0 引言
电力系统中，电能质量是评价电力系统运行性能优劣的重要指标，而电压又是衡量电能质量的一个重要指标，因此，电压的稳定性对电力系统运行性能来说显得尤为重要。无功功率补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大课题。据科学统计，如果全国都通过优化配置计算来安装无功补偿装置，在总投资不变的条件下，估计每年可以节省电量大约3亿千瓦时。可见，无功补偿装置的引入，能极大程度的提高电力系统的安全、优质运行。表1对各种无功补偿装置进行简要对比，鉴于晶闸管投切电容器的实际运行效果，其发展前景依然广阔，本文旨在分析电容器组的投切方式和控制机理。
表1 各种无功功率动态补偿装置简要对比表
1 跟踪投切电容器组的几种方式
工程运用中，可根据电网的无功需求投切电容器，在决定哪组电容的投入或切除的逻辑功能中，选择不同投切方式，其效果也不尽相同。
1.1 采用机械方式投切电容器（MSC）
早期通常采用机械断路器实现电容器的分组投切，这就是所谓的机械投切电容器（MSC）。工程运用中，老式的机械投切有诸多困难（见表2），已经逐渐退出历史舞台。
表2 新式、老式无功功率补偿设备比较
1.2 采用晶闸管反并联方式投切电容器（TSC）
TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿装置。和机械断路器相比，晶闸管具有很强的操作寿命，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，以减少投切时的冲击电流和操作困难，单相机构及其控制系统原理见图1。
TSC的控制系统能够检测系统的有关变量，并比较检测量和给定（参考）输入量的大小，产生触发脉冲信号，实现无功自动补偿。控制系统包括以下三部分电路：
①检测电路：检测控制所需要的系统变量和补偿器变量。
②控制电路：为获得所需要的稳态和动态特性对检测信号和给定（参考）输入量进行处理。
③触发电路：根据控制电路输出的控制信号产生相应触发晶闸管的脉冲序列。
由于电容器两端电压不能突变，系统电压和电容残压差值较大时触发SCR会产生很大冲击电流，其最大值达到正常工作电流的几十倍，SCR难以承受这样的大电流，可能直接烧毁器件。通常通过①增大串联电抗器；②改善控制系统解决此类问题。从经济角度看，第一种方法容易造成经济浪费，显然不合适。本文主要是从控制角度加以分析，引入SCR电压过零即触发的策略（见图2）。
控制原理：图2中，SCR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的残压相等时晶闸管上的电压为零，这时光电耦合器上输出一个负脉冲。此脉冲宽度大约150us，脉冲反向后与TSC投入指令相与后启动多谐振荡器输出脉冲串，然后经过功率放大和隔离电路去触发相应的晶闸管。晶闸管一经触发就保持导通，相应的电容器便投入运行。
应当注意，在TSC控制系统中引入一定的滞环非线性环节（如图3所示）是必要的，这可以避免在切换点处电容器组在短时间内来回地投入与切除。当补偿器以稳定电压为目标时，在控制系统中引入滞环非线性环节可使得TSC的电容器在系统电压低于或高于某一阀值时投入或切除，而不是在相等的阀值下投入或切除，以防止在切换电压附近振荡不定。
下面介绍一组单片机控制的触发电路：
制器主要有单片机、键盘接口电路、液晶显示接口电路、数据存储器、同步电压检测电路，电压电流和频率检测电流，还有触发电路等部分组成。采用80C196KB单片机作为系统的控制核心，6264ROM存在系统的数据和程序，8279作为键盘显示接口电路，连接了6位液晶显示和7只按键，实现人机对话。在单片机HSO.5发出相应的触发脉冲信号，实现无功自动补偿。控制器硬件的原理见图4。
1.3 采用晶闸管和二极管反并联方式投切电容器
采用晶闸管和二极管反并联方式对电容器进行投切，代替两个晶闸管的并联情况，使导通前电容充电电压维持在电源电压的峰值。一旦电容电压比电源电压峰值有所降低，二极管都会将其充电至峰值电压，因此，不会发生电容器充电电压下降的现象，但是二极管是不控的，当要切除此电容支路时，响应时间稍慢。优点：成本降低；缺点：响应速度比两个晶闸管反并联方式稍慢。
[page]1.4 采用智能投切开关方式投切电容器
在低压无功补偿装置的投切开关方面，采用接触器投切电容器所引起的涌流及故障较高，而无触点开关投切电容器又会引起谐波，并且无触点投切电容器散热比较困难，可控硅的功率损耗大。而电容器智能投切开关具有接触器导通内阻小，不发热及可控硅零电压投入、零电流切除的优点，具有比较好的投切效果。
KH-ZK电容器智能投切开关是目前市场比较理想的产品：（1）功耗接近于零，不足交流接触器和无触点开关的百分之一；（2）彻底消除了合闸涌流。交流接触器在电容投入时会产生几倍甚至几十倍的合闸涌流，晶闸管也会产生1.5倍的合闸涌流，而在电网存在谐波的场合，晶闸管的合闸涌流甚至会超过接触器极限值。
主要特点：
（1）内含微处理器，智能控制电容器投切。
（2）以可控硅通断电容器组，无电弧、无涌流、响应快。
（3）导通内阻为零，不产生谐波。
（4）不产生合闸涌流，不需要选用限流电抗器，降低了成套装置的成本。
（5）不发热，可安装于封闭式箱体内。
（6）微功耗，真正的节电开关。
（7）结构简单，安装方便。
（8）故障率低，使用寿命长于可控硅及接触器。
（9）温度范围宽。
（10）控制方式可为5--12VDC电平控制或485通讯控制。
