一種單晶閘管投切電容器的控制方法研究與優(yōu)化

朱偉星，朱 濤，李廣一

(上海奉賢燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海 201499)

大多數(shù)電力電容器使用機(jī)械接觸器或斷路器進(jìn)行投切，由于電容器的阻抗特性，電容器在連接到交流電網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的沖擊電流，這通常會(huì)導(dǎo)致接觸器或斷路器的觸點(diǎn)燒壞或粘連。同時(shí)，沖擊電流會(huì)引起瞬時(shí)電壓波動(dòng)和電壓切痕，從而影響其他電氣設(shè)備。當(dāng)電容器從交流電網(wǎng)中切除時(shí)，由于電容電流超前電壓90°，接觸器或斷路器內(nèi)剛熄滅的電弧又承受在同向的電壓下，導(dǎo)致觸點(diǎn)再次被擊穿，從而導(dǎo)致操作過(guò)電壓等問(wèn)題，為了盡量減少投切電容器時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題，人們總是盡量減少操作電容器的次數(shù)，然而隨著對(duì)電能質(zhì)量以及電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求的提高，電容器又不得不頻繁操作，在頻繁投切過(guò)程中會(huì)對(duì)電力電容器造成損壞，大大影響裝置的使用壽命。

為解決這些問(wèn)題，晶閘管投切電容器(TSC)應(yīng)運(yùn)而生，它具有過(guò)零觸發(fā)的特性，沒(méi)有機(jī)械磨損、響應(yīng)速度快，但是現(xiàn)有的晶閘管為了能可靠投切三相電容器以及消除沖擊電流，都必須使用2個(gè)以上的晶閘管，控制不夠方便，也沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用[1-5]。因此，只有通過(guò)一定技術(shù)手段，減少晶閘管的數(shù)量，優(yōu)化控制方法，就能大幅提升TSC的使用率。本文提出一種單晶閘管投切三相電容器的簡(jiǎn)化方案，可有效減少晶閘管的數(shù)量，簡(jiǎn)化控制過(guò)程。

1 現(xiàn)有晶閘管投切電容器存在的問(wèn)題

1.1 基本原理

晶閘管投切電容器是利用晶閘管無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電路迅速導(dǎo)通關(guān)斷。關(guān)鍵技術(shù)是保證消除沖擊電流，相比機(jī)械式接觸器，或斷路器投切的電容器，晶閘管投切的電容器是在電網(wǎng)電源電壓與電容器端壓相等時(shí)投入電容器，以此來(lái)消除沖擊電流，在電流過(guò)零點(diǎn)切除電容器，由于晶閘管不會(huì)產(chǎn)生電弧，因此沒(méi)有電弧重燃過(guò)電壓現(xiàn)象，可大大提高投切過(guò)程的可靠性，并且具備頻繁投切的能力。

1.2 電路結(jié)構(gòu)

晶閘管控制的電容常用投切回路見(jiàn)圖1。

圖1 晶閘管控制的電容器投切回路

有以下幾種方式：圖a是最基本的電容器投切電路，每相電容器都通過(guò)2個(gè)反并聯(lián)的單向晶閘管與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，2個(gè)晶閘管分別控制正半波與負(fù)半波；圖b是一種改進(jìn)電路，由于電容器只能通過(guò)交流電流，將電容器通過(guò)二極管與電網(wǎng)相連，相當(dāng)于半波整流，此時(shí)電容器沒(méi)有電流，相當(dāng)于斷開(kāi)，因此圖b將各相的其中一個(gè)晶閘管由二極管代替，降低了成本；圖c考慮到了三相電路斷開(kāi)二相就不構(gòu)成回路，因此又省略了其中一相的晶閘管和二極管；圖d采用雙向晶閘管，電路結(jié)構(gòu)可以更簡(jiǎn)單。圖e將控制元件移到了尾部，成本較圖d進(jìn)一步降低；圖f簡(jiǎn)化到了只剩一個(gè)晶閘管，控制時(shí)無(wú)須再考慮兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)順序，然而其投入的瞬間沖擊電流很大，因?yàn)槠錈o(wú)法做到零電位差時(shí)投入；圖g將所有電容器的尾端整流到直流側(cè)，通過(guò)直流側(cè)的一個(gè)全控器件控制三相電容器，投入時(shí)的沖擊電流通過(guò)直流側(cè)的小電感來(lái)抑制，斷開(kāi)時(shí)則通過(guò)二極管、電阻和電解電容構(gòu)成的緩沖電路來(lái)緩慢關(guān)斷三相，其控制十分簡(jiǎn)單，然而緩沖電路和限流電感需要較大體積和高昂的成本[6-8]。

