支路都配有相应的保护，例 如不平衡保护以及过负荷保护，不平衡保护的作用是当电容器发生故障，例 如内部击穿、或内(外)熔丝熔断时造成3相不平衡时，发出故障信号，将 滤波支路与电网断开；过负荷保护一般指流入滤波支路的谐波电流过大或电 容器自身故障造成滤波支路过流时，发出故障信号，将滤波支路与电网断开。
③ 控制柜控制柜是整个SVC系统的中枢，它的作用是协调SVC系统 各部分的运行，同时对各部分起到保护、监测的作用，此外还作为人机界面， 给用户提供交互、操作的接口。控制柜主要包含调节器，PLC，触摸屏3部 分。
调节器负责采集系统的电压、电流，计算系统所缺的无功，从而根据系 统设置的参数计算可控硅的导通角，然后将对应的脉冲串输出给可控硅。然 后此过程不停的循环，直到整个系统工作在预先设定的范围内，例如无功或 功率因数控制在一定的范围内，调节器的框图如图4所示，调节器由主处理 器CPU、模拟量与数字量输入模块、脉冲与继电器输出模块、LCD显示电路、 RS232通讯接口等组成。DSP对采样信号输入模块送来的采样信号进行分析、计算，将对应的触发脉冲输出到可控硅。当发生故障时，也可输出报警信号。
RS232通讯接口既可以用来直接与外部设备通讯，也可以在与无线通讯模块 连接之后进行无线通讯。
以上各部分有机组合成一个基于晶闸管控制变压器的静止型高压无功 补偿装置，它能够快速跟踪系统无功的变化(响应速度可达10ms)，滤除系 统产生的谐波，改善系统负荷产生的不平衡，对系统负荷突变造成的电压波 动与闪变起到一定的抑制作用。
装置的触发及保护单元主要包含有脉冲变压器、氧化锌避雷器、饱和电 抗器、霍尔传感器以及快速熔断器等。其中脉冲变压器用于调节器触发输出 端与可控硅门极间的隔离，因此脉冲变压器必须有足够的抗电强度；氧化锌 避雷器用于防止可控硅在各种过电压情况下的损坏，如雷击浪涌、系统故障、 操作波等；阳极饱和电抗器有两个作用，其一用于限制晶闸管元件导通时出 现的较高的电流上升率(di/dt)以及较高的浪涌电流，其二是当晶闸管处 于关断期间线路出现较高的电压上升率(du/dt)，以避免晶闸管元件所承受 的浪涌电压而引起的误开通；霍尔电流传感器用于测量流过每个可控硅的电 流，用于配合电子线路实现可控硅的过流或击穿保护；快速熔断器也用于可 控硅的过流保护，是可控硅过流电子保护的后备保护，在电子保护失效时起 到可控硅不被烧坏的目的。
图5-1至图5-5为调节器的电路图。图5-1为DSP母板电路图，该部分 主要由数字信号处理器(DSP)芯片TMS320F2812及其外部电路组成，如内 存扩展，总线扩展，JTAG编程接口等。此外还包含有电源芯片，时钟芯片， 存储芯片等。图5-2为主板电路图，集成了一些光耦隔离的数字量输入与继 电器输出电路，此外还有通讯接口。图5-3为总线板电路图，总线板负责各 电路板之间的总线联系，主要包含DSP的地址与数据总线，此外还包含有液 晶以及键盘输入接口。图5-4为互感器板电路图，主要包含电压、电流模拟量输入的调理电路，其主要作用是将强电信号转换可被控制器接受的弱电信
号。图5-4为输出板电路图，输出板主要包含脉冲信号的输出电路。
图6为调节器的软件主流程图，调节器的软件设计成实时多任务结构， 为保证SVC补偿效果的最佳，在定时中断中调用采样与计算程序，以保证系 统的响应速度达到10ms，必须保证定时中断的最高优先级别，其他任务均 靠软件中断实现，通过任务管理程序优化分配各子模块的执行时间，如人机 接口，通讯等。软件的工作流程为程序初始化，例如DSP的定时器设置， 中断设置，1/0设置，通讯参数设置，看门狗设置等。后即进入程序的主循 环，各部分工作如交流采样、无功计算、谐波分析、系统状态数字量采集等 分步进行，通过计算判断对应TCT的控制角度，输出即可，输出后继续跟踪 系统无功的变化，不断修正输出角度，直到符合参数设定的要求为止。
