摘 要：本文论述了电力系统无功功率的产生及影响。从电路结构上分析了晶闸管投切电容器（TSC）的工作原理，设计并建立了TSC的主电路和控制触发系统。在TSC控制策略方面，采用初始脉冲和后续脉冲叠加的控制方法。实验系统运行结果表明，电容器投入无涌流，无暂态过程。
关键词：无功补偿；晶闸管投切电容器(TSC)；复杂可编程逻辑器件(CPLD)；零电压触发
1. 引言
在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。对于较普遍的阻感性负载，电阻消耗有功功率，而电感则在一周期的一部分时间把从电网吸收的能量存储起来，另一部分时间再把储存的能量向电源和负载释放，其本身并不消耗能量[1]。
电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的，负荷也以阻感性负荷为主，因而补偿以并联电容器为主要手段，通常将电容器分为若干组投切。固定并联电容器补偿方式的优点在于不产生谐波、运行维护简单、可靠性高，但无法解决过补偿和欠补偿的问题。
自动投切电容器装置根据控制开关的不同，可分为断路器、接触器投切电容器装置和晶闸管投切电容器装置。断路器、接触器投切电容器装置的结构简单、控制方便、性能稳定等优点，但其响应速度慢、不能频繁投切，主要应用于性能要求不高的场合。晶闸管是无触点开关，其使用寿命可以很长，而且晶闸管的投入时刻可以精确控制，能做到快速无冲击的将补偿电容器接入电网，大大降低了对电网的冲击，保护了电容器，可以频繁投切。
2. TSC装置基本原理
TSC的基本原理如图1所示，其中的两个晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。当电容器投入时，TSC的电压—电流特性曲线就是该电容器的伏安特性，一般将电容器分成几组，可根据电网无功需求量来投切这些电容器，其电压—电流特性曲线按照投入电容器组数的不同而变化。当TSC用于三相电路时，可以三角形联结，也可以星形联结，每一相都可以设计成分组投切。
电容器分组的具体方案比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，但综合考虑系统复杂性以及经济性问题，可以采用二进制的方案，即采用k-1个电容值均位C的电容，和一个电容值为C/2的电容，这样的分组法可使组合成的电容值有2k级。
TSC只有两个工作状态，即投入、断开状态。投入状态下，反并联晶闸管之一导通，电容器起作用，TSC发出无功功率；断开状态下，反并联晶闸管均阻断，TSC支路不起作用，不输出无功功率。
3. TSC投入时刻的选取
选取TSC投入时刻总原则是，TSC投入电容的时刻，也就是晶闸管开通时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。根据电容器的特性，当加在电容器上的电压有跃变时（电容器投入时电源电压与电容器充电电压不相等），将会产生冲击电流，很可能损坏晶闸管或给电源带来振荡。
3.1 理想投入时刻选取
理想情况下，希望电容器预先充电至电源电压峰值处，而且将晶闸管的触发相位也固定在电源电压的峰值点[3]。如果在导通前电容器充电电压也等于电源峰值电压，则在电源峰值点投入电容器时，在这一点电源电压的变化率为零，因此，ic为零，随后，电源电压的变化率才按正弦规律变化，电流ic也按正弦规律变化。整个投入过程不会产生冲击电流，而且电流也无阶跃变化。
3.2 实际投入时刻选取
实际中，当TSC支路断开后，由于电容上的漏电效应，电容的电压不能维持在极值，当再次投入时，电容上的残留电压将在零到峰值之间。要实现无暂态的TSC投切，即每次投入时对电容器进行充电，该条件很难得到满足且延长了电容器的投入时间。
另一种方案是每次投入之前对电容器充分放电，使两端电压为零，此时就可以在系统电压过零点进行触发。电容器一旦从电网中切除，必须放电完毕后才能再次投入运行，限制了再次投入的时间，难以满足快速投切和重复投切的要求。采用晶闸管与二极管反并联方式，电容器投入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。
以晶闸管端电压过零作为TSC投入时机，即在系统电压和电容端电压相等时进行投切动作。这样，首次投切时冲击电流同样为零，晶闸管开通后，电容电压随系统电压而变化，满足零电压切换的条件。该状态一直持续至电源电压达到峰值点，晶闸管由于电容电流下降到零而自然关断，电容器已被充电到电源电压的峰值点，具备理想触发导通的条件，此时，施加脉冲将实现无过渡过程的自然换相。该方法取消了必须在电容电压为零时进行投切的条件，实际上可以在短时间内进行重复投切。
4. TSC控制系统设计
TSC的核心是投入时刻的选取，通过以上分析对比得出，以晶闸管端电压是否为零作为电容器投切条件，冲击电流同样为零，过渡过程最短。
检测晶闸管两端的电压，当有投切信号且端电压过零时，产生一定宽度的脉冲送给晶闸管。此时，电容器投入电网，电容电压将随电网电压而变化，以后就具备了理想投切的条件，即换相点为电网电压的峰值点。投切信号消失时，脉冲封锁，通过晶闸管的电流过零，器件关断，TSC从电网上切除。初始脉冲送出后，通过检测电网电压的峰、谷值点，在该点处产生后续脉冲。在脉冲产生的时刻向反并联的晶闸管同时通脉冲，再通过电网电压确定晶闸管导通。该方法控制部分功耗小，电路也较简单。
控制电路主要由检测电路、脉冲产生电路、驱动电路及保护电路组成。检测晶闸管两端电压和电网电压，将检测信号通过电压比较器，使之在电压过零点产生脉冲，产生的脉冲作用于单稳态电路，从而产成一定宽度的脉冲，再经过驱动电路驱动晶闸管门极。
图2. TSC控制系统结构图
采用数字电路产生脉冲，可以在过零时刻准确控制产生脉冲，且脉冲的宽度也可以通过计数器精确控制。基于CPLD的数字控制系统不受环境影响，可靠性好。
数字单稳电路如图3所示，在上升沿到来时，D触发器输出高电平作用于计数器的清零端(CLR)，计数器开始计数。进位信号(RC)取反为高电平作用于D触发器的清零端，D触发器输出为高电平。计数器在时钟信号下计数完毕时，进位信号取反为低电平，D触发器清零，输出低电平；计数器清零，进位取反后使D触发器的清零端