在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，圖a和圖b屬于較為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但需要使用多個(gè)晶閘管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，成本較高；其他方案雖然晶閘管的成本有所降低，但存在過(guò)電壓和過(guò)電流的問(wèn)題，對(duì)晶閘管的使用不利，或者電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，兩個(gè)晶閘管控制脈沖需相互配合，因此在實(shí)際的電容器拓?fù)浠芈分芯创笠?guī)模應(yīng)用。

1.3 典型電容器回路投切過(guò)程分析

電容器回路投切的過(guò)程中，回路合閘的瞬間產(chǎn)生合閘涌流，稱(chēng)之為勵(lì)磁涌流。以反并聯(lián)晶閘管TSC三相電路為例，取任一相回路圖進(jìn)行分析如圖2所示。

圖2 TSC電路

圖2電路中將電阻忽略不計(jì)，電抗L表示串聯(lián)的電抗和系統(tǒng)中所有的電抗，交流電壓源的電壓為：

uS=Umsin(ωt+a)

(1)

假設(shè)晶閘管為理想開(kāi)關(guān)器件，不考慮晶閘管的導(dǎo)通壓降以及開(kāi)關(guān)損耗，列出回路電壓方程為：

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行拉普拉斯變換可得：

(3)

其中UC0是電容的初始電壓。對(duì)式(3)進(jìn)行拉普拉斯反變換得到電流i(t)為：

(4)

一般要求電容器投切的過(guò)程中不能產(chǎn)生合閘涌流和過(guò)電壓，也就是說(shuō)需要消去式(4)中的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)。必須同時(shí)滿(mǎn)足如下的2個(gè)條件：

1)cosα=0

目前有以下這幾種方式來(lái)抑制電容器投切過(guò)程中的合閘涌流：

1)當(dāng)電網(wǎng)電壓與電容器兩端電壓為零的時(shí)候投入電容器。這種方法一般需要在無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置裝有具有放電功能的線(xiàn)圈，確保在電容器投入前，電容器上的殘壓能夠釋放為零。

2)對(duì)電容器進(jìn)行預(yù)充電，使其兩端的電壓達(dá)到系統(tǒng)電壓最大值時(shí)投入電容器。

3)當(dāng)在晶閘管兩端的電壓為零時(shí)這時(shí)候觸發(fā)其導(dǎo)通，等同于電容器兩端電壓與系統(tǒng)電壓相等的時(shí)刻投入電容器。

4)切除時(shí)只要取消觸發(fā)信號(hào)即可，晶閘管在電流過(guò)零后自動(dòng)關(guān)閉。

在抑制合閘涌流的四種方式中，晶閘管投切電容器原理是通過(guò)晶閘管元件的精確相位控制功能，與電容器端電壓相等時(shí)投入電容器，從而可以消除電容器合閘過(guò)程中的沖擊電流；由于晶閘管的可關(guān)斷性，在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)電容器回路，晶閘管不會(huì)產(chǎn)生電弧，因此沒(méi)有電弧重燃過(guò)電壓現(xiàn)象，從而保證了電容器回路能精確可靠斷開(kāi)。

2 單晶閘管投切三相電容器的設(shè)計(jì)方案

2.1 單晶閘管投切電容器的電路拓?fù)?/h3>

為了簡(jiǎn)化控制，提高晶閘管投切電容器的經(jīng)濟(jì)性，本文設(shè)計(jì)新的電路拓?fù)洌鐖D3所示，它由設(shè)在電容器尾部的二極管陣列和一個(gè)單向晶閘管構(gòu)成，能較平穩(wěn)地投切電容器[9-10]。