此外，控制柜中还包含PLC以及触摸屏。PLC集中监视了系统各部分的 状态或故障节点信号，接受用户的操作指令，协调整套装置的启动与停止的 先后顺序，在故障时按预设的程序将装置与电网脱离。触摸屏则将PLC获取 的信息以直观的显示出来，例如实时显示各部分运行状态与电网参数，记录 各种故障信息、历史数据以备查询，用户对成套设备的操作上较传统的按钮 等操作更灵活。
综上所述，本实用新型是一种新的基于晶闸管控制变压器的静止型高压 无功补偿装置，由于采用了TCT高阻抗变压器作为无功的连续调节单元，与 传统的TCR或MCR型SVC相比，很好的解决了可控硅在SVC应用中的诸多问 题，使SVC装置的运行更为简单可靠；同时控制电路新颖，智能化和自动化 程度高，保护功能完善，可达到无人职守的要求；此外成本相对较低，因此 本实用新型对SVC的推广与普及有很好的实用价值。
权利要求1. 一种基于晶闸管控制变压器的静止型高压无功补偿装置，其特征在于，该装置包括连接在线路上的TCT高阻抗变压器，该TCT高阻抗变压器的阻抗电压典型值为100％，副边额定电压在1000～2000V，高低压联结组别为D，yn；TCT高阻抗变压器上连接有可控硅柜，TCT高阻抗变压器和可控硅柜组成调感支路，当TCT高阻抗变压器阻抗电压典型值为100％，在TCT变压器原边达到额定电压时，副边则短路运行，并可连续长期运行；至少一路连接在线路上的滤波支路，由滤波电抗与滤波电容匹配组成，用于根据系统的特征谐波次数以及大小，给系统特征谐波提供一个低阻抗通道，滤波支路在滤除谐波的同时，还提供无功功率；一控制柜，分别与TCT高阻抗变压器、滤波支路和可控硅柜连接，用于对TCT高阻抗变压器、滤波支路和可控硅柜进行控制、监视和保护，同时提供人机界面接口，还具有记录历史运行数据的功能。
2. 如权利要求1所述的基于晶闸管控制变压器的静止型高压无功补偿 装置，其特征在于，所述的控制柜中至少包括有调节器、PLC和触摸屏。
3. 如权利要求2所述的基于晶闸管控制变压器的静止型高压无功补偿 装置，其特征在于，所述的调节器由主处理器CPU、模拟量与数字量输入模 块、脉冲与继电器输出模块、LCD显示电路、RS232通讯接口组成，调节器 还设有远程通讯接口和控制软件，控制软件采用实时多任务操作系统，能够 快速计算装置所缺的无功功率并将相应的脉冲输出控制可控硅柜中的可控 硅，其响应速度为10ms。
4. 如权利要求1所述的基于晶闸管控制变压器的静止型高压无功补偿 装置，其特征在于，所述的可控硅柜内含有可控硅元件、散热单元、触发及 保护单元。
专利摘要本实用新型公开了一种TCT型SVC高压静止无功补偿装置，包括一个TCT高阻抗变压器的调感单元，TCT的主要特征是阻抗电压典型值为100％，副边额定电压在1000V～2000V，高低压联结组别为D，yn。此外还包含可控硅柜，FC无源滤波支路，控制柜。控制柜主要由调节器，PLC以及触摸屏组成。调节器由DSP作为处理器，采集系统的电压、电流，快速计算系统所需的无功功率，并将与无功对应的触发脉冲经由脉冲输出板调制后输出到可控硅。响应速度达到10ms以内。成套装置智能化和自动化程度高，保护功能完善，可达到无人职守的要求。同时成本相对较低，更加适合SVC静止无功补偿装置的推广与普及。
文档编号H02J3/18GK201247959SQ20082003005
公开日2009年5月27日 申请日期2008年8月25日 优先权日2008年8月25日
发明者黎 金 申请人:西安森宝电气工程有限公司