晶閘管控制電抗器

基本的單相TCR由反並聯的一對晶閘管閥T1、T2與一個線性的空心電抗器相串聯組成。反並聯的一對晶閘管就像一個雙向開關，晶閘管閥T1在供電電壓的正半波導通，而晶閘管閥T2在供電電壓的負半波導通。晶閘管的觸發角以其兩端之間電壓的過零點時刻作為計算的起點，觸發信號的延遲角在90°~180°範圍內變化 ^[1]  。

TCR觸發角α的可控範圍是90°～180°。當觸發角為90°時，晶閘管全導通，此時TCR中的電流為連續的正弦波形。當觸發角從90°變到接近180°時，TCR中的電流呈非連續脈衝形，對稱分佈於正半波和負半波。當觸發角為180°時，電流減小到0，當觸發角低於90°時，將在電流中引入直流分量，從而破壞兩個反並聯閥支路的對稱運行。所以一般在90°～180°範圍內調節。通過控制晶閘管的觸發延時角，可以連續調節流過電抗器的電流，在0(晶閘管阻斷)到最大值(晶閘管全導通)之間變化，相當於改變電抗器的等效電抗值。晶閘管一旦導通，流經晶閘管電流的關斷將發生在其自然過零點時刻，這一過程稱為電網換相。而TCR是按電網換相方式運行的。電網換相過程的一個特徵是一旦閥開始導通，任何觸發角的變化只能在下半個週期中起作用，從而導致所謂的晶閘管死區時間 ^[2]  。

TCR的作用就像一個可變電納，改變觸發角就可以改變電納值，因為所加的交流電壓是恆定的，改變電納值就可以改變基波電流，從而導致電抗器吸收無功功率的變化。但是，當觸發角超過90°以後，電流變為非正弦的，隨之就產生諧波。如果兩個晶閘管在正半波和負半波對稱觸發，就只會產生奇次諧波。諧波可以通過對較高頻率分量的傅里葉分析得到。

由於在電力系統應用中要求具有可控的容性無功功率，因此在TCR上並聯了一個電容器。這個電容器可以是固定的，也可以是可投切的，通過機械開關或者是晶閘管開關。TCR的主要優點是控制的靈活性和易於擴容。不同的控制策略可以容易的被實現，特別是那些涉及外部輔助信號以顯著提高系統性能的控制。參考電壓和電流斜率都能夠用簡單的方式加以控制。由於TCR型SVC本質上是模塊化的，因此通過追加更多的TCR模塊就能達到擴容的目的，當然前提是不能超過耦合變壓器的容量。

TCR不具備大的過負荷能力，因為其電抗器是空心設計的。如果期望TCR承受暫態過電壓，就需要在設計TCR時加入短時過負荷能力，或者安裝附加的晶閘管投切電抗器，以備在過負荷時使用。

TCR的響應迅速，典型的響應時間為1．5～3個週期。實際的響應時間是測量延遲、TCR控制器的參數和系統強度的函數。

如果對TCR採用電壓控制的正常運行區域就被壓縮到一條特性曲線上。這種特性曲線體現了補償器的硬電壓控制特性，它將系統電壓精確地穩定在電壓設定值%上。正常情況下，控制器通過控制電抗器注入節點的感性無功功率，來維持節點電壓不變。當電壓升高，運行點將向右移動，控制器通過增大晶閘管閥的觸發角增大注入節點的感性無功功率，保持節點電壓。當運行點到達控制範圍的最右端，節點電壓進一步升高後將不能由控制系統來補償，因為TCR的電抗器已經處於完全導通狀態，所以運行點將沿着對應電抗器全導通(α=90°)的特性曲線向上移動，此時補償器運行在過負荷範圍，超過此範圍後，觸發控制將設置～個電流極限以防止晶閘管閥因過電壓而損壞。在特性曲線的左側，如果節點電壓過分降低，補償器就會達到發出極限，運行點將會落在欠電壓特性上 ^[1]  。

一個6脈波的三相TCR由3個單相的TCR按三角形聯結連接而成。如果三相電壓是平衡的，3個電抗器是相的，而且所有晶閘管是對稱觸發的，即每相的觸發角相同，那麼在正半波和負半波中就會出現對稱的電流脈衝，因而只產生奇次諧波。

