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基于高频斩控原理的可控电抗器 顾和荣 赵清林 张纯江 （燕山大学 电气工程学院，秦皇岛 066004） 摘 要：介绍一种基于高频斩控原理的可控电抗器，可用于电力系统无功补偿系统。它的优点是阻抗值可平滑变化，且不产生低次谐波。文中给出了理论分析和PSPICE仿真实验结果。 关键词：高频斩控 电抗器 无功补偿 谐波 1 引 言 静止无功补偿装置（SVC）在输配电系统中应用十分广泛，常见SVC有：晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管控制电抗器（TCR）以及混合补偿器（TCR+TSC）等。TCR的补偿原理是，通过控制晶闸管触发角，改变接入系统中的等效电纳，从而调节系统无功功率输出的目的。 本文提出一种新颖的用于无功功率补偿的可控电抗器，采用PWM高频斩波控制原理实现电抗器等效电纳的快速、平滑调节，斩控频率远远高于供电电压频率，克服了传统相控TCR控制响应滞后且产生大量谐波的缺点。 2 高频斩控电抗器原理 图2所示为基于高频斩控原理的可控电抗器拓扑，由4只全控型器件GTO（VT1～VT4）和固定电抗器L组成。在电流iL的正半周，VT1和VT2高频交替工作： VT1导通且电源电压uS为正半周时，iL积分增长；VT1导通但uS为负半周时，iL积分减小；VT1关断时使VT2导通，iL
经VT2续流。在iL的负半周，VT3和VT4高频交替工作，其工作原理与VT1、VT2相同。图3为四只GTO开关控制波形。 显然，可控电抗支路等效电纳的大小取决于电抗器L值和GTO开关工作占空比α的大小，调节改变α即可平滑调节等效电纳；而斩控频率高低将影响补偿器动态性能，如响应速度、谐波含量等。电抗器L值应根据所需要补偿无功功率的容量来确定。 3 用于无功补偿设计实例 采用前述可控电抗器设计的单相TCR+TSC静止无功功率补偿器，如图4所示。以稳定输出电压为目标的补偿器系统采用电压闭环PWM控制模式，控制电路主要由测量比较、PI调节器、
PWM脉冲形成、GTO驱动电路等环节组成。互感器从电源母线取得信号后经全波整流获得与母线电压大小成正比关系的直流信号，该直流信号与参考信号一起作为PI调节器输入，PI调节器输出即为PWM调制信号，PWM发生电路输出经驱动电路隔离、放大后驱动GTO（VT1～VT4）。补偿器系统能跟踪电网电压大小的变化、达到自动稳定输出电压目的。
补偿器产生的无功电流iL、电源电流iS及其波谱仿真图如图5、图6、图7所示，仿真时斩控频率 4 结 论 文中介绍的采用基于PWM高频斩控原理的可控电抗器，可用于设计高性能的静止无功功率补偿装置，且具有以下特点： ⑴ 拓扑新颖、简单，有效解决了PWM高频斩控工作条件下电抗器续流问题。 ⑵ 控制简便。实际控制中，VT1、VT3 和VT2、VT4可以分别共用一路控制信号。 ⑶ 可以实现无功功率输出的连续平滑调节。 ⑷ 控制实时性强，响应速度快。而TCR相控时滞后达半个电源周期。 ⑸ 斩控频率远远高于电源基波频率，克服了相控TCR在供电电压频率下工作产生大量谐波的缺点，显著改善补偿器谐波性能。 参考文献： [1] 王兆安,杨君,刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿. 机械工业出版社 1998 [2] 翟铁久. 晶闸管相控电抗器无功功率补偿装置方案介绍. 电气化铁道, 2000(3): [3] 彭辉,陈兴,刘会金. 晶闸管相控电抗器的谐波分析及数值仿真. 湖北电力, 2001(2) [4] 赵广,陈建业,逯帅. 基于DSP的静止无功补偿装置控制器设计. 电力电子技术, 2002(3): 1~4 作者简介： 顾和荣（1964） 男，江苏人，硕士，副教授。研究方向为电力电子、无功功率控制及补偿。 | ||||||||||||||||||||||||||
TCR无功补偿存在两个问题：一方面，由于晶闸管的半控特性，即一旦被触发导通，只能待流过它的电流小于维持电流后才关断，因此在每半个电源周期内，反并联晶闸管对只能受控导通一次，也就是说，TCR不可避免地存在原理上的控制滞后，制约着补偿系统的动态响应性能。另一方面，从图1所示电抗器工作波形上看，补偿器控制仍属于相控范畴，电流波形畸变严重（尤其在大触发控制角情况下），给电网带来较大的谐波污染。[1，2，3]
为2KHz。可以看出，补偿器产生的电流中不含低次谐波，所含谐波角频率为 
（ 
为电源基波角频率）。图8为突变无功负载时负载端电源电压输出响应仿真结果，说明系统在较大无功负载扰动下能具有较好的电压稳定性。