晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的原理與應(yīng)用

孫昌穩(wěn)

唐山三友氯堿有限責(zé)任公司 河北唐山 063305

晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的原理與應(yīng)用

孫昌穩(wěn)

唐山三友氯堿有限責(zé)任公司 河北唐山 063305

晶閘管投切電容器(TSC)無(wú)功補(bǔ)償裝置是靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向，從TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置的組成結(jié)構(gòu)、主接線形式、晶閘管過(guò)零觸發(fā)方式、內(nèi)部檢測(cè)與控制電路原理等方面介紹了TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置。隨著TSC技術(shù)的發(fā)展，TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置將取代接觸器投切式無(wú)功補(bǔ)償裝置，在高低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)用更廣泛。

晶閘管投切電容器； 無(wú)功補(bǔ)償； 原理； 應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)和城鄉(xiāng)電力系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)、變壓器等感性負(fù)荷占有很大比例。感性負(fù)荷在系統(tǒng)內(nèi)吸收大量無(wú)功功率，因而無(wú)功補(bǔ)償以并聯(lián)電容器為主要手段。固定并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)在于不產(chǎn)生諧波、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高，但無(wú)法解決過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題[1]。自動(dòng)投切電容器裝置根據(jù)控制開(kāi)關(guān)的不同，可分為斷路器、接觸器投切電容器(SVC)裝置和晶閘管投切電容器(TSC)裝置。SVC裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定，但響應(yīng)速度慢，不能頻繁投切，主要應(yīng)用于性能要求不高的場(chǎng)合。晶閘管為無(wú)觸點(diǎn)通斷，使用壽命長(zhǎng)，且晶閘管的投入時(shí)刻按給定觸發(fā)脈沖可以精確控制，能做到快速無(wú)沖擊地將電容器接入系統(tǒng)，大大降低對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊，特別適用于頻繁投切的場(chǎng)合，而且能根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)功變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

1 TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置的基本原理

TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置是一種基于TSC的電容補(bǔ)償裝置，利用晶閘管無(wú)觸點(diǎn)投切的特性，能夠快速平穩(wěn)地投入或切除補(bǔ)償電容器。應(yīng)用過(guò)零投切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，減小電壓波動(dòng)，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。TSC裝置的構(gòu)成一般分為兩部分： 一是TSC主回路，包括晶閘管、電容器及阻尼電抗器；二是TSC控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)、參數(shù)運(yùn)算、投切控制、觸發(fā)控制[2]。主回路的晶閘管單元通常有兩種接線方式，一種是兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)，另一種是一個(gè)晶閘管與一個(gè)二極管反并聯(lián)。采用第一種接線方式，晶閘管承受的最大反向電壓為系統(tǒng)電壓峰值。采用第二種接線方式，晶閘管承受的最大反向電壓為兩倍系統(tǒng)電壓峰值，所以第二種接線方式對(duì)晶閘管特性的要求高，但投資比第一種接線方式少，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。選擇使用哪種主回路晶閘管接線方式，應(yīng)根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較綜合確定。

2 TSC無(wú)功補(bǔ)償主電路接法

TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置的主電路，一般有如下四種接線方式。

2.1 星形有中線

星形加裝中線的接法使晶閘管額定電壓降低，可完成分相投切任務(wù)，只適用于系統(tǒng)電壓波形畸變很小且電網(wǎng)負(fù)荷三相不平衡的情況。由于中線的存在，對(duì)系統(tǒng)中三次諧波沒(méi)有抑制作用，因此，為了限制涌流和抑制諧波，通常在中線上加裝限流電抗器[3]。

2.2 星形無(wú)中線

主回路取消了中線，可以抑制系統(tǒng)內(nèi)三次諧波，但至少需兩相電容才能形成回路，所以不能實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償，對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷三相不平衡的情況不宜采用這種接線方式。

