电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。

电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为了维持无功平衡，要求无功补偿设备实行动态补偿，即要根据无功负荷的变化及时投切电容器。以往的动态无功补偿设备以机械开关（接触器）作为电容器的投切开关，机械开关动作速度慢，而且会产生诸如涌流冲击、过电压、电弧重燃等现象，开关本身和电容器都容易损坏。

随着电力电子技术和微机技术的迅速发展和广泛应用，出现了智能型的动态无功补偿装置。这种以电力电子器件作为无功器件（电容器、电抗器）的开关器件的动态无功补偿装置被称为静止无功补偿装置。

TSC是动态无功补偿技术的发展方向，它正成为传统无功补偿装置的更新换代产品。正因为如此，本课题选择这一技术领域进行研究。

一、静止无功补偿技术的现状及发展

20世纪70年代以来，以晶闸管电抗器（TCR）、晶闸管（可控硅开关）投切的电容器（TSC）以及二者的混合装置（TCR TSC）等主要形式组成的静止无功补偿器（SVC）得到发展。

二、TSC暂态过程分析

设装设TSC的母线电压是标准的正弦电压信号us(t)=Um sin(ωt+α)，电容器上的残压为Uc0，忽略晶闸管的导通压降和损耗，认为是一个理想开关，则用拉氏变换表示的TSC支路电压方程为：

实际上，条件（1）（在系统电压比较大时触发晶闸管）是自然换相条件；因为流过电容器的电流超前其两端电压（即系统电压）90?，所以在系统电压峰值时流经电容器的电流为零，而作为依赖电流过零自然关断的半控器件，晶闸管的无电流冲击换相点应为系统电压峰值点。而条件（2）（即时电容器应为已预充电到Umk2/(k2-1)）是零电压换相条件；此时由于开同前后晶闸管两端电压均为零，所以其开通过程将不会在电路中引起由于电压突变导致的过渡过程。为了同时满足上述条件，均采用了假定电容器两端电压已预充电到系统峰（谷）值电压，从而在电源电压峰（谷）值时开通晶闸管以电容器的方法。但实践中存在下述两个问题：

（1） 如果没有预充电装置，则一次切除时间较长后再次使用，由于放电的原因，此时电容器电压通常为零，故会发生电流冲击；

（2） 由于电容器自身放电的原因，即便切除时间较短，电容器电压也会下降。所以通常采用的峰值切除方法实际不能满足零电压切换条件。

三、对TSC装置无暂态过程的投切时机分析

在实际中，如果考虑到系统自身的电抗，则k往往是不确定的；同时，根据国家标准"每一电容器单元或电容器组应具备足以在3min之内从初始直流电压Un放电到75V或更底的放电器件。对于Un≥1000V的电容器，放电时间应为10min"，由于电容器一旦被切除后将经过放电回路放电从而导致电容器电压的下降，因此除非每次使用之前对电容器进行充电，上述条件很难保证，这也是选择在系统电压峰（谷）值时投电容器的方法难以实现的地方。

实际中另外一种做法是假定每次使用之前电容器均经过充分放电，其两端电压为零；此时就可以在系统电压过零点，即触发延迟角 =- 时开通晶闸管使电容器接入。此时由于Uc0=0，故式（2-4）式的零电压切换条件可以得到满足；但自然换相条件不能得到满足，其中振荡分量的一项为零，只有第二项可能引起振荡，振荡的是正常情况下的两倍。为了说明这一点，将描述电容器中电流的式（2-1）改写为:

电压与电容上的残留电压相等，即晶闸管两端的电压为零时将其触发导通，具体而言：

(1) 当电容上的正向（反向）残压小于（大于）输入交流电压的峰（谷）值时，在输入电压等于电容上的残压时导通晶闸管。可使得过渡过程短:

(2)当电容上的正向（反向）残压大于（小于）输入交流电压的峰（谷）值时，在输入电压达到峰（谷）值时导通晶闸管，可直接进入稳态运行。

根据以上投切原则，TSC的比较大响应时间将达到一个周波；而且由于电容器只能在一个周期的特定时刻使用。因此，TSC支路只能提供或者为零（断开时）或者为比较容性的电流；当其使用时，支路的容性电流与加在其上的电压成正比。实际应用时，可以将多组TSC并联使用，根据容量需要，逐个使用，从而得近似连续的容抗；也可以将TSC与TCR并联使用，获得连续可控的感（容）抗值。

从上述讨论可以看出，TSC运行时一旦电容已经使用，整个工作过程中理想的工作方式就是使晶闸管工作在二极管模式进行自然换相；而时刻处于电源电压的正半周或负半周对于TSC的工作没有实质性的影响。因此。可以将反并联的晶闸管对中的一只晶闸管换做二极管。工作时首先电容经二极管被充电到系统电压的正向峰值，此时晶闸管就具备了导通的条件，然后将除法脉冲施加于晶闸管的门极，晶闸管导通，电路开始工作。此后即进入如前所说的自然换相工作状态。该电路的缺点就是希望将电容切除时，控制器停止向晶闸管提供脉冲后，还需经过二极管工作的半个周波才能真正将电路关断。但由于利用二极管取代晶闸管，将同时省去相应的触发电路并使电路更为可靠，所以应用中不为一个性价比较高的方案。

综上所述，为使TSC在使用过程中，无冲击电流，且暂态过程平稳可采取以下方案：

(1) 加放电电阻。每次切除电容器后，通过专门的放电电阻对电容器放电，使电容器残压接近为零，晶闸管在电网电压过零时使用。

(2) 电容器预充电。使用电容器之前对其预充电，充电到电网电压的峰值，在电网电压峰值时触发晶闸管。

(3) 主电路采用晶闸管与二极管反并联方式。如图1b所示方案中，电容器使用前其电压总是维持在电网电压的峰值，一旦电容器电压比电网电压峰值有所降低，二极管都会将其电压充电至电网峰值电压。只要在电网电压峰值时触发晶闸管，就可避免电流冲击。

(4) 检测晶闸管两端电压的零电压触发方式。由于电容器残压的不确定性，晶闸管上的电压是一个不能根据电网电压计算的值，但可通过检测晶闸管两端（阳极和阴极）的电压来确定电网电压与电容器残压是否相等。当检测到晶闸管两端电压相等（电压差为零）时，触发晶闸管。其原理电路原理框图如图所示。 图(2-2)中，晶闸管两端电压经电阻降压送到光电耦合器，当交流电压瞬时值与电容器残压相等时晶闸管上电压为零，零电压检测电路输出一个脉冲，该脉冲与 TSC指令相"与"后启动触发电路，去触发相应的晶闸管

随着电力系统的发展，人们对电能质量的要求也在逐步提高，安全可靠持续是对电力系统的基本要求。而无功是影响电能质量的一个因素。无功补偿技术对用电单位的低压配电网的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，确定无功功率的补偿容量，确保补偿技术经济、合理、安全可靠，达到节约电能的目的。