基于直流電壓維持法的TSC投切電路研究

張俊,岳倩倩,蔣龍云

（安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601）

0 引言

配電網(wǎng)中用電負荷的功率因數(shù)通常低于1，而且三相用電負荷不平衡，電網(wǎng)側(cè)如果不能快速提供用電負荷所需要的無功功率，就會降低電網(wǎng)質(zhì)量，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響[1]。為達到電力公司的功率因數(shù)要求，用戶通常會選擇無功補償裝置來提供自身所需無功功率。應(yīng)用較廣泛的無功補償裝置有SVC(靜止無功補償器)和SVG(靜止無功發(fā)生器)。TSC(晶閘管投切電容器)是SVC中的典型，以其低成本和可靠耐用的優(yōu)勢占用較大市場份額，但是這種補償裝置的響應(yīng)速度已經(jīng)不能滿足電焊機、縫焊機及點焊機等快速變化型負荷的需求[2]；動態(tài)無功補償裝置如TSC與SVG協(xié)同工作的混合補償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)補償，有更快的響應(yīng)速度，但其成本比同等容量的SVC更高[3-4]。

為實現(xiàn)TSC裝置中補償電容快速無沖擊投入電網(wǎng)，目前已對TSC主電路有大量研究。但現(xiàn)有研究都是在傳統(tǒng)的無源器件搭建的補償主電路基礎(chǔ)上展開的，無法避免傳統(tǒng)主電路中存在的固有問題，不能夠完成在一個系統(tǒng)周期內(nèi)投切，且投切時機發(fā)生在準過零點上，會導(dǎo)致較大的沖擊電流，嚴重時還可能因電流過大燒壞晶閘管。因此本文提出一種加入有源器件的主電路形式，可實現(xiàn)補償電容無沖擊電流快速投切。

1 傳統(tǒng)主電路中的固有問題

TSC主電路有多種拓撲結(jié)構(gòu)，在380 V低壓電網(wǎng)的配電系統(tǒng)中，多采用三角形角內(nèi)接法[5]。在工程應(yīng)用中，無功補償使用的晶閘管通常指由兩個反并聯(lián)的晶閘管封裝在一起的晶閘管閥VT，采用分析單相電路模型的方法分析三相電路，單相電路模型如圖1。圖中忽略電路中的電阻，L表示系統(tǒng)所有電感，C表示電容器組的電容。

圖1 傳統(tǒng)TSC單相電路模型

假設(shè)AC電壓源是標準的正弦信號，晶閘管為理想開關(guān)，忽略其導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，列出電壓方程并求解，得到“無沖擊電流投切”條件：

上式中，α為觸發(fā)角，UC0為電容器組殘壓，Um為電網(wǎng)電壓峰值，λ為自然角頻率和基波角頻率的比值。為滿足以上條件，現(xiàn)行的方案是在晶閘管兩端加過零檢測電路，當(dāng)晶閘管兩端電壓接近零且晶閘管承受正向電壓時，可以進行無沖擊電流投切[6]。

要使電容器殘壓等于電網(wǎng)電壓峰值，則λ的取值必須非常大。然而，實際工程應(yīng)用中為避免電容與變壓器及其它負載發(fā)生諧振，在電容支路中串入了電感L，其感抗值為XL，取值通常為電容容抗的0.5%～12%[3-4]。由于電感L的存在，當(dāng)晶閘管電流過零退出時，電容上的殘壓總會比系統(tǒng)電壓峰值大，導(dǎo)致過零檢測電路難以找到晶閘管兩端電壓的過零點而再次投入電容器。

傳統(tǒng)的TSC控制電路中，晶閘管兩端電壓過零點檢測由硬件完成，當(dāng)控制信號關(guān)掉后，晶閘管會等待電流過零點自行關(guān)斷，電流過零點正好是電壓峰值點，由于電感L的存在，電容兩端電壓會比系統(tǒng)電壓峰值高，只有靠電容內(nèi)部的安全放電電阻將電容上的電壓降至系統(tǒng)電壓峰值附近，過零檢測電路才能檢測到電壓過零點，補償裝置才能再次投入。由于電容內(nèi)部的放電電阻數(shù)值很大，所以放電時間往往需要幾分鐘，當(dāng)負載波動較大需要頻繁投切時，補償電容一旦切除，想要再次投入就必須等待過零條件，不能實現(xiàn)快速投入。目前在船舶制造行業(yè)、汽車制造行業(yè)中大量使用電焊機、縫焊機及點焊機等快速變化型負荷，傳統(tǒng)TSC投切速度已經(jīng)不能滿足要求。

