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摘要：为提高现有矿用SVC补偿系统的实时性和稳定性，在分析TCR+TSC型SVC工作原理基础之上，改进了矿用TCR+TSC型无功补偿系统的控制策略，并设计了矿用TCR和TSC仿真电路。最后在Matlab中的Simulink下搭建仿真电路，仿真TCR+TSC型无功补偿系统在煤矿配电系统中的应用。仿真结果表明基于改进控制策略的矿用SVC补偿系统可以很好地实现对三相不平衡负荷的无功补偿。
关键词：矿用SVC；控制策略；仿真；煤矿配电
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-380-02
0 引言
随着电力工业的快速发展，提高电力系统的稳定性、安全性，以及全面改善电网电能质量显得尤为重要。而煤矿属于电力系统中的重要负荷。因此，为保证煤矿用电的可靠性、安全性，各种新型的自动、 快速无功补偿装置相继应用到煤矿电力系统中。其中，静止无功补偿器（SVC）在煤矿中得到了广泛应用。
TCR（thyristor controlled reactor）是SVC中最重要的组成部件之一，晶闸管控制电抗器（TCR）是一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管的导通时间，它的有效电抗可以连续变化，从而可以达到需要的补偿效果。
晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor， TSC）是TCR的一種特例，它没有使用变触发角控制，而只工作在两种状态：全导通或全关断，此时电抗器中的稳态电流为纯正弦。TSR能够保证为系统提供非常快速的额定感性无功功率。当需要一个大容量的可控无功功率时，可以将该功率的一部分由容量较小的TSR来承担，剩余部分可由TCR来提供，这种设计与单纯利用TCR或TSC补偿相比，装置的损耗和谐波含量都有较大幅度的减少。
为扩大无功调节范围，使无功控制范围从容性无功变化到感性无功，可将TSC和TCR联合使用。它具有谐波含量低，响应速度快，可快速改变发出的无功等特点。
1 SVC的系统结构和工作原理
本文SVC是由一个TCR装置和多个TSC型装置组成，在系统中，TSC作分级粗调，补偿容性无功；TCR做相控细调，补偿感性无功；二者协调控制，可进行平滑连续的无功调节。SVC主回路模型如下：
图1 TCR+TSC型SVC主回路模型
TCR+TSC型SVC是由TCR、TSC及控制电路组成。TCR一般接为三角形连接，可以保证在对称情况下，TCR可以抵消其发出的三次谐波。通过控制与电抗器串联的两个反相晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。由电力电子的知识我们知道，在交流调压器电路接电感性负载时，电路的有效移相范围为： 。当触发角 时，晶闸管全导通，导通角 时，此时电抗器吸收的无功电流最大。晶闸管控制电抗器（TCR）基本原理如图2所示。
图2 简单的可控硅控制电抗器
因此，我们可以通过控制电抗器L上串联的两只反并联晶闸管的触发角 来控制电抗器吸收的无功功率的值，从而达到动态无功补偿的目的。
TSC是利用晶闸管来投切电容器的，它是在电压过零点时刻自动导通，在电流过零点时刻自动关断的，可以避免拉弧现象，其基本原理如图3所示。
图3 TSC单相结构图及其电压-电流特性
其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器接入电网或从电网断开的作用，而串联的电感主要用来抑制电容器投入电网时可能造成的浪涌电流。当电容器投入时，TSC的电压—电流特性就是该电容的伏安特性，如上图所示。在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。当TSC用于三相电路时，可以是 连接，也可以是 连接。
2 控制策略
显然，一个单独的可连续调节的TCR装置，其几波导纳为：
（1）
式中： ；L为电抗器的电感； 为晶闸管触发角；当 在
之间连续变化时， 在 和0之间连续变化。对于一个TCR和多个TSC（三个）型装置组成的SVC系统。如图1所示，TSC并联后的总导纳为：
（2）
由此可求出TCR-TSC型SVC的总导纳为：
（3）
式中： 为变压器的导纳。
从（3）式中，我们可以看出通过改变晶闸管导通角 的大小可以控制系统的总导纳，改变电纳值就可以改变基波电流，从而导致电抗器吸收无功功率的变化。
图4 TSC理想投入时刻说明图
对于TSC投入时刻的选择，一般来讲，希望电容器预充电电压为电源电压 的峰值。如果在导通前电容器充电电压等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容。
