丁大為，周乾

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東青州 262500)

晶閘管投切電容器并聯(lián)補償方法的研究

丁大為，周乾

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東青州 262500)

主要介紹了晶閘管投切電容器的基本情況，闡述了主電路的接線方式、控制目標(biāo)的選取以及脈沖的觸發(fā)。為了分析晶閘管投切電容器的控制效果，利用MATLAB的Simulink工具箱對晶閘管投切電容器完成了建模和仿真分析。

晶閘管投切電容器;Simulink;無功補償

當(dāng)今社會用電量越來越高，由于很多設(shè)備采用大量的電感性元件，無功功率的量也不斷加大，電網(wǎng)的負(fù)荷不斷增加。而無功功率增加了電網(wǎng)傳輸中線路的損耗，降低電網(wǎng)的輸出端口電壓，大大降低了電網(wǎng)電能的利用率，影響了供電的質(zhì)量。因此，無功功率補償在電力系統(tǒng)中的地位顯得越來越重要。

一、晶閘管投切電容器概況

晶閘管投切電容器(以下簡稱TSC)是一種動態(tài)、分級、可實現(xiàn)自動控制的無功功率補償裝置，主要用于電網(wǎng)中對無功功率進(jìn)行補償。在TSC使用之前電網(wǎng)中大部分使用機械式投切裝置，與機械式投切裝置相比，TSC主要通過控制信號控制晶閘管進(jìn)行關(guān)閉和開啟，不需要像機械式投切裝置一樣采用機械開關(guān)進(jìn)行投切，使用壽命大大提高。而且在投切過程中通過控制器可以完全實現(xiàn)自動控制，做到投切過程準(zhǔn)確、安全，避免了機械式投切過程中由于觸頭的開關(guān)接觸所引起的沖擊電流以及電弧，有效地提高投切速度。隨著電力電子器件的發(fā)展，TSC在該領(lǐng)域的作用也越來越重要，晶閘管投切電容器作為一種自動調(diào)節(jié)無功功率的手段，使電網(wǎng)隨時保持高的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功功率的動態(tài)補償，減少投切過程中產(chǎn)生的電壓波動，節(jié)約電能，使母線電壓維持在理想水平。

二、晶閘管投切電容器基本原理

TSC的基本原理如圖1所示，其中圖1(a)為晶閘管連接電路，通過把兩個晶閘管反并聯(lián)起來作為補償電容的開關(guān)，通過控制信號控制兩個晶閘管的開合，達(dá)到將電容并入和切除電網(wǎng)的目的。為了降低投切過程中產(chǎn)生的電流沖擊，在晶閘管電路中傳入一個電感，由于電感有抑制電流突變的能力，有效地抑制電容器投切過程中產(chǎn)生的沖擊電流。在實際的電網(wǎng)中，也要避免在投切過程中一次性地并入大容量的電容器，對電網(wǎng)造成很大的瞬時沖擊。在操作過程中一般把容量大的電容器用多個容量小的電容器代替分為幾組，如圖1(b)所示。這樣就可以根據(jù)電網(wǎng)需要補償無功率的多少，投入相應(yīng)的電容器個數(shù)。電容器的分組可以有各種方法，從動態(tài)特性考慮，能組合產(chǎn)生的電容量大小越多越好，可以采用類似二進(jìn)制計數(shù)的方式，提高電容大小的級數(shù)，只要電容的分配足夠細(xì)致，就能組合出想要的各種電容量。雖然TSC也是一種分級的調(diào)節(jié)方法，但是只要電容的分配足夠細(xì)致就可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。

三、TSC控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真

電力仿真軟件Simulink的電力系統(tǒng)仿真能力比較強，可以對電子電路、電力系統(tǒng)以及電網(wǎng)傳輸過程仿真。由于我們是以穩(wěn)定母線電壓為目的，因此控制目標(biāo)選取電平觸發(fā)。根據(jù)電網(wǎng)電壓損耗理論，計算出電壓在傳輸過程中的損耗，應(yīng)用到用戶端就可以設(shè)計出理想的TSC控制原理圖，如圖2所示?？刂圃頌?對用戶端電壓進(jìn)行檢測并與給定值比較后得到，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器對偏差電壓快速精確地控制，經(jīng)時間延遲計算模塊計算觸發(fā)脈沖的時間延遲，進(jìn)而形成觸發(fā)脈沖，由時間延遲形成的觸發(fā)脈沖，加到晶閘管并控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)對TSC無功功率補償?shù)目焖倬_控制。

圖1 TSC基本原理圖

圖2 TSC 控制原理框圖

為了驗證該TSC控制原理框圖的可行性，我們做了單相情況下10KV電力系統(tǒng)的仿真模型。假設(shè)10KV配電系統(tǒng)給某工廠供電，在0.3s之前該工廠的投入運行的總負(fù)荷為P= 100000(W)+j100000(var)，在0.3s時該工廠又突然投入運行沖擊型負(fù)載load2，負(fù)荷為S=P+jQ=100000(W)+ j100000(var)。該工廠出現(xiàn)的無功功率缺額都采用10KV母線集中補償方式，0.3s之前的無功缺額采用固定電容器集中補償。為了分析0.3s時突然投入運行負(fù)載load2，TSC能否在較短的時間內(nèi)補償load2投入所產(chǎn)生的無功缺額，從而維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。與此同時，也將功率因數(shù)COS?提高到接近1。

圖3 單相加入補償電路時的仿真模型

如圖3所示，為單相加入補償電路時的仿真模型，核心為TSC補償器，它能在0.3s快速地將電容器接入電網(wǎng)，補償系統(tǒng)所需的無功功率。通過多次仿真觀察，當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Kp=1，Ki=30時，仿真波形較好，此時Cab=4×10-6(F)。圖4為補償后系統(tǒng)電壓瞬時值的波形。圖5為補償后系統(tǒng)電壓有效值的波形。

由仿真結(jié)果可以觀察到系統(tǒng)電壓在0.3s投入負(fù)載Load2后，電力系統(tǒng)電壓在TSC控制電路的作用下，將電容接到電網(wǎng)中，增加容性無功功率，補償系統(tǒng)中的感性無功功率，在很短的時間內(nèi)使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在10KV，從而快速地保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖4 補償時電壓瞬時值的波形

圖5 補償時電壓有效值的波形

［1］何一浩.TSC動態(tài)無功補償技術(shù)述評［J］.中國電力，2004，(10).

［2］谷永剛.晶閘管投切電容器(TSC)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電力電子技術(shù)，2003，(2).

［3］劉海峰.靜止無功補償器研究［J］.湖州師范學(xué)院學(xué)報，2009，(31).

(責(zé)任編輯:劉學(xué)偉)

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2012-04-12

丁大為(1982-)，男(回族)，山東青州人，濰坊工程職業(yè)學(xué)院教師。