文献综述

SVC主要包括晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor TCR)、晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor TSC)，以及这两者的混合装置（TCR+TSC），或者晶闸管控制电抗器与固定电容器(Fixed Capacitor FC)组合使用的装置（TCR+FC）。由于TCR + TSC型SVC在使用中成本高，控制系统复杂，在国内使用较少，目前得到最广泛应用的SVC装置主要为TCR+FC。

本文主要述及TCR型SVC工作原理、主电路接线形式、晶闸管串联和触发技术、高位取能、保护和冷却，最后对荣信SVC产品进行了简介。

1、TCR型SVC工作原理

SVC如图接入系统中，电容器提供固定的容性无功QC，补偿电抗器通过的电流决定了补偿电抗器输出感性无功QTCR的大小，感性无功和容性无功相抵消，只要能做到系统无功QN=QV（系统所需）-QC+QTCR=常数（接近0），则能实现电网功率因数=常数，电压几乎不波动，关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流，晶闸管变流装置和控制系统能够实现这个功能，采集母线的无功电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值进行比较，计算得触发角大小，通过晶闸管触发装置，使晶闸管流过所需电流。对于不对称负荷，利用不平衡负荷的平衡化原理即steinmets理论实现分相调节，消除负序电流，平衡三相电网。

SVC进入商业应用已有超过30年的历史 ,其技术也随着相关技术领域的发展而发展。SVC装置的核心部分主要由阀组、相控电抗器或电容器组、控制系统、冷却系统等组成。其中阀组、冷却系统和控制系统是装置研制的关键技术。

2、主电路接线形式

由于 TCR 的接入，当晶闸管的触发角大于90°时，将在补偿电路中产生高次谐波，这些谐波会对电网产生污染， 因此采用将 TCR 接成△形的方式来消除某些谐波。在三相平衡负载的情况下，使两个晶闸管的控制角相等，这时由于电流断续而引起的谐波为奇次谐波，其中三次及其整倍次谐波电流将在闭合的三角形中流动，而不会出现在线电流中。[9] TCR相控电抗器三相接线形式大都采用三角形连接 ,三角形连接中3次谐波含量比星形连接电流小。另外 ,实际工程中当容量较大时将电抗器分为等容量的两部分 ,串接在晶闸管阀串的两端 ,这样可以使得晶闸管在电抗器损坏时得到额外的保护。[14]

关于FC的接线，文献[9]指出LC 滤波器是由滤波电容器、电抗器和电阻器组成的滤波装置，作用是补偿无功功率和滤除谐波。LC 滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及C型滤波器等几种，见下图。实际应用中通常采用多个单调谐滤波器和一个高通滤波器组成的滤波器组。

荣信的SVC产品原理图采用的FC即为多个单调谐滤波器和一个高通滤波器组成或只有多个单调谐滤波器，但是在单调谐滤波器中没有电阻R。

3、晶闸管串联技术

受晶闸管制作工艺的限制，目前晶闸管主流产品的额定电压较低（断态不重复峰值电压为6500V，可重复峰值电压为5600V），单级无法满足6kV及其以上电压等级的耐压要求，需多级串连使用。例如，35kV电压等级的单相TCR阀体通常采用20～24对反并联的耐压6500V的晶闸管串连；10kV电压等级的单相TSC阀体采用10对反并联的6500V晶闸管串连。[3]

对串联应用起主要作用的关键特性参数为:(1)影响静态均压的参数:正反向漏电流、静态伏安特性。(2) 影响动态均压的参数:开通时间、关断时间、断态电压临界上升率。（3）触发脉冲的性能参数引起的电压不均。触发脉冲的参数由触发电路决定，此处暂不讨论。为取得理想的串联均压效果 ,以上参数都必须具有较高的一致性。此外，由于参数的差异不可避免 ,为达到设计的静动态均压指标 ,还需要辅助以外部均压电路。常用电路如下图：

对于静态均压电路是否有必要存在，文献[1]指出，为达到静态均压，可采用电阻均压。但未指出是否应用于交流电路。对于动态不均压问题，可采用RC并联支路。文献[4]看法同文献[1]，但明确应用于交流电路。文献[7]指出，一般将电阻、 电容串联构成缓冲电路并联在由正向晶闸管和负向晶闸管反并联构成的主电路两端，对开通和关断过程进行缓冲和动态均压，同时对阀闭锁稳态条件下的阀端交流电压分量进行均压。对于阀闭锁稳态条件下的阀端直流电压分量一般用直流均压电阻进行均压。文献[2]、[3]只采用了RC均压电路，但因文章讨论重点不是均压电路，故未作解释。