如图4所示，在本次导通开始之前，电容器的端电压 已通过上次导通时段最后导通的晶闸管 充电至电源电压 的峰值，且极性为正。本次导通开始时刻取两者相等的时刻 ，给 以触发脉冲而使之导通，电容电流 开始导通。以后每半个周波发出脉冲轮流给 和 。直到需要切除这个电容支路。在 时刻，停止发出脉冲， 为零，则 关断， 因未获触发而不导通，电容器电压保持为 导通结束时电源电压负峰值。
3 SVC仿真建模
MATLAB中建模仿真功能SIMULINK具有模块化，图形化编程，可视化及封装等特点。所以本文基于此点特性做出了系统仿真模型。
上述仿真模型主要包含三相电源，变压器，SVC控制器，晶闸管控制电抗器（TCR），晶闸管投切电容器（TSR）。SVC中晶闸管导通时刻利用MATLAB自带模块仿真。如下所示。
4 SVC仿真结果
从图中可以看出，电网在0.1s时出现电压
波动，到0.43s电网加入一个投切电容吸收功率，但没有全部吸收，接的再接入第二个，第三个投切电容。在0. 5s至0.7s之间电网出现震荡，这时TCR动作，同时断开投切电容使电网震荡逐渐消失，电压恢复保持在1pu。
5 结束语
当系统发生暂态过程、电压偏低时，TSC投入，发出容性无功，提升电压，使系统电压恢复。但一次投入的TSC的容性无功，其多余的无功存在于SVC，这时可以用TCR来抵消多余的容性无功，最终使电压保持接近于1pu。由此，SVC装置可以在不同的系统条件下提高矿用用电设备的功率因数，稳定电网电压，改善电力系统的输配电性能。在煤矿电力系统中得到广泛的应用。
参考文献：
[1] 胡明，杜艳，干玲. SVG在徐矿集团6kV供电系统谐波治理中的应用[J].煤矿机械，2011，32（10）：237 - 238.
[2] 朱丹，周孟然，李俊，孙超.面相三相不平衡负荷的无功补偿装置的仿真[J].煤矿机械，2011，32（2）：155 - 156.
[3] 刘玉涛.MSVC无功补偿装置在煤矿高压供电中的应用研究[J].煤矿机械，2009，30（9）：216 - 217.
[4] 严晓江，胡步洁.固体继电器的原理及应用[J ] .电气时代，2004
[5] 刘洪涛，徐政，周长春.静止无功补偿器对发电机组次同步振荡特性的影响[J].电网技术，2003
[6] 吴天明，赵新力，刘建存.MATLAB电力系统设计与分析[M].国防工业出版社，2007
[7] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M] .北京：中国电力出版社，2006
作者简介：程磊（1983-），男，安徽淮南人，安徽理工大学电气工程及自动化学院毕业，现在淮南矿业集团张集煤矿工作
关键词：矿用SVC；控制策略；仿真；煤矿配电
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-380-02
0 引言
随着电力工业的快速发展，提高电力系统的稳定性、安全性，以及全面改善电网电能质量显得尤为重要。而煤矿属于电力系统中的重要负荷。因此，为保证煤矿用电的可靠性、安全性，各种新型的自动、 快速无功补偿装置相继应用到煤矿电力系统中。其中，静止无功补偿器（SVC）在煤矿中得到了广泛应用。
TCR（thyristor controlled reactor）是SVC中最重要的组成部件之一，晶闸管控制电抗器（TCR）是一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管的导通时间，它的有效电抗可以连续变化，从而可以达到需要的补偿效果。
晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor， TSC）是TCR的一種特例，它没有使用变触发角控制，而只工作在两种状态：全导通或全关断，此时电抗器中的稳态电流为纯正弦。TSR能够保证为系统提供非常快速的额定感性无功功率。当需要一个大容量的可控无功功率时，可以将该功率的一部分由容量较小的TSR来承担，剩余部分可由TCR来提供，这种设计与单纯利用TCR或TSC补偿相比，装置的损耗和谐波含量都有较大幅度的减少。
为扩大无功调节范围，使无功控制范围从容性无功变化到感性无功，可将TSC和TCR联合使用。它具有谐波含量低，响应速度快，可快速改变发出的无功等特点。
1 SVC的系统结构和工作原理
本文SVC是由一个TCR装置和多个TSC型装置组成，在系统中，TSC作分级粗调，补偿容性无功；TCR做相控细调，补偿感性无功；二者协调控制，可进行平滑连续的无功调节。SVC主回路模型如下：
图1 TCR+TSC型SVC主回路模型