2.3 角外接法

角外接法，即晶閘管接在電容器三角形電路的外部，按照星角變換原理，在電容器總?cè)萘肯嗟鹊那闆r下，角外接法和星形無(wú)中線接法對(duì)外電路所表現(xiàn)的特性一致[4]。角外接法可以有效抑制三次諧波，與角內(nèi)接法相比，體積小，投切時(shí)暫態(tài)過(guò)程較長(zhǎng)，適合于三相平衡負(fù)載。

2.4 角內(nèi)接法

角內(nèi)接法，即晶閘管處于電容器三角形電路的內(nèi)部。該接法相對(duì)另外3種接法，晶閘管額定電流較小，只有相電流的58%，但晶閘管需要的額定電壓較大。系統(tǒng)負(fù)荷三相不平衡時(shí)，角內(nèi)接法的電容器組各相電容值可不相等，根據(jù)各相負(fù)荷大小要作分相補(bǔ)償。

3 TSC控制系統(tǒng)

3.1 信號(hào)檢測(cè)電路

TSC裝置的檢測(cè)控制電路主要包括相位采樣、電流與電壓有效值測(cè)算、無(wú)功功率與無(wú)功補(bǔ)償量計(jì)算等部分。

3.1.1 電流與電壓有效值測(cè)算

在三相電網(wǎng)中，通過(guò)加裝電流互感器和電壓互感器，可取得線電壓電位差信號(hào)和相電流信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和濾波處理后，可得到某一瞬時(shí)的電流和電壓有效值。

3.1.2 相位采樣及控制原理

相位采樣是結(jié)合過(guò)零采樣電路與單片機(jī)定時(shí)器來(lái)完成的，將從電網(wǎng)獲取的電壓和電流信號(hào)送至由雙電壓比較器(如LM393)組成的過(guò)零檢測(cè)電路中，這樣可以分別對(duì)取得的線電壓和相電流信號(hào)進(jìn)行整形，從而輸出集成邏輯電路方波信號(hào)。方波信號(hào)輸入到由觸發(fā)器組成的0～360°相位檢測(cè)電路后，與電路輸出相位信號(hào)進(jìn)行比較判斷。輸出相位信號(hào)寬度與電流、電壓相位之差成正比，對(duì)單片機(jī)定時(shí)器發(fā)出的時(shí)間差與相位信號(hào)的寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到電壓與電流的相位差角。

3.1.3 系統(tǒng)無(wú)功功率與無(wú)功補(bǔ)償量計(jì)算

取任意兩時(shí)刻的電壓與電流有效值作為一組數(shù)據(jù)，即可通過(guò)公式Q=sin[α(u1i2-u2i1)/2]計(jì)算得出無(wú)功功率，α為兩時(shí)刻的相位角差。無(wú)功補(bǔ)償量計(jì)算式為Q1=QPtanφ1，P為系統(tǒng)有功功率；φ1為需補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)角。

3.2 控制單元

3.2.1 控制電容投切模式

電容器是組成TSC裝置的關(guān)鍵部件，在電網(wǎng)中投入或切除電容器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率，可以將功率因數(shù)維持在較高的理想水準(zhǔn)。由于動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償需要頻繁投切電容器，因此為確保電容器的壽命和質(zhì)量，需要考慮補(bǔ)償電容的投切模式。TSC裝置大多采用循環(huán)投切模式，即將各組電容器按編號(hào)排序，依次投入。如需切除電容器，則從已投入電容器隊(duì)列的尾部切除。這樣，隨功率因數(shù)的變化，已投入的電容器隊(duì)列在環(huán)形隊(duì)列中逆時(shí)針移動(dòng)，各組電容器的使用概率均勻，可有效減小電容組的故障率。通常以上方法適用于等容量分組。