对于R、C参数的选取目前大多数文献都依据常用的经验公式，且主观性较大。文献[7]指出恢复阻断后的电压差近似等于反向恢复电荷差值 ΔQrr与吸收电容器容值Cs之比，熄灭过冲电压差与熄灭过冲系数有关，一般要远远大于该比值；由于在相同关断条件下晶闸管的 Qrr不一致是直接导致晶闸管恢复阻断后电压及熄灭过冲电压不均匀的原因。因此，从关断动态均压的角度来看，应尽量挑选Qrr偏差较小的晶闸管进行串联；在晶闸管现有制造水平的条件下，或者考虑其他要素，如通态压降的要求，由反向恢复电荷差异而导致串联晶闸管阻断电压以及熄灭过冲电压的不均匀性可通过增加晶闸管的吸收电容器的容值Cs来改善；吸收电阻的阻值宜在临界阻尼阻值附近选取，该临界阻尼阻值为只考虑由等效电感、等效阻容吸收电路串联构成的二阶电路的临界阻尼电阻值。增加阻值有利于抑制熄灭过冲电压的不均匀性，但不利的是增加关断时电压变化率。文献[2]提出了在均压/阻尼电路参数RC选择合适的情况下 ,TCR阀触发关断电压波形的形状基本由均压/阻尼参数RC和感性负载参数L决定的论断。并根据这一论断 ,提出了TCR阀均压/阻尼电路参数优化的指导原则。试验结果表明 ,结合实际工程选用的相控电抗器的电感值L,合理的选择晶闸管阀的均压/阻尼电路参数 ,能使晶闸管阀在保持较好的均压效果的同时,在关断时刻产生小的电压冲击、消除电路振荡因素。

文献[5]分析了晶闸管阀串联运行所涉及各个相关环节的物理过程，结合晶闸管本身的物理特性建立相应的数学模型， 尤其是建立了包含晶闸管自身恢复电流特性的反向恢复数学模型。对各个元件参数的影响及相互关系进行分析，推导出安全运行所需的边界条件。从而在理论的层次上将晶闸管阀串联机制明确化、系统化。在此基础上，应用该理论对现有的串联方法进行了分析和评价，提出了改进后的串联技术。

4、晶闸管的触发方式

由于开关控制信号由处于低压侧的控制系统发出，而各个晶闸管单元处于高压电位下，所以触发系统与主电路电位隔离是极其重要的。另外，为有利于晶闸管的均压，脉冲陡度和脉冲前沿的幅值、脉冲上升沿到来时间的前后应尽量保持一致。应用于 SVC 阀组的触发方式主要有电磁触发、光电触发和直接光触发等。

电磁触发：触发电流通过高压绝缘电缆直接传送至高压阀体侧，由各级晶闸管的电流耦合线圈耦合出触发电流供晶闸管触发。原理图如下：

该触发方式低压侧需大功率电源供触发脉冲源使用。同时，因磁环的磁耦合系数低导致触发脉冲前沿较缓，串连晶闸管触发一致性不理想。

光电触发：低压侧的触发脉冲信号首先经过电一光转换装置转换为光脉冲信号，光脉冲信号通过低功耗光纤传输到安装在晶闸管组件上的光—电脉冲变换器，光一电脉冲变换器输出的脉冲再经过功率放大最后施加到晶闸管单元的门极上，使晶闸管单元触发导通。整个触发信号传输过程实际上是一个电一光再到光一电信号转换过程。该触发方式可以降低绝缘成本，保证触发波形的强度、陡度一致性，同时降低了对串联晶闸管缓冲电路的要求，但增加了系统的复杂性。另外，还需设计高位取能电路来保证光电转换装置和门极驱动电路的正常运行，根据供能方式的不同，间接光触发系统分为自偏压和外供电源两种形式。

直接光触发：在直接光触发系统中，晶闸管元件可以直接用一定波长、一定能量强度的光脉冲触发导通，电触发脉冲转变为光脉冲后，经过光纤传递直接作用于晶闸管元件门极，省去了高电位上的触发取能电路和光一电信号转化电路，触发可靠性优异。直接光触发系统将是未来晶闸管驱动的主要发展趋势，它不仅可以从根本上解决常见的电磁干扰问题，而且也能够保证触发信号的强度/陡度以及触发时间的一致性。但是，由于光控晶闸管是从元件级提升控制水平的。就目前国内的制造水平，这种方式只是一种前瞻，不具备工业应用基础。而采用进口元件，由于价格非常昂贵，在目前暂时不能成为主流。

