基于空間矢量的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切方法

徐 沖，劉振興 ，喬正盛，鄭 重

（1.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢 430081；2.武新電氣科技有限公司 湖北 武漢 430345）

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置日益廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，無(wú)功不足和諧波的危害日益突出。因此無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制就為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)而顯得尤為重要。從而需要無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制裝置投入運(yùn)行以消除影響，晶閘管投切電容器（TSC）就是一種廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置[2]。可TSC在實(shí)際工程中出現(xiàn)一些的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了補(bǔ)償效果，甚至給系統(tǒng)帶來(lái)負(fù)面作用，給電力系統(tǒng)帶來(lái)潛在威脅，所以有必要對(duì)其進(jìn)一步研究并予以解決。

1 概 況

根據(jù)晶閘管和電容器的連接方式分類(lèi)，可以把TSC分為4種類(lèi)型：星形有中線(xiàn)、星形無(wú)中線(xiàn)、外三角形（角外）、內(nèi)三角形角（角內(nèi)）[3]。除了第一種可以實(shí)現(xiàn)單相補(bǔ)償外，其余三種都只能實(shí)現(xiàn)共補(bǔ)。而在當(dāng)前工程上主要采用第一種和第三種連接方式，其中第三種占絕大部分。而文中主要研究第三種連接方式，其具體連接如圖1所示。

圖1 TSC角外連接主電路圖Fig.1 Main circuit of TSC angle external connection

角外連接方式被廣泛應(yīng)用的主要原因在于市場(chǎng)上三相電容器內(nèi)部已角連，給第三種連接方式的帶來(lái)很大優(yōu)勢(shì)，包括工藝簡(jiǎn)單、檢查容易、單機(jī)容量更大，平均成本減少等[4]。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，在負(fù)載變化比較頻繁時(shí)，投切電容器出現(xiàn)不同步導(dǎo)通現(xiàn)象，即其中一相滯后另外兩相5～30 s左右導(dǎo)通，嚴(yán)重影響了補(bǔ)償效果[5]。

2 原 理

假設(shè)電網(wǎng)線(xiàn)電壓為：

因?yàn)樨?fù)載為容性（電抗率較小，可忽略），則流過(guò)晶閘管的電流超前相電壓90度，又線(xiàn)電壓超前相電壓30度，所以導(dǎo)通后流過(guò)晶閘管的電流應(yīng)為：

由于晶閘管關(guān)斷條件為給出關(guān)斷信號(hào)，并出現(xiàn)反向電流后關(guān)斷。將三相晶閘管電流進(jìn)行矢量分區(qū)如圖2所示，將其分為6個(gè)連續(xù)的區(qū)間，對(duì)應(yīng)6種不同的關(guān)斷順序。在此，如選擇區(qū)域I作為關(guān)斷區(qū)域時(shí)，及在區(qū)域I期間內(nèi)給出關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷順序?yàn)?C、B、A。

圖2 晶閘管電流矢量原理圖Fig.2 Principle diagram of thyristor current vector

當(dāng)C相晶閘管關(guān)斷時(shí)，即ithc=0ithc=0，結(jié)合圖2分析可知，該過(guò)零點(diǎn)為下降中的過(guò)零點(diǎn)， 則可令ωt=3π/2+2kπ，k=0、1、2…，此時(shí)：

電容電壓：

參考圖1主電路，C相晶閘管關(guān)斷后，回路改變，電容器C2與C3串聯(lián)后，與C1并聯(lián)，電容器C1保持原有狀態(tài)繼續(xù)充放電，而電容器C2與電容器C3串聯(lián)后容抗增大一倍，充電電流減小一半。A相和B相形成回路，在該回路上電流出現(xiàn)零點(diǎn)時(shí)，A相和B相上晶閘管才關(guān)斷。

在 C 相關(guān)斷時(shí)刻，uab=Umcos（3π/2+2kπ）=0，上升中的零點(diǎn)。

所以，電流從最大值到零點(diǎn)還需1/4周期，即到三相全部關(guān)掉還需1/4周期。最后各個(gè)電容器殘壓為：

在電流矢量第一區(qū)域內(nèi)關(guān)斷時(shí)，各電容器上出現(xiàn)以上殘壓值，不難觀(guān)察得到，C相晶閘管兩端電壓被電容器C2殘壓＞Um抬升后，短時(shí)間內(nèi)是不存在零點(diǎn)的，如果嚴(yán)格按照三相過(guò)零觸發(fā)條件，B相晶閘管端電壓在A(yíng)相和C相晶閘管導(dǎo)通后，其兩端電壓出現(xiàn)抬升而沒(méi)有零點(diǎn)，在未放電前提下是不會(huì)導(dǎo)通的。而在B相先導(dǎo)通后，接著A相晶閘管導(dǎo)通，C相晶閘管端電壓由于B相的導(dǎo)通對(duì)C2電壓放電后出現(xiàn)零點(diǎn)導(dǎo)通。

