TSC無功補償裝置的過零投切過程研究

鄧德衛，暴國輝，梅柏杉

(1.湘潭大學信息工程學院,湖南 湘潭 411105;2.上海電力學院,上海 200090)

TSC無功補償裝置的過零投切過程研究

鄧德衛1，暴國輝1，梅柏杉2

(1.湘潭大學信息工程學院,湖南 湘潭 411105;2.上海電力學院,上海 200090)

構建TSC主電路結構電路模型，應用拉氏變換對其電路模型進行分析，得出TSC投切無過渡過程所應滿足的條件；利用MATLAB的simulink模塊搭建仿真模型，得到了不同投切時刻電容器組的電壓和電流波形，同時對不同拓樸結構TSC的投切過程進行了對比；最后對實際的TSC過零投切過程得出了合理的結論。

無功功率補償；晶閘管；可控硅投切電容器組；過零投切

1 引言

為了更好的利用電能，提高電能質量，TSC(thyristor switching capacitor)無功補償裝置被廣泛的應用在電力系統中。晶閘管相對于傳統的機械開關以及斷路器來說，具有動作迅速，控制精度高[1]等特點；應用電容器組進行無功補償時，不可避免的需要進行電容器組的頻繁投切，如何做到電容器投切過程中無合閘涌流，無電壓閃變，無功補償動態性能良好[2]，是目前TSC無功補償裝置研究設計時所高度關注問題。

2 TSC主電路模型分析

為了電路分析的簡單與方便，將電路中的電阻予以忽略，電路中所應串聯的電抗和系統所有的電抗用L表示，電容器組用C表示，三相電路取其中一相進行分析[3]。這樣所得到的TSC單相電路模型如圖1所示。假設AC電壓源標準的正弦信號，晶閘管為理想開關，忽略其導通壓降和開關損耗，根據基爾霍夫電壓定律，列出電壓方程為：

(1)

對式(1)進行拉氏變換(1)式變化為：

(2)

對(2)式簡單移項變換，將電流I(S)移到式左邊，再進行拉氏反變換可以得到電流i(t)的表達式為：

(3)

(1)自然換相條件：

cosα=0

(4)

(2)零電壓投切條件：

(5)

3 電容器組加放電電路的TSC模型

由上面的推導可知，在實際的TSC裝置中可以通過加放電電路來實現無過渡過程的投切。在電容器組首次進行投切時，電容器的初始電壓值為零，在系統電壓過零時將電容器組投入。此時的投切時機并不滿足上面的投切條件cosα=0，此時式(3)改寫為：

(7)

在首次投切(T=0時)流過電容器組的電流仍為零，但隨后卻不能在系統電壓過零時觸發晶閘管，因為在系統電壓為零時，流過晶閘管中的電流為最大值，晶閘管不能自然關斷，所以后續的晶閘管觸發時刻仍為系統電壓達到峰值的時刻[5,6]。利用MATLAB中simulink仿真工具對加放電電路的TSC模型進行仿真，其仿真結構見圖2。圖中的交流電源為220V、50Hz，VT1和VT2為晶閘管，負載的有功功率設為20kW，負載感性無功也設為20kW，如果達到理想狀態，無功完全得到補償，由此計算得到的電容器的值為0.0013159F，放電電路用電阻與理想開關代替。

3.1 在系統電壓峰值時投入電容器

在系統電壓峰值時投入電容器，電容器的初始電壓值為零，設PulseGenerator1在0.045s時觸發VT2，PulseGenerator在0.05s時觸發VT1，理想開關不發送觸發信號，放電電路斷開，在0.0105s處，停止對晶閘管發送觸發脈沖，在系統電壓峰值時流過晶閘管的電流減小到零，晶閘管自動關斷，從而切除電容器。

觀察示波器波形可知，電容器在峰值時投入時產生了非常大的沖擊電流，流過晶閘管和電容器的沖擊電流都是正常投切的5～6倍，這對電容器的使用壽命很不利，嚴重時還可能會損壞電容器[3]；同時過大的合閘涌流會導致晶閘管的誤動作，晶閘管的發熱量也會量的增加，造成晶閘管燒壞，這對于TSC無功補償裝置的可靠運行是極為不利的。

圖1 TSC單相電路模型

圖2 加放電電路的TSC仿真模型

圖3 電容器在系統電壓峰值時投切波形圖

2.2 加入放電電路，在系統電壓過零時投切

電容器在首次投切后將會有殘壓，假設電容器的殘壓值為200V，設Pulse Generator1在0.04s時觸發VT2，Pulse Generator在0.045s時觸發VT1，理想開關在零時刻發送觸發信號，理想開關開始導通，電容器通過R1開始放電，仿真得到的波形如4圖所示。

圖4 加入放電電路時的電容器組投切波形圖

觀察圖4波形，在0～0.01s這段時間內，電容器通過R1釋放電流，電容器上的電壓在很短的時間內降低到零，這個時候可以在系統電壓過零時投入電容器組，投切過程中無涌流，電壓沒有突變，實現電容器組的反復投切。在實際的TSC無功補償裝置中，增加放電電路增加了TSC裝置的附加成本，同時電容器也無法做到瞬間放電結束，在要求快速補償無功的系統中并不適用。