實際上，實際中的三相電抗器的參數不可能完全相同。三相供電電壓也不一定完全平衡。這種不平衡就會導致非特徵諧波的產生，包括3倍數次諧波，擴散到線路中。正常情況下，非特徵諧波的數值是非常小的。但在嚴重擾動的情況下，正負半波的觸發角可能不同，這就會導致直流分量的產生，並足以引起耦合變壓器的飽和，從而產生更大的諧波擴散。除了諧波，一個小的基頻電流分量(0．5%～2%)也在TCR中流動，這體現了TCR繞組中的電阻損耗。

TCR在正常運行時會產生大量的特徵諧波注入電網，因此必須採取措施將這些諧波消除或減弱。通常的辦法是並聯濾波器，並聯濾波器要麼是串聯Lc結構，要麼是串聯LCR結構。這些濾波器被調諧到5次和7次的主導諧波頻率，有時，也使用11次和13次濾波器或者只使用一個高通濾波器。如果預想TCR按相控制，或者網絡諧振的條件要求TCR要按相控制，那麼就需要安裝3次諧波濾波器，並且與TCR相併聯。

減小TCR向系統注入特徵諧波的另一種方法是將主TCR分割成n(n≥2)個並聯聯接的TCR，每個分段TCR的容量為整個TCR的]/n。在這r1個分段TCR中，只有一個分段TCR的觸發角是受控的，其他的分段TCR要麼是全導通，要麼是全關斷，以吸收制定量的無功功率。由於每個分段TCR的電感增加了rl倍，因此受控TCR的容量就減小了n倍，受控TCR產生的諧波相對於額定基波電流也減小了n倍。採用上述結構實現諧波減小的同時，也會伴隨成本的增加，因為這霈要更多數目的晶閘管。這樣，如果TCR的分段很多，那麼分段TCR比不分段的TCR會貴很多。

如同在直流輸電系統中一樣，當採用12脈波TCR時諧波可以大大減小。在這種結構中，2個6脈波TCR通過相位相差30°的2組三相電壓供電。12脈波TCR要麼需要特製的3繞組變壓器，這種變壓器具有2個二次繞組；要麼需要2個一次側聯結相同的電力變壓器。在這兩種情況下，變壓器的二次側一個是星形聯結，另一個是三角形聯結。

將其分成兩個6脈波TCR來進行分析。以一次測A相基波線電流為參考向量，表示了一個星一星聯結變壓器的TCR在其一次側產生的基波、5次和7次線電流的向量圖。同樣的，我們也可以得到星形一三角形聯結變壓器的TCR在其一次側產生的基波、5次和7次線電流的向量圖。由於都是取一次側A相基波線電流向量為參考向量，對兩組向量圖進行直接比較可以發現：兩組6脈波TCR在變壓器的一次側產生同相位的基波電流，加之在變壓器設計時己使兩組變壓器閥側電流與一次側線電流都相同，故一次側產生的基波電流幅值也是相等的。而對於5次和7次諧波電流，以及更高次16(2n+1)±1，n=0，1，2，…的諧波電流來説，兩組6脈波TCR在變壓器的一次側產生的諧波電流幅值相等，但相位剛好相反，二者相互抵消。所以在一次側的線電流裏將僅含12n±1(13為整數)次諧波，也使得對諧波濾波器的要求大大減輕。

12脈波TCR中諧波含量的大量減少，大大減輕了對濾波器的要求。因而不需要像6脈波TCR那樣採用5次和7次單獨調諧的濾波器，而只要採用高通濾波器就足夠了。同樣的，諧波的減少伴隨着成本的增加，以為需要增加晶閘管的數量，特製的雙二次繞組變壓器和複雜的觸發次序都增加了成本。12脈波TCR的另外一個優點是增加了可靠性。如果其中的一個6脈波TCR單元故障，另一個TCR單元可以繼續運行，儘管只有一半無功容量。而且12脈波TCR比6脈波TCR具有更高的過載能力。

脈波數大於12的TCR並沒有投入實際使用，儘管這可以大大減小諧波。因為大於12脈波的TCR變得太複雜和太昂貴，比如對應18脈波的TCR就需要一個具有3個二次繞組的變壓器。此外，為保證對稱觸發所要求的觸發控制精度也難以達到 ^[3]  。