關(guān)于晶閘管投切電容器無功補(bǔ)償技術(shù)的研究

包海兵

摘 要：本文從晶閘管投切電容器無功補(bǔ)償裝置的基本原理出發(fā)，對晶閘管投切電容器無功補(bǔ)償主電路接法、控制系統(tǒng)、應(yīng)用范圍及其存在問題等方面進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：晶閘管投切；電容器；無功補(bǔ)償技術(shù)

在當(dāng)前的電力系統(tǒng)里，主要負(fù)荷一般都呈感性且功率因數(shù)較低。感性負(fù)荷不僅從電網(wǎng)中吸收一定有功功率，同時吸收了無功功率，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓有一定的下降，造成電能的浪費(fèi)。通過對電容器組的投切控制進(jìn)行無功補(bǔ)償，能夠提高功率因數(shù)，改善電網(wǎng)電壓的質(zhì)量。

1 TSC無功補(bǔ)償裝置的基本原理

晶閘管投切電容器（TSC）無功補(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)用過零投切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償，減小電壓波動，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。TSC裝置的構(gòu)成一般分為2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、參數(shù)運(yùn)算、投切控制、觸發(fā)控制。主回路的晶閘管單元通常有兩種接線方式，一種是兩個晶閘管反并聯(lián)，另一種是一個晶閘管與一個二極管反并聯(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)相對簡單。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無功補(bǔ)償主電路接法

TSC無功補(bǔ)償裝置的主電路，一般有如下4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，對系統(tǒng)中3次諧波沒有抑制作用，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。

2.2 星形無中線

主回路取消了中線，可以抑制系統(tǒng)內(nèi)3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，角外接法和星形無中線接法對外電路所表現(xiàn)的特性一致。角外接法可以有效抑制3次諧波，與角內(nèi)接法相比，體積小，投切時暫態(tài)過程較長，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，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 信號檢測電路

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

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態(tài)補(bǔ)償無功功率，可以將功率因數(shù)維持在較高的理想水準(zhǔn)。由于動態(tài)無功補(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排序，依次投入。如需切除電容器，則從已投入電容器隊列的尾部切除。這樣，隨功率因數(shù)的變化，已投入的電容器隊列在環(huán)形隊列中逆時針移動，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控制單元通過單片機(jī)對檢測采集電路采集到的電壓、電流等電信號進(jìn)行分析處理，并結(jié)合定時電路、運(yùn)算電路和輸出電路對晶閘管進(jìn)行實(shí)時控制，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功功率補(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)時檢測到的功率因數(shù)來控制合適的無功補(bǔ)償量，這種控制方式電路比較簡單，適用于系統(tǒng)中無功功率變化不大的場所；第二種為按系統(tǒng)所需無功功率進(jìn)行控制投切，根據(jù)所測得的電信號參數(shù)，計算出應(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過補(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，才會由控制系統(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，以無功功率、電壓、電流、時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裝置晶閘管過零觸發(fā)方式

晶閘管過零觸發(fā)投切電容器有2種觸發(fā)方式：第一種是檢測晶閘管陽極和陰極的電壓，即電容器電壓與線路電壓的差，當(dāng)電壓差過零時觸發(fā)導(dǎo)通，有的場合利用二極管來判別陽極和陰極間的電壓差，直接觸發(fā)晶閘管；第二種是通過電路預(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，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投入指令撤銷時，晶閘管在電流過零時斷開，直到微控制器下次發(fā)出投入指令，TSC才會在零電壓處重新投入。

4 TSC無功補(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)及用戶用電設(shè)備的安全。經(jīng)試運(yùn)行測算，網(wǎng)損在10%以上的10kV配電線路加裝TSC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置后可降損5%～10%，且在三相負(fù)載平衡處功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不會出現(xiàn)無功倒送，在優(yōu)化電能質(zhì)量的同時也提高了配電設(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)用中存在的問題

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

5.1 投切振蕩問題

在采用按功率因數(shù)控制電容器投切時，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。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 投切時存在暫態(tài)過程

補(bǔ)償電容器是一種容性儲能設(shè)備，在系統(tǒng)中投切必然存在暫態(tài)過程，此暫態(tài)過程會引起電容器合閘涌流和暫態(tài)過電壓，特別是電容器殘壓與過電壓疊加，使系統(tǒng)內(nèi)的過電壓倍數(shù)放大，必然考驗設(shè)備的絕緣水平，嚴(yán)重時造成TSC裝置中晶閘管等關(guān)鍵設(shè)備被擊穿，以及電網(wǎng)中其他絕緣薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生事故。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)過程對系統(tǒng)設(shè)備的損壞。

5.3 投切誤觸發(fā)問題

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)無過渡投切，但實(shí)際中存在誤觸發(fā)問題。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，加上來自電網(wǎng)中的電磁干擾，都會使控制回路誤觸發(fā)；二是當(dāng)晶閘管與電容器電壓瞬時值極性相同但幅值不等時，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后存在過電壓和過電流過渡過程，若兩者極性相反，則會產(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 結(jié)語

總而言之，隨著電力電子和微電子技術(shù)的進(jìn)步，TSC無功補(bǔ)償裝置正在向模塊化、智能化、自動化方向發(fā)展，未來應(yīng)用將更加廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]沈賦，尹斌，孫維廣，等.基于無功補(bǔ)償晶閘管投切電容器的研究[J].電測與儀表，2015，（9）：87-90.

[2]王思宇.組合式無功補(bǔ)償控制策略研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

（作者單位：國網(wǎng)江蘇省電力公司泰州市姜堰區(qū)供電公司）