傳統(tǒng)電路只能做到單純依靠晶閘管兩端的電壓來判斷投入點，因為無功補償?shù)碾娏飨辔怀跋到y(tǒng)電壓相位90度，相對于電容電流來說這個投入點可能處于其穩(wěn)態(tài)電流的較大值處，所以勢必存在較長的暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)過渡時間，在暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)過渡時間內(nèi)，電流非正弦波，如果容量較大，就可能會引起系統(tǒng)振蕩。

2 帶輔助支路的主電路

2.1 帶放電輔助支路的主電路拓撲

為解決上述問題，使補償裝置能夠適應(yīng)系統(tǒng)無功需求變化快的情況，即能夠在切除后瞬時再次投入電網(wǎng)，在電容器C兩端加入由電阻R和晶閘管閥VT2構(gòu)成的放電輔助支路。此時TSC單相電路模型如圖2所示。

圖2 帶放電輔助支路的TSC單相電路模型

晶閘管閥VT2為放電晶閘管，其作用就是在主晶閘管VT1退出后，讓電容器C通過R放電，使電容器C上的電壓盡快放電至系統(tǒng)電壓峰值或更低數(shù)值，從而使得主晶閘管VT1兩端的電壓能夠有“過零點”，達到再次投入系統(tǒng)的條件。此時，主晶閘管VT1和放電晶閘管VT2的開通與關(guān)斷的時機選擇是此電路正常運行并達到預(yù)期效果的關(guān)鍵。

當(dāng)主晶閘管VT1退出后，VT2將在控制器控制下開始工作；電容器C內(nèi)部集成有放電電阻，并且控制器可以控制VT2的通斷。當(dāng)VT2閉合時，電容器C、晶閘管VT2和電阻R構(gòu)成回路，使電容器C放電。因此，電容器C的電壓處于下降狀態(tài)，且從大于系統(tǒng)電壓峰值Um的數(shù)值開始下降。UC為電容電壓，Um為系統(tǒng)電壓峰值。當(dāng)UC＞Um，且UC處于正向下降趨勢，下降到接近Um時投入晶閘管，帶放電輔助支路的單相電路工作過程如圖3。在閉合主晶閘管VT1之前，放電晶閘管VT2處于閉合狀態(tài)，此時電容電壓UC大于系統(tǒng)電壓Um，且其值從電容電壓的最大值正向下降，在下降到系統(tǒng)峰值電壓前切除放電晶閘管VT2的觸發(fā)信號，此時VT2的電流經(jīng)過一個過渡過程，到下一個系統(tǒng)電壓過零點時，其電流過零使VT2關(guān)斷；當(dāng)系統(tǒng)電壓U達到峰值Um時，電容C電流反向下降到接近零，閉合主晶閘管VT1后，在電源的作用下，電容充電，電容電壓上升，由于電容殘壓大于系統(tǒng)電壓，且此時刻電容電壓與其穩(wěn)態(tài)值非常接近，所以經(jīng)過短時間的暫態(tài)后電容電壓進入穩(wěn)態(tài)；電容電流也反向增加并經(jīng)過很短的暫態(tài)就可進入穩(wěn)態(tài)，電流突變值小。然而若在UC＜Um時觸發(fā)主晶閘管VT1閉合，電容電壓與穩(wěn)態(tài)值相差數(shù)值較UC＞Um時的大，所以要經(jīng)過較長一段暫態(tài)后達到其穩(wěn)態(tài)峰值。

圖3 系統(tǒng)電壓峰值時刻投入主晶閘管時單相電路工作過程波形

因此，UC＞Um，且UC處于正向下降趨勢時，系統(tǒng)電壓達到峰值時投入主晶閘管VT1是最好的時機。主控制器通過對電容電壓及系統(tǒng)電壓的檢測，可控制VT2的關(guān)斷時刻，使得系統(tǒng)電壓和電容殘壓滿足此條件，此時可以實現(xiàn)投入電容時過渡過程最短，且沖擊電流最小。

2.2 帶充電輔助支路的主電路拓撲

要實現(xiàn)電容器放電至電壓稍稍大于或接近系統(tǒng)電壓峰值這個條件并不容易。原因在于在下次主晶閘管投入前，可能因為放電晶閘管不能關(guān)斷而導(dǎo)致電容電壓一直下降，而低于系統(tǒng)電壓峰值；另外，即使放電晶閘管可以在電容放電至某電壓時自行關(guān)斷，電容自身也會因為內(nèi)部的放電電阻以及自放電功能慢慢放電。所以必須用另外的方法實現(xiàn)電容兩端電壓的維持，既要使電容放電至接近系統(tǒng)電壓峰值，又不至于一直向下降。只要電容兩端電壓能夠維持住，后期系統(tǒng)無功需求變化時，就可以實現(xiàn)快速的補償投入。因此，如何維持電容兩端電壓值接近系統(tǒng)電壓峰值是快速投切的關(guān)鍵。