（11）既可控制三相“△”形接法的电容器，又可控制三组单相电容器。
控制方式（见图5）：
a)电平控制方式：
电平控制方式：A、B、C端子接不同的控制信号
三相控制方式：A、B、C端子接同一个控制信号
b)通讯控制方式（选配）：控制信号从485+，485-引入；每只电容器智能投切开关应设成不同的地址，以控制投切对应的电容器组。
图5 智能开关控制框图
2 TSC的实例分析
G(X)D1型、G(X)JF1型、G（X）JK1型（接触器式）电容器跟踪投切柜（箱）是国内市场常用的无功补偿装置。本文主要分析一下G(X)D1型电容器跟踪投切柜（箱），它是一种动态无功补偿装置，是集微机－电子－机电－体化的高科技节能产品，能够改善电网质量，自动跟踪负载无功电流开关，对多级电容器组进行快速而频繁的投切，使受电功率因数始终保持在最佳状态。并克服了老式无功柜在投切方式、控制信号、响应时间等方面的缺点，具有完备的保护措施和停电自复功能。见图6。
2.1 技术特点
①使用二相晶闸管阀控制三相Δ接法的电力电容器。
②使用过零触发模块，在控制器发出允许触发的命令后，该模块能自动捕捉电流过零时刻，触发晶闸管投入电容器，触发可靠性大大提高。
③投切过程中无涌流，无操作过电压、无电弧重燃，动态响应快，可达6.7-20ms。电容器切除后无需放电可再次投入，可频繁投切；用户要求多次补偿可一次到位，可实现分相补偿，可滤除高次谐波。
④保护措施齐全：有短路、过载、欠压、缺相等保护；可以手动投切控制器；各项参数设定方便；在外部有故障时自动退出运行，送电后自动恢复运行。
⑤无触点交流开关使用寿命长，从而使整机长时间免维护。
2.2 使用效益
①提高受电功率因数，达0.95以上，不返送无功。
②最大限度降低线损，使配电变压器有效输出容量增加。
③优化用电质量，即提高电压合格率，减少电压波动，抑制电压闪变，提高电网运行的安全可靠性。
④在三相不平衡处，可相补偿无功功率，以改善不平衡性。
⑤在冲击性和波动性负荷处，可减少电压波动及抑制电压闪变，提高电压的稳定性。
⑥节约电费、增容费及低功率因数罚款的开支，提高配电设备容量的利用率20%以上。
[page]2.3 主要技术指标
额定电压：380V（三相或二相），220V（单相）。
频 率：50-60Hz 。
控制信号：无功功率或无功电流。
取样电流：n/5A 。
2.4 三种控制器的基本功能
2.4.1 VQCL-D12/J12型无功补偿控制器
其采用了先进的控制理论和策略及独特的安装操作方式，克服了以往用户提出的控制器功率因数测量精度范围小和控制器误操作等缺陷，保证以少数的动作次数，取得最佳的补偿效果，特别使用于技术要求较高、需无人值守、负荷变化剧烈及供电环境较恶劣的场所。
主要功能：
1.输入、输出功能：
输入：取一相电流和另外两相电压
输出：12路信号输出，最多可控制12组电容器投切。
2.无功补偿功能：
能按无功补偿大小自动控制1-12路电容器进行循环投切。
3.温度测量功能：
能测量并显示控制器或开关所处的环境温度。
4.保护及报警功能：
A、过压保护 B、欠压保护 C、谐波保护 D、报警保护
5.键盘操作及液晶显示功能：
键盘操作方便快捷，液晶显示清晰。
6.断电记忆功能及来电自动运行功能。
7.自动运行、手动运行及检测功能。
适用场合：
1.可作为有触点或无触点低压无功补偿装置的控制器。
2.可作为配电变压器的测量仪表。
3.谐波严重的场所。
4.供电台区补偿及箱式变电站。
2.4.2 JKLD5型智能无功动态补偿控制器
JKLD5型智能无功补偿控制器结构紧凑、运行可靠、操作简便、价位合理，技术参数见表3。
2.4.3 KH-9918系列电力综合测控仪
KH-9918系列电力综合测控仪是一种集配电变压器电气参数测量、记录、仪表、无功补偿、通讯和RTU(三遥)功能于一体的多功能综合装置。该装置既能单独完成电力参数的测量与无功补偿控制任务，又能作为一个多功能的RTU工作于一个大型网络内，是监测变压器运行参数和城、农网改造控制单元的产品。
主要功能：
1.RS-232C/RS-485通信接口，具有通信和多机联网功能。
2.配以监控系统软件，可对现场采集的各项数据进行分析。
3.能按无功功率大小自动控制电容器组进行循环投切，杜绝投切振荡。
4.现场数据记录：事件记录、极值记录、统计记录、可编程的数据采集记录等，所有数据存储可达70天。
5.适用于不同的电压等级和不同的PT、CT接线的多种类型的输电线路。
适用场合：
可广泛应用于城市农村配电网改造，公矿企业、民用电力系统的配电装置及各类变电站的控制单元。
3 结束语
随着电力电子技术的发展和电力电子器件的不断研制创新，无功功率补偿也处于不断发展之中，目前，国内外的研制成果发展迅速，出现了许多种类的SVC、SVG补偿装置。受各种条件的限制，每种装备都有其运行环境，为满足工程需要，通常配合使用TSC与TCR，以改善其运行条件，利用TSC电容器组与TCR触发延迟角的调节相互配合，使得补偿器的电压－电流特性保持连续，在控制系统的改善方面，仍有较大的发展空间。
参考文献
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〔11〕G(X)D1型电容器跟踪投切柜（箱）使用说明书，牡丹江科海电气设备有限公司提供.
〔12〕KH-ZK电容器智能投切开关使用说明书，牡丹江科海电气设备有限公司提供.
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