3.2.2 控制單元控制方式

TSC控制單元通過(guò)單片機(jī)對(duì)檢測(cè)采集電路采集到的電壓、電流等電信號(hào)進(jìn)行分析處理，并結(jié)合定時(shí)電路、運(yùn)算電路和輸出電路對(duì)晶閘管進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償。TSC控制單元的控制方式一般有3種： 第一種為按設(shè)定功率因數(shù)進(jìn)行控制投切，依據(jù)在微處理器中預(yù)設(shè)置的功率因數(shù)與實(shí)時(shí)檢測(cè)到的功率因數(shù)來(lái)控制合適的無(wú)功補(bǔ)償量[5]，這種控制方式電路比較簡(jiǎn)單，適用于系統(tǒng)中無(wú)功功率變化不大的場(chǎng)所；第二種為按系統(tǒng)所需無(wú)功功率進(jìn)行控制投切，根據(jù)所測(cè)得的電信號(hào)參數(shù)，計(jì)算出應(yīng)投入的電容量，在電容器組合方式中選出一種最接近但又不會(huì)過(guò)補(bǔ)償?shù)慕M合方式，電容器一次投切到位，即只有當(dāng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需容量大于或等于最小一組電容器容量時(shí)，才會(huì)由控制系統(tǒng)發(fā)出投切指令；第三種為以上兩種控制方式的組合應(yīng)用，采取以控制功率因數(shù)為主，以無(wú)功功率、電壓、電流、時(shí)間等變量為輔的控制方式，可進(jìn)一步提升TSC裝置的穩(wěn)定性和可控性。

3.3 TSC裝置晶閘管過(guò)零觸發(fā)方式

晶閘管過(guò)零觸發(fā)投切電容器有2種觸發(fā)方式： 第一種是檢測(cè)晶閘管陽(yáng)極和陰極的電壓，即電容器電壓與線路電壓的差，當(dāng)電壓差過(guò)零時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，有的場(chǎng)合利用二極管來(lái)判別陽(yáng)極和陰極間的電壓差，直接觸發(fā)晶閘管；第二種是通過(guò)電路預(yù)先向電容器充電，當(dāng)交流電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等時(shí)，晶閘管電壓為零，光電耦合器輸出脈沖，并與投入指令作邏輯“與”運(yùn)算，決定是否觸發(fā)晶閘管，以保證晶閘管的平穩(wěn)導(dǎo)通，TSC投入指令撤銷(xiāo)時(shí)，晶閘管在電流過(guò)零時(shí)斷開(kāi)，直到微控制器下次發(fā)出投入指令，TSC才會(huì)在零電壓處重新投入。

4 TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用范圍

在居民用電系統(tǒng)中，TSC裝置主要應(yīng)用于城市低壓配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備中。在以城市10kV中壓配電系統(tǒng)為代表的民用配電網(wǎng)中，功率因數(shù)大多在0.6～0.8之間，電網(wǎng)電壓質(zhì)量不高，線路損耗大，直接威脅電網(wǎng)及用戶(hù)用電設(shè)備的安全。經(jīng)試運(yùn)行測(cè)算，網(wǎng)損在10%以上的10kV配電線路加裝TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置后可降損5%～10%[6]，且在三相負(fù)載平衡處功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)功倒送，在優(yōu)化電能質(zhì)量的同時(shí)也提高了配電設(shè)備容量的利用率。TSC補(bǔ)償裝置在電網(wǎng)中的通用性好，除居民用電系統(tǒng)外，冶金、采礦、石油化工、電氣化鐵路等領(lǐng)域也已廣泛應(yīng)用。

5 TSC應(yīng)用中存在的問(wèn)題

在電力系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，TSC技術(shù)仍存在補(bǔ)償電容器投切振蕩、出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)程、誤觸發(fā)等問(wèn)題。

5.1 投切振蕩問(wèn)題

在采用按功率因數(shù)控制電容器投切時(shí)，隨著負(fù)荷的不斷變化，系統(tǒng)功率因數(shù)比TSC裝置控制單元預(yù)設(shè)的功率因數(shù)下限值低，控制單元發(fā)出觸發(fā)脈沖，投入一組電容器。如果此組電容器電容量較大，使功率因數(shù)超出控制單元設(shè)定值的上限，此時(shí)控制器必將切除一組電容器，如此反復(fù)下去，造成補(bǔ)償電容器的投切振蕩，易使裝置損壞[7]。為避免這種故障發(fā)生，可以采用適宜的不同容量電容器分組方式，合理選擇控制方案等。