本文提出用外加輔助充電電路來實現(xiàn)電容兩端電壓的維持，其設(shè)計思路是：在主晶閘管兩端外加可控的充電輔助支路，當(dāng)主晶閘管退出后，將充電輔助支路接入到電源和補償電容所在回路中去，用以維持電容上的電壓不低于系統(tǒng)電壓峰值。此充電輔助支路又可叫做二極管電壓維持電路，如圖4中主晶閘管VT1兩端并接的電路。

圖4所示電路在帶有放電輔助支路的單相電路模型中，添加了一個由開關(guān)K1、電阻R1和二極管D1構(gòu)成的“二極管充電輔助支路”。此電路利用二極管D1對電容C“充電”，用以維持電容C電壓不低于系統(tǒng)電壓峰值。當(dāng)主晶閘管VT1退出后，放電晶閘管VT2閉合，此時將開關(guān)K1閉合，當(dāng)電容C上的電壓降至峰值以下，即電容電壓小于系統(tǒng)電壓時，就可以實現(xiàn)自動充電。在主晶閘管VT1退出后，電容C上電壓高于系統(tǒng)電壓峰值時，由于開關(guān)K1可以在主晶閘管退出后立刻閉合，即使此時沒有充電電流，由于D1的存在，不會對整個電路帶來不良影響；而在主晶閘管VT1再次投入時，會因為主晶閘管的零阻抗而將充電輔助支路“短路”，從整個電路拓撲里分離出去，與此同時可斷開K1，切斷充電支路，從而補償裝置正常投入到電網(wǎng)中。整個電路的目的是保證電容C兩端的電壓略高于系統(tǒng)電壓峰值，且不會由于電容內(nèi)部放電電阻或放電輔助支路作用而下降。要實現(xiàn)這個電路的安全運行，必須要使主晶閘管VT1在系統(tǒng)電壓正半波時關(guān)斷，且當(dāng)電容C放電至稍大于系統(tǒng)電壓峰值時，使放電晶閘管VT2關(guān)斷，斷開放電支路。

圖4 帶有充電和放電輔助支路的單相電路模型

2.3 基于全控器件的直流電壓維持法

為了能夠可靠地斷開放電支路，可將放電晶閘管VT2替換為全控型器件如IGBT，并且把二極管充電電路中的開關(guān)K1也替換為全控型器件。放電輔助電路和充電輔助電路都使用全控型器件，構(gòu)成了“電壓維持電路”，這種電路能更精確地維持電容電壓處于略大于系統(tǒng)電壓峰值，從而讓補償系統(tǒng)時刻處于“熱備投”狀態(tài)，主控制器能隨時根據(jù)系統(tǒng)無功變化需求而投入和切除補償裝置，從而達到真正的快速無沖擊投切。這種依靠維持電容兩端電壓恒定為略大于系統(tǒng)電壓峰值的方法即直流電壓維持法，它是實現(xiàn)無功補償系統(tǒng)快速投切的關(guān)鍵。

使用全控型器件后，帶有電壓維持電路的單相電路模型如圖5所示。圖中由R1、D1、VG1構(gòu)成充電輔助支路，由R2、D2、VG2構(gòu)成了放電輔助支路。為了防止主晶閘管VT1投入后，在系統(tǒng)電壓負半波時，VG2內(nèi)部的反并聯(lián)二極管會提供一個電流通道，導(dǎo)致放電電阻R2上的功率很大而燒壞，在放電輔助支路中，加入了二極管D2。

圖5 帶有電壓維持電路的單相電路模型

在此單相電路模型中，放電電阻R1和充電電阻R2阻值可以用補償電容電壓的變化產(chǎn)生的電流平均值進行估算。以R1為例，忽略D1、VG1上的壓降，假設(shè)t時間內(nèi)，要使補償電容電壓增加ΔU，則流過R1的電流i2值為：