3 解決方案

在不同區(qū)域關(guān)斷，各電容殘壓不同，對(duì)應(yīng)適當(dāng)順序才能正常同步導(dǎo)通。以上只分析了一種情況，其他情況可類(lèi)似分析。通過(guò)上述原理性分析，提出以下開(kāi)通和關(guān)斷策略：

關(guān)斷策略：選擇區(qū)域I作為關(guān)斷區(qū)域時(shí)，及在區(qū)域I期間內(nèi)給出關(guān)斷信號(hào)，因而關(guān)斷順序?yàn)镃、B、A。也可選擇圖2中給出的其他區(qū)域，對(duì)應(yīng)推導(dǎo)出能夠同步開(kāi)通的開(kāi)通順序即可。

開(kāi)通策略：在上述條件下，只要B相晶閘管能導(dǎo)通，其余兩相是可以過(guò)零導(dǎo)通的。為此，分析外三角共補(bǔ)特點(diǎn)，先直接導(dǎo)通B相，無(wú)需過(guò)零檢測(cè)。在B相完全導(dǎo)通后，在過(guò)零判斷開(kāi)通A相和C相，實(shí)現(xiàn)三相同步導(dǎo)通。

整個(gè)投切過(guò)程中，關(guān)斷時(shí)刻決定了關(guān)斷后各電容的殘壓大小，從而決定了對(duì)應(yīng)的開(kāi)通順序。所以，對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)斷順序，只有一種可行的開(kāi)通順序。而上述分析僅僅只對(duì)一種關(guān)斷區(qū)域進(jìn)行了分析，其余5個(gè)區(qū)域也有類(lèi)似結(jié)論。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真條件：

電源相電壓：Ua=220 V；負(fù)載：阻感性負(fù)載 P=200 kW、QL=100 kVar；單相電容：450 V 10 kVar；串連電抗：L=1.298 mH 電抗率（6%）。主電路采用角外連接方式，具體如圖3、圖4所示。

傳統(tǒng)觸發(fā)方案：正常過(guò)零開(kāi)通三相，三相開(kāi)通信號(hào)和關(guān)斷信號(hào)同步，周期為1 s，其中0～0.557 s發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，且在0.557～1 s發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，（0.557 s處于第 I區(qū)域），重復(fù)通斷。仿真結(jié)果如下所示。

圖3 TSC系統(tǒng)仿真電路模型圖Fig.3 TSC circuit model simulational system

圖4 TSC主電路仿真模型Fig.4 TSC main circuit simulational system

當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，晶閘管端電壓為零，對(duì)應(yīng)晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，其端電壓不為零，由電容殘壓和電網(wǎng)電壓決定。此種情況下，在第一周期時(shí)，電容上無(wú)殘壓，三相可同步導(dǎo)通。第二周期開(kāi)始，A相和C相能正常導(dǎo)通，B相晶閘管無(wú)法連續(xù)導(dǎo)通，兩端電壓波形如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)觸發(fā)下晶閘管端電壓波形圖Fig.5 Voltage waveform of the traditional triggering thyristor tube

改進(jìn)觸發(fā)方案：A和C相過(guò)零觸發(fā)，B相為強(qiáng)制觸發(fā)，三相開(kāi)通信號(hào)不同步，關(guān)斷信號(hào)同步，周期為1 s，其中0～0.557 s發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，且在0.557～1 s發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，（0.557 s處于第I區(qū)域），重復(fù)通斷。在發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，要求先給出B想強(qiáng)制開(kāi)通信號(hào)，待其導(dǎo)通后，在給出A相和C的過(guò)零觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，仿真結(jié)果如下所示。

此種情況下，三相晶閘管能同步導(dǎo)通，兩端電壓波形如圖6所示。

圖6 改進(jìn)觸發(fā)下晶閘管端電壓波形圖Fig.6 Voltage waveform of improve the trigger thyristor tube

對(duì)比改進(jìn)前后晶閘管端電壓波形圖可知，改進(jìn)觸發(fā)方式后，三相晶閘管能實(shí)現(xiàn)同步導(dǎo)通。并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上也驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

5 結(jié) 論

目前，角外連接的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用十分廣泛，而文中提出的投切策略，對(duì)其在需快速投切工況下的正常運(yùn)行有著重要意義[6]。此種策略不僅僅適用于角外連接的TSC，同樣在晶閘管投切濾波器（TSF）和二控三結(jié)構(gòu)的TSC中也同樣適用。并且該策略簡(jiǎn)單易行，控制效果明顯，在保證觸發(fā)可靠性的同時(shí)，能有效的提高補(bǔ)償效果，并減小對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)面影響。

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