TCR+TSC型SVC是由TCR、TSC及控制电路组成。TCR一般接为三角形连接，可以保证在对称情况下，TCR可以抵消其发出的三次谐波。通过控制与电抗器串联的两个反相晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。由电力电子的知识我们知道，在交流调压器电路接电感性负载时，电路的有效移相范围为： 。当触发角 时，晶闸管全导通，导通角 时，此时电抗器吸收的无功电流最大。晶闸管控制电抗器（TCR）基本原理如图2所示。
图2 简单的可控硅控制电抗器
因此，我们可以通过控制电抗器L上串联的两只反并联晶闸管的触发角 来控制电抗器吸收的无功功率的值，从而达到动态无功补偿的目的。
TSC是利用晶闸管来投切电容器的，它是在电压过零点时刻自动导通，在电流过零点时刻自动关断的，可以避免拉弧现象，其基本原理如图3所示。
图3 TSC单相结构图及其电压-电流特性
其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器接入电网或从电网断开的作用，而串联的电感主要用来抑制电容器投入电网时可能造成的浪涌电流。当电容器投入时，TSC的电压—电流特性就是该电容的伏安特性，如上图所示。在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。当TSC用于三相电路时，可以是 连接，也可以是 连接。
2 控制策略
显然，一个单独的可连续调节的TCR装置，其几波导纳为：
（1）
式中： ；L为电抗器的电感； 为晶闸管触发角；当 在
之间连续变化时， 在 和0之间连续变化。对于一个TCR和多个TSC（三个）型装置组成的SVC系统。如图1所示，TSC并联后的总导纳为：
（2）
由此可求出TCR-TSC型SVC的总导纳为：
（3）
式中： 为变压器的导纳。
从（3）式中，我们可以看出通过改变晶闸管导通角 的大小可以控制系统的总导纳，改变电纳值就可以改变基波电流，从而导致电抗器吸收无功功率的变化。
图4 TSC理想投入时刻说明图
对于TSC投入时刻的选择，一般来讲，希望电容器预充电电压为电源电压 的峰值。如果在导通前电容器充电电压等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容。
如图4所示，在本次导通开始之前，电容器的端电压 已通过上次导通时段最后导通的晶闸管 充电至电源电压 的峰值，且极性为正。本次导通开始时刻取两者相等的时刻 ，给 以触发脉冲而使之导通，电容电流 开始导通。以后每半个周波发出脉冲轮流给 和 。直到需要切除这个电容支路。在 时刻，停止发出脉冲， 为零，则 关断， 因未获触发而不导通，电容器电压保持为 导通结束时电源电压负峰值。
3 SVC仿真建模
MATLAB中建模仿真功能SIMULINK具有模块化，图形化编程，可视化及封装等特点。所以本文基于此点特性做出了系统仿真模型。
上述仿真模型主要包含三相电源，变压器，SVC控制器，晶闸管控制电抗器（TCR），晶闸管投切电容器（TSR）。SVC中晶闸管导通时刻利用MATLAB自带模块仿真。如下所示。
4 SVC仿真结果
从图中可以看出，电网在0.1s时出现电压
波动，到0.43s电网加入一个投切电容吸收功率，但没有全部吸收，接的再接入第二个，第三个投切电容。在0. 5s至0.7s之间电网出现震荡，这时TCR动作，同时断开投切电容使电网震荡逐渐消失，电压恢复保持在1pu。
5 结束语
当系统发生暂态过程、电压偏低时，TSC投入，发出容性无功，提升电压，使系统电压恢复。但一次投入的TSC的容性无功，其多余的无功存在于SVC，这时可以用TCR来抵消多余的容性无功，最终使电压保持接近于1pu。由此，SVC装置可以在不同的系统条件下提高矿用用电设备的功率因数，稳定电网电压，改善电力系统的输配电性能。在煤矿电力系统中得到广泛的应用。
参考文献：
[1] 胡明，杜艳，干玲. SVG在徐矿集团6kV供电系统谐波治理中的应用[J].煤矿机械，2011，32（10）：237 - 238.
[2] 朱丹，周孟然，李俊，孙超.面相三相不平衡负荷的无功补偿装置的仿真[J].煤矿机械，2011，32（2）：155 - 156.
[3] 刘玉涛.MSVC无功补偿装置在煤矿高压供电中的应用研究[J].煤矿机械，2009，30（9）：216 - 217.
[4] 严晓江，胡步洁.固体继电器的原理及应用[J ] .电气时代，2004
[5] 刘洪涛，徐政，周长春.静止无功补偿器对发电机组次同步振荡特性的影响[J].电网技术，2003
[6] 吴天明，赵新力，刘建存.MATLAB电力系统设计与分析[M].国防工业出版社，2007
[7] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M] .北京：中国电力出版社，2006
作者简介：程磊（1983-），男，安徽淮南人，安徽理工大学电气工程及自动化学院毕业，现在淮南矿业集团张集煤矿工作