4 晶閘管與二極管反并聯的TSC裝置

為實現電容器組的無過渡過程投切，也可采用對電容器組預充電的方法，在系統電壓峰值時刻觸發晶閘管。用一個二極管與取代其中的一個晶閘管構成的TSC主電路結構，衍生出了“2+1”“2+2”“1+2”“3+3”[7]等主電路結構，主電路結構如圖5所示。這樣的主電路結構能夠實現電容器的電壓始終為系統電壓的峰值，如果在系統電壓峰值處觸發晶閘管導通，就能滿足理想投切過程的兩個條件。本文采用一個晶閘管與二極管并聯的主電路進行仿真，將圖2中的VT2改為二極管，同時測量VT1的電壓電流裝置改為測量二極管的電壓電流。

圖5 各種TSC主電路結構

仿真圖中的交流電源仍為220V、50Hz，VT1為晶閘管D1為二極管，負載的有功功率仍設為20kw，負載感性無功也設為20kW，在理想狀態下，無功完全補償，設電容器的值為0.0013159F，Pulse Generator產生VT1的導通所需的觸發脈沖。由于電容器中存在殘壓，則假定殘壓為100V，設電容器初始電壓為100V，Pulse Generator在0.045s處發送觸發脈沖，step2不發送觸發脈沖，放電電路不工作，仿真TSC系統得到圖6所示波形。

在電容器未投入電網時，電容器置一段時間后就會自發的放電導致電容器的電壓沒有維持在系統電壓峰值，在0～0.005s這段時間內電容器經過二極管充電，二極管中有充電電流，在0.04s系統峰值時刻投切，投切過程平穩無浪涌電流，在0.0105s處切除電容器，電容器保持峰值電壓。由Diode voltage的信號可以看出，在晶閘管未導通時，二極管的電壓最小值低于400V，所以此時晶閘管承受的反向電壓為兩晶閘管反向并聯的兩倍，這對晶閘管的耐壓性能是一種極大的考驗，在高壓TSC無功補償裝置中，如何提高晶閘管的耐壓是目前存在的一個難題。

圖6 晶閘管與二極管反并聯的TSC仿真波形圖

5 晶閘管兩端電壓過零觸發

在系統電壓峰值切換電容器時，晶閘管兩端的電壓是非常接近于零的，因此可以將晶閘管兩端電壓過零作為投切時機的判斷依據，無論電容器兩端的殘壓值為多少，當電容器的殘壓幅值小于系統電壓的峰值(谷值)時，在系統電壓等于電容器殘壓時投切可使得過渡過程最短；在電容器的殘壓幅值大于系統電壓的峰值(谷值)時，則在系統電壓峰值和谷值處投切使得投切過渡過程最短，合閘涌流最小。仿真模型為圖2所示，斷開放電電路，電源、負載參數不變。①電容器初始值為225V，VT1在0.055s處發送觸發脈沖，VT2在0.045s處發送觸發脈沖，仿真結果如圖7所示；②電容器初始值為110V，VT1在0.045s處發送觸發脈沖，VT2在0.04166s處發送觸發脈沖，仿真結果如圖8所示。

圖7 電容器殘壓幅值大于系統電壓的峰(谷)值投切波形圖

圖8 電容器殘壓幅值小于系統電壓的峰值(谷值)投切波形圖

圖7中電容殘壓高于系統電壓峰值，電容器投切時有沖擊電流但幅值較小，過渡過程時間很短；圖8中電容殘壓低于系統峰值，在晶閘管兩端電壓為零時進行電容器投切，過渡過程幾乎可以忽略，流過電容器的電流波形畸變也非常的小。仿真的結果表明以晶閘管兩端電壓過零作為電容器投切時機的判斷依據，可以實現比較理想的切換，電流與電壓的突變都相當小，過渡過程較為理想。

6 結論

本文通過對TSC模型的數學的推導，得出電容器組實現理想投切過程所需的條件，對現實TSC無功補償裝置所采用的投切控制方法進行了模擬仿真，對比電容器放電方案，電容器充電方案而言，晶閘管兩端電壓過零時投切方案所得到的投切過程更為理想，更適合實際的TSC無功補償裝置的實現，仿真結果為實際TSC無功補償裝置的設置提供了理論依據。

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Research on the Zero-Crosssing Switching Process of TSCReactive Power Compensation Equipment

DENGDe-wei1，BAOGuo-hui1，MEIBai-shan2

(1.The College of Information Engineering of Xiangtan University Xiantan 411105;2.Shanghai University of Electric Power Shanghai 200090)

The paper construct the circuit model of TSC,using Laplace transform to analyze the model,then obtained the condition which non-transition process of TSC switching;this paper construct the simulink model of TSC and debug it.Record the current and voltage waveform of the switching process and contrast different construction of TSC.In the end of this paper,make a true conclusion of process which voltage-zero switching capacitor in reality.

reactive power compensation;thyristor;thyristors switching capacitor;voltage-zero switching

1004-289X(2014)02-0039-04

TM71

B

2013-05-05