5.2 投切時(shí)存在暫態(tài)過(guò)程

補(bǔ)償電容器是一種容性?xún)?chǔ)能設(shè)備，在系統(tǒng)中投切必然存在暫態(tài)過(guò)程，此暫態(tài)過(guò)程會(huì)引起電容器合閘涌流和暫態(tài)過(guò)電壓，特別是電容器殘壓與過(guò)電壓疊加，使系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)電壓倍數(shù)放大，必然考驗(yàn)設(shè)備的絕緣水平，嚴(yán)重時(shí)造成TSC裝置中晶閘管等關(guān)鍵設(shè)備被擊穿，以及電網(wǎng)中其它絕緣薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生事故[8]。在TSC裝置回路內(nèi)加裝限流電抗器和阻容吸收裝置，可在一定程度上減輕電容器投切暫態(tài)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的損壞。

5.3 投切誤觸發(fā)問(wèn)題

TSC裝置中，晶閘管作為電容器投切的關(guān)鍵部件，響應(yīng)速度快，理論上完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)渡投切，但實(shí)際中存在誤觸發(fā)問(wèn)題。主要原因有兩方面： 一是TSC裝置內(nèi)強(qiáng)電和弱電存在一定的電磁干擾[9]，加上來(lái)自電網(wǎng)中的電磁干擾，都會(huì)使控制回路誤觸發(fā)；二是當(dāng)晶閘管與電容器電壓瞬時(shí)值極性相同但幅值不等時(shí)，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后存在過(guò)電壓和過(guò)電流過(guò)渡過(guò)程，若兩者極性相反，則會(huì)產(chǎn)生誤觸發(fā)，造成設(shè)備損壞。為了避免控制電路誤觸發(fā)，新型TSC裝置將晶閘管及其觸發(fā)電路和邏輯控制電路封裝在一起，技術(shù)人員采取了必要的抑制干擾措施，提高了TSC裝置的可靠性。

6 TSC與TCR的組合應(yīng)用

TSC裝置是一種斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，有時(shí)候需提供連續(xù)可調(diào)的感性無(wú)功或需輸出連續(xù)可調(diào)的無(wú)功功率，TSC僅控制電容器投切顯然不能滿足要求[10]。這時(shí)，通常會(huì)引入晶閘管控制電抗器(TCR)，將采用角內(nèi)接法的TSC與TCR組合應(yīng)用。TSC與TCR組合應(yīng)用可以在容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)感性或容性無(wú)功功率。組合應(yīng)用后裝置造價(jià)高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于對(duì)無(wú)功補(bǔ)償要求比較高的場(chǎng)合。

7 結(jié)束語(yǔ)

TSC裝置具有過(guò)零觸發(fā)的特性，確保投切電容器無(wú)沖擊、無(wú)涌流、無(wú)過(guò)渡過(guò)程、故障率低，在國(guó)內(nèi)已基本取代傳統(tǒng)接觸器投切無(wú)功補(bǔ)償裝置。TSC裝置特別適合于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，具有廣泛的適用性，可用于各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)、民用生活等的供配電網(wǎng)絡(luò)中。隨著電力電子和微電子技術(shù)的進(jìn)步，TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置正在向模塊化、智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展[11]，未來(lái)應(yīng)用將更加廣泛。

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Thyristor switchable capacitor (TSC) reactive power compensation device is the development direction of static reactive power compensation technology. An introduction was presented on TSC reactive power compensation device in the aspects of its composition structure, the main connection form, thyristor zero-cross trigger mode, principles of internal detection and control circuit. In company with the development of TSC technology, TSC reactive power compensation device will replace the original reactive power compensation device switched by the contactor and has wide application in high and low voltage distribution system.

TSC； Reactive Power Compensation； Principle； Application

2016年4月

孫昌穩(wěn)(1972— )，男，本科，工程師，主要從事電氣安裝與維護(hù)工作， E-mail： 18733333137@163.com

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1674-540X(2016)03-069-04