圖3 單晶閘管投切電容器的電路拓?fù)鋱D

在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，晶閘管V不導(dǎo)通，三相電容器在二極管D1、D2的作用下充有直流電壓，由于二極管的單向?qū)щ娮饔?，電容器充滿(mǎn)電后電流趨于零，無(wú)功電流交換停止，相當(dāng)于電容器切除；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，晶閘管V導(dǎo)通，三相電容器尾端電流，可通過(guò)任一二極管或晶閘管導(dǎo)通，相當(dāng)于尾端星型連接；在切斷過(guò)程時(shí)，晶閘管有電流過(guò)零時(shí)刻，故晶閘管具備關(guān)斷條件，可以可靠關(guān)斷；在投入狀態(tài)時(shí)，晶閘管能否已較小的沖擊電流導(dǎo)通，需找兩個(gè)主電極間的電壓過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)觸發(fā)晶閘管，才能做到無(wú)沖擊電流地投入電容器，uD1、uD2雖都有過(guò)零點(diǎn)，但時(shí)刻不同，因此只能找壓差最小時(shí)刻的點(diǎn)，觸發(fā)晶閘管減少?zèng)_擊電流。

2.2 單晶閘管投切電容器的控制電路

單晶閘管投切電容器的電路拓?fù)溆捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其控制電路也很簡(jiǎn)單，有助于提高控制的可靠性并進(jìn)一步降低成本。

本設(shè)計(jì)在晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)僅需監(jiān)測(cè)晶閘管兩端的電壓，在電壓最小時(shí)觸發(fā)；正常工作時(shí)采用常加脈沖觸發(fā)，關(guān)斷時(shí)可隨時(shí)停掉脈沖，無(wú)須考慮電源相位，十分方便。小功率樣機(jī)控制電路如圖4所示，它采用光耦來(lái)控制觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)的時(shí)刻，當(dāng)晶閘管兩端差壓較高時(shí)，穩(wěn)壓管VD導(dǎo)通，光耦輸出電阻很小，晶閘管門(mén)極陰極之間被短路，觸發(fā)信號(hào)無(wú)法加在門(mén)極上，晶閘管不導(dǎo)通，當(dāng)差壓小于設(shè)定值后，穩(wěn)壓管VD關(guān)斷，光耦輸出電阻增加，觸發(fā)信號(hào)加在門(mén)極上，晶閘管導(dǎo)通，投入電容器。在這個(gè)控制電路中，只需合上開(kāi)關(guān)SA，三相電容器就投入運(yùn)行，關(guān)斷SA，電容器即被切斷，投切過(guò)程均無(wú)沖擊電流。R3、R4用于分壓，將關(guān)斷時(shí)D3、D4的端壓分至V兩端，便于控制。

圖4 單晶閘管投切三相電容器的控制電路

2.3 單晶閘管投切電容器的繼電保護(hù)方案

晶閘管投切電容器按照電壓等級(jí)可分為低壓補(bǔ)償方式和高壓補(bǔ)償方式，由于本設(shè)計(jì)在關(guān)斷時(shí)電容器兩端仍充有電壓，如果用于中高壓大容量場(chǎng)合，檢測(cè)同向電容器兩端電壓差的方法不可行，則不能采用差壓保護(hù)，也不能采用中性點(diǎn)橫差保護(hù)，應(yīng)采用分相電流橫差保護(hù)，采用橫差保護(hù)的接線(xiàn)如圖5所示。

圖5 橫差保護(hù)接線(xiàn)圖

3 仿真驗(yàn)證分析

4 結(jié)語(yǔ)

晶閘管投切電力電容器能夠很好地補(bǔ)償無(wú)功功率，提高電能質(zhì)量，為此，本文提出了一種單晶閘管投切三相電容器的方案，克服現(xiàn)有TSC的不足，試驗(yàn)證明此設(shè)計(jì)可以很好的投切電容器，并且其控制電路十分簡(jiǎn)單，能夠無(wú)機(jī)械磨損，從而提高了配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了所需電力電子器件的價(jià)格，值得在電力電子技術(shù)方面進(jìn)行大力推廣應(yīng)用。