實際電流按指數(shù)工程計算方法，取電流的二分之一作為平均值，則R1值可估算為：

在工程應(yīng)用中，主控制器可利用采樣電路得到補償電容電壓及系統(tǒng)電壓值，采用滯環(huán)控制的方法選擇VG1及VG2的投切時機，具體投切區(qū)間可參考圖6?？v軸即主電容器C上直流電壓，橫軸表示主晶閘管以及輔助全控器件投入的角度，圖中虛線即投入或退出的區(qū)間。當(dāng)主電容器C初次投入，即其電壓絕對值小于200 V時，需要在第一次到達主晶閘管VT1退出區(qū)間，即系統(tǒng)電壓相位位于20°到70°之間時退出主晶閘管VT1，此后主電容器C的電壓通過放電輔助電路及充電輔助電路能夠維持在系統(tǒng)電壓正峰值上，進入熱備投狀態(tài)。

圖6 主晶閘管和輔助全控器件的投切區(qū)間

3 仿真電路及結(jié)果

用Simulink搭建單相電路模型如圖7所示。圖7中VT1和VT2兩個反并聯(lián)晶閘管作為主晶閘管，用晶閘管驅(qū)動信號控制其通斷。兩個晶閘管控制信號相同，但同一時間只有一個導(dǎo)通。VG1和VG2分別是充電輔助支路及放電輔助支路的開關(guān)，其中ChargeSwitch可以控制整個仿真是否要加入充電輔助支路，而DischargeSwitch開關(guān)則用來控制是否加入放電輔助支路。開關(guān)SW控制負載通斷。

圖7 基于直流電壓維持法的單相電路仿真模型

仿真電路參數(shù)如下：系統(tǒng)電源為380 V，頻率為50 Hz；感性負載有功功率為20 kW，無功功率27 kvar，功率因數(shù)約為0.6；補償電容500 uF。其工作過程是：開關(guān)SW在0.1 s時接通，此時負載接入電路，0.2 s時給晶閘管驅(qū)動信號，此時投入補償電容；在0.222 s時斷開晶閘管驅(qū)動信號，接下來0.245 s時再次投入補償電容。用此方法模擬補償裝置的快速投切的同時，利用ChargeSwitch和DischargeSwitch控制兩個開關(guān)通斷，對帶有輔助支路的主電路和傳統(tǒng)主電路分別進行仿真，對比投切補償電容時充擊電流的情況，得到的波形如圖8、圖9所示。

補償裝置斷開后再次投入的時間點選取為緊接著第二個系統(tǒng)周期的系統(tǒng)電壓峰值時刻，此時電容電壓略大于系統(tǒng)電壓峰值。斷開ChargeSwitch和DischargeSwitch兩個開關(guān)，用示波器觀測波形。傳統(tǒng)主電路系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流及晶閘管驅(qū)動信號、補償電容電壓、補償電容電流及晶閘管驅(qū)動信號的波形如圖8所示。此時未加入充電輔助支路和放電輔助支路。從圖8看出，當(dāng)補償裝置切除后再次投入時，雖然系統(tǒng)電壓和電流相位差幾乎為零，補償電容起到補償作用，但是投入時產(chǎn)生接近200 A的沖擊電流，是穩(wěn)態(tài)電流峰值的2倍；在補償電容第二次投入時，電容的沖擊電流達到100 A，并產(chǎn)生了短時間的振蕩。

圖8 傳統(tǒng)主電路系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、補償電容電壓、補償電容電流及晶閘管驅(qū)動信號波形

接通ChargeSwitch和DischargeSwitch兩個開關(guān)，即加入充電輔助支路和放電輔助支路，仿真得到的系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、補償電容電壓、補償電容電流及晶閘管驅(qū)動信號波形如圖9所示。由圖可以看出快速投切時系統(tǒng)充擊電流幾乎為零，電容電流的過渡過程很短，整個系統(tǒng)很快進入穩(wěn)態(tài)。

圖9 基于直流電壓維持法電路的系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、補償電容電壓、補償電容電流及晶閘管驅(qū)動信號波形

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)主電路拓撲中添加包含有源器件的輔助電路支路，通過控制有源器件的通斷，使補償電容上的電壓維持在系統(tǒng)電壓峰值附近，為快速投入電網(wǎng)創(chuàng)造條件，使補償系統(tǒng)時刻處于“熱備投”狀態(tài)，從而能使補償電容分離后快速投入電網(wǎng)。從仿真分析可看出此主電路拓撲能夠?qū)崿F(xiàn)補償電容從電網(wǎng)切除后，在下一個系統(tǒng)周期內(nèi)再次投入電網(wǎng)使用，真正實現(xiàn)了快速投入，且有效抑制了傳統(tǒng)投切電路中補償電容投入時產(chǎn)生的沖擊電流。這種拓撲結(jié)構(gòu)能夠為大量使用電焊機、縫焊機及點焊機等快速變化型負荷的應(yīng)用場合提供解決方案。