目前国际上广泛采用的成熟先进技术为高压取能方式光电触发 ,这种触发方式阀组与控制系统间完全通过光纤连接 ,有较好的电磁兼容性和良好的绝缘特性。[8]文献[3]提出了一种触发方式，低压控制装置将触发信号转换成光命令信息，通过高压光纤传送至高压晶闸管阀侧,高压晶闸管阀侧安装光电转换装置接收光命令信息，将其转化成强电脉冲通过特殊的多输出磁隔离脉冲变压器将该强电脉冲分配给各晶闸管用于触发。在控制投人信号有效

时，测得脉冲变压器输出电流为1A，上升时间小于1us。各晶闸管触发脉冲延时分散性小于10ns，有利于串联均压。

5、高位取能电路

取能单元是为整个晶闸管触发单元提供能量的单元。 由于晶闸管触发单元在高压侧， 因此要获取能量只有3种方式：RC取能、CT取能、高压电阻取能。

现在常用的取能方式有RC取能和CT取能，他们的应用场所有所不同。RC取能方式。 它可以直接用在TCR、 整流器等晶闸管不是全角度导通的场合， 否则没有足够的能量来触发晶闸管。CT取能方式。 如果CT只是从主电路取能， 那么它仅可以配合RC取能一起使用。 主电路导通前， 用RC取能方式为晶闸管触发单元供电；晶闸管导通后，主电路电流已经建立时， 可以采用CT取能方式为其供电。这种取能方式主要应用在如TSC、软起动的软停等晶闸管完全导通或者导通后被旁路的情况。但是如果CT取能的供电回路不是主电路， 而是其他外部回路，那么就可以用在TSC、TCR、软起动等场合。

但是，因为隔离变压器成本太高，用在10kV系统的场合还可以，如果电压再高，则不推荐使用。

[13]

高位取能电路的功能是为处于高电位的晶闸管电子板即TE板提供控制用直流电源，由于TCR主电路属于电流断续型电路，因此一般采用从晶闸管阻容吸收回路取能的方法，见下图：

该电路是TE板能否正常工作的关键，其工作原理为：Q1、Q2为主晶闸管,R1、C1为主电路动态均压电阻、电容，R1为TE板的等效负载电阻，当Q2处于正向阻断时电流ic1为正向，向电容C1、C2充电。当C2的端电压超过稳压二极管D1限幅值时二极管D3截止，TE

板上的辅助晶闸管Q3导通，停止给C2充电。C2的端电压保持为限幅值，其储能就是TE的工作电源。触发Q2时C2通过Q2的门极放电，C1通过Q2、D2 、R1放电。当Q2处于反向阻断时ic1为负向，D2构成旁通支路，C1被反向充电；当Q1正向导通时C1己带有下正上负的电荷，如果此时C2的端电压低于限幅值则C1将通过R1、D3、C2、Q1放电，因此C2也有机会充电；同样，当C2的端电压超过D1限幅值时D3截止，Q3导通，C1将通过R1、Q4、Q1完成放电。所以当TCR正常工作时，不论反并联的一对晶闸管是承受正向还是反向电压，图中的取能电路都可正常工作。另外，当TCR空载运行时，由于Q1、Q2均不导通，C2将只在Q2正向阻断时充电，但因此时TE板不用产生触发脉冲，其能耗很小，所以TE板仍然可以正常运行。

[12]

6、晶闸管的保护电路

常见的 SVC阀组过电压保护采用避雷器。可以并联于阀串两端 ,也可以接于相对地。串联的单个晶闸管层采用电压击穿后备保护VBO(Voltage Break - over)。BOD (Break - over Diode) 器件是实现VBO保护最常用的方法。BOD的触发保护既要考虑其在过电压情况下进行可靠保护 ,又要防止其频繁动作。BOD保护电路原理图如下

[8]

当晶闸管两端电压超过BOD器件转折电压时，BOD导通，触发晶闸管导通，防止晶闸管因过压而损坏。

文献[12]中的BOD保护电路较为详细，如下图：

上图为设计的BOD保护和动作信号检测电路原理图，由于需用一只BOD元件保护一对反并联晶闸管Q1 ,Q2，所以图中BOD串接在D23 ,D24 ,D26 ,D27组成的桥式电路中间，这样Q1 , Q2上的端电压不论正负，BOD都可正常工作。图中串接在BOD动作回路中的脉冲变压器T2用来检测BOD动作时的电流，经整流后变成单极性的电压信号去TE板上的光发射电路，将BOD动作情况回报给阀基电子板即VBE。

西安电力电容器厂也采用了避雷器和BOD保护，其采取的微机保护有：FC各支路过流、相间短路速断、电容器内部故障内熔丝动作的差压保护或中性线不平衡电流保护；TCR阀线电流、阀电流速断、阀电流过载保护；公共保护。过电压、失压、PT断线保护；TCR回路纯水冷却系统保护。[11]

7、冷却方式

目前为电力电子器件所配用的散热器包括自冷式散热器、强迫风冷式散热器、热管散热器、液冷(主要是水冷)式散热器和近年提出的集成式水冷散热器。上述散热器的散热效率和热时间常数如下图所示：

密闭式循环纯水冷却系统自20世纪70年代末实现工程应用以来，由于其优异的散热效果，以及安全、高效、环保和节能等优点很快就在高压大功率电力电子装置的冷却系统中得到了广泛的应用。

[15]

晶闸管阀组直接串联在一次主回路中，TCR主电流流过晶闸管元件产生的通态损耗和晶闸管开关过程中产生的开关损耗转换为热能。为可靠高效地将热量带走，文献[10]同多数厂家一样采用纯水冷却系统。

荣信SVC则主要采用热管自冷却技术，荣信RXPE系列热管是双相全封闭系统，直接从可控硅单元吸收热量，通过相变和毛细作用再循环热传递介质，将其冷却。此过程中无移动部件，仅用少量热传递介质。热管冷却系统结构简单、无噪音、真正实现免维护。

8、荣信SVC简介[10]

由晶闸管相控电抗器TCR和高次谐波滤波器FC两部分组成。主要设备包括：全数字控制系统、晶闸管阀组、相控电抗器、TCR控制采样用电流互感器、TCR故障自诊断系统、滤波电抗器、滤波电容器组、电容器组架、氧化锌避雷器、差流互感器等。

晶闸管阀组与SVC每相的电抗器串联，用于控制电抗器,实现动态无功补偿。TCR与可投切的并联电容器组组合，实现电网无功功率的连续调节。

SVC全数字控制系统组成。SVC控制系统由控制柜、脉冲柜和功率单元三部分组成。控制柜采集现场的电压、电流信号，计算处理后发出触发脉冲，同时监测晶闸管运行状况。脉冲柜将触发脉冲转换为符合要求的脉冲信号，实现触发。功率单元由晶闸管、阻容吸收、热管散热器、脉冲变压器、BOD板和击穿检测板六部分组成，串入电抗器回路，在脉冲信号控制下操纵晶闸管通断，使电抗器流过预期的补偿电流。其基本结构框图如下图：

高次谐波滤波器的组成。FC由电容器、电抗器和电阻器适当组合成3个滤波器支路的“无源型”交流滤波装置。该装置和谐波源并联运行。这种方式以滤波和无功补偿兼顾的方式，以滤波为主。可以滤除由于用电设备在生产过程中产生谐波污染，保证公共母线和电网电能质量；同时实现就地补偿；提高功率因数，减少无功的远距离输送，降低线损；达到节能降损的目的。

SVC的监控系统组成。SVC监控系统可以方便、直观的查看SVC设备的运行参数、曲线、历史记录、故障记录等，支持网络传输和远程监控等。可以监控的数据包括：①SVC设备的运行数据，设备的运行设置参数。②故障报警，可控硅状态监视。③查询历史数据和历史故障记录。④功率因数小时、日、月、年度的统计。

荣信产品图如下

参考文献

[1]王兆安、黄俊.电力电子技术第四版.

[2]刘鹏、肖风良.高压静止无功补偿器用晶闸管阀均压/阻尼电路参数的优化. [3]刘鹏、申宁、杨利娜.串连晶闸管阀触发方式分析与研究. [4]李政.lOKV交流电动机软起动装置研究.

[5]汤广福、贺之渊、邓占锋.基于器件物理特性的晶闸管阀串联机制系统化研究. [6]胡爱军.三相四线制供电系统电压暂降和中断的治理研究.

[7]蓝元良、汤广福、印永华、周孝信.串联晶闸管反向恢复暂态过程的研究. [8]张皎、赵刚、汤广福.超高压大容量静止无功补偿器(SVC)装置研制. [9]周宇英、宋璟毓.TCR 型静止无功补偿系统.

[10]汤广福、李功新.先进电力电子技术在超高压输电网中的应用. [11]周登洪、刘维民.张家港沙钢集团相控型SVC动态补偿装置综述. [12]刘飞、卢志良、刘燕、徐政.用于TCR的晶闸管光电触发与监测系统. [13]宋建秀、王 婷、刘憾宇.基于高压阀的晶闸管光电触发与在线监控系统. [14]王淑慧.静止式动态无功补偿装置在唐山110kV变电站的应用.

[15]吴文伟、卢志敏、柯情育、刘慧敏、穆建国、陈建业.静止无功补偿装置采用密闭式循环纯水冷却系统提高安全可靠性.