晶閘管投切電容器暫態(tài)過程仿真分析及過電壓抑制措施

時(shí)清華，于群，彭菲，周明

（1. 山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島，266590；

2. 山東省菏澤供電公司，山東菏澤，274000）

晶閘管投切電容器暫態(tài)過程仿真分析及過電壓抑制措施

時(shí)清華1，于群1，彭菲1，周明2

（1. 山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島，266590；

2. 山東省菏澤供電公司，山東菏澤，274000）

由于目前電網(wǎng)調(diào)控越來越精準(zhǔn)，并聯(lián)電容器的投切操作也越來越頻繁，電容器的工作狀態(tài)影響著電網(wǎng)供電可靠性與供電質(zhì)量，然而電容器的故障率始終較高。本文針對(duì)這一問題，深入研究了電容器損壞原因機(jī)理，使用Matlab仿真軟件搭建了三相晶閘管投切電容器仿真模型，對(duì)電容器投切操作引起的過電壓、過電流及電網(wǎng)無功功率進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)提出一種過電壓抑制方法，并對(duì)搭建模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：該方法可以有效地抑制操作過電壓，降低電容器損壞率。

并聯(lián)電容器；晶閘管投切電容器；過電壓抑制；放電電路

引言

目前配電網(wǎng)中廣泛使用無功補(bǔ)償裝置用于補(bǔ)償電力系統(tǒng)的無功功率，而并聯(lián)電容器是無功補(bǔ)償裝置中的重要元件，因此電容器的工作狀況直接影響著配電網(wǎng)的穩(wěn)定與電能質(zhì)量［1］。傳統(tǒng)高壓電容器投切普遍采用高壓斷路器，但是由于技術(shù)問題，斷路器重燃率高，操作難度大，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的三相重燃事故［2］。目前，由于TSC控制簡單，工作過程中不產(chǎn)生諧波，可快速重復(fù)投切等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在投切電容器方面應(yīng)用廣泛。

1 晶閘管投切電容器技術(shù)

1.1TSC主電路連接方式

晶閘管投切并聯(lián)電容器主要是由電容器、雙向反并聯(lián)晶閘管開關(guān)和阻抗很小的電抗器組成。電抗器根據(jù)其電抗率的不同，功能也有所不同：電抗率為0.1%～1%的電抗器主要用于抑制合閘涌流，電抗率為4.5%～6%的串聯(lián)電抗器用來抑制三次諧波電流，電抗率為12%～13%的串聯(lián)電抗器用來抑制五次諧波電流［3］。

三相TSC主電路連接方式有四種情況：根據(jù)電容器的連接方式可以分為星型連接和角型連接，星型連接又分為有無中線兩種情況，而角型連接也分為角內(nèi)和角外兩種，各主電路接線方式如圖1所示［4］。其中，（1）稱為角內(nèi)接法，晶閘管處于電容器三角形的內(nèi)部，該方法的晶閘管電流定額較小，但電壓定額較大；（2）稱為角外接法，該方法的弊端在于不易控制，投切時(shí)暫態(tài)過程時(shí)間較長，適用于三相平衡負(fù)載；（3）稱為星型有中線方法，該方法晶閘管電流定額較大，適用于系統(tǒng)電壓波形畸變率很小的情況；（4）稱為星型無中線方法，該方法與（3）相較來說去掉了中線，對(duì)三次諧波有較強(qiáng)的抑制作用，對(duì)系統(tǒng)無污染，該方法適合補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷三相不平衡的情況。

圖1　三相TSC主要接線方法

1.2并聯(lián)電容器投切時(shí)刻選取

為了簡化分析，選取一相進(jìn)行分析，同時(shí)忽略線路阻抗和晶閘管阻抗的影響，單相TSC等效電路圖如圖2所示。其中，AC為正弦電壓源，L為阻抗很小的串聯(lián)小電感，VT1和VT2共同構(gòu)成反并聯(lián)晶閘管開關(guān)，C為電力電容器。

圖2　單相TSC電路模型

根據(jù)基爾霍夫定律，列出電壓方程

對(duì)式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換，可化為

將式（2）中的電流 移到等式左邊，再進(jìn)行拉普拉斯反變換，可求得電流i（t）的表達(dá)式

其中各變量分別可表示為由式（3）可知，投切電容器無過渡過程的條件就在于等式右邊后兩相為零，即或

也即電容器過零投切方式和峰值投切方式。

2 仿真模型搭建及投切仿真

2.1三相TSC仿真模型搭建

利用Matlab軟件搭建三相星型連接TSC模型［5］。三相交流電源參數(shù)為10 kV、50 Hz，線路參數(shù)為50 km、R=13.5Ω、L=0.0637 H，三相反并聯(lián)晶閘管采用星型連接，負(fù)載的有功功率設(shè)置為3 MW，無功功率設(shè)置為3 Mvar，若在理想狀態(tài)下工作，根據(jù)電容器組星型連接時(shí)每相電容器組容量公式

代入上述線路參數(shù)，計(jì)算可得電容器的值為95.5 μF。

2.2峰值投切電容器仿真

峰值投切是指在系統(tǒng)電壓峰值時(shí)投入電容器，也即章節(jié)1.2中式（8）的情況。假設(shè)電容器的初始電壓為零，A相T2管的觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)定為：延時(shí)時(shí)間0.045 s，在系統(tǒng)電壓峰值時(shí)投入電容器，脈沖寬度50%，脈沖周期0.4 s；T1管的觸發(fā)脈沖時(shí)間設(shè)定為：延時(shí)時(shí)間0.055 s，脈沖寬度50%。B、C兩相的觸發(fā)脈沖延時(shí)時(shí)間依次相差120°，即0.006 7 s。A相T2管的觸發(fā)脈沖在0.245 s時(shí)停止，隨后各相觸發(fā)脈沖依次變?yōu)榈碗娢唬瑥亩谐娙萜鳌?/p>

峰值投入電容器波形如圖3所示，以A相為例：

圖3　 峰值投切仿真波形

由峰值投切仿真結(jié)果可知，峰值投切在投入電容器階段會(huì)產(chǎn)生較大的合閘涌流和合閘過電壓，會(huì)對(duì)電容器壽命產(chǎn)生影響，頻繁的投切操作甚至?xí)?dǎo)致電容器的損壞。

2.3帶殘壓的過零投切電容器仿真

過零投切是指系統(tǒng)電壓過零時(shí)投入電容器，也即章節(jié)1.2中式（7）情況。電容器在切除之后，由于下一次投切間隔時(shí)間較短或放電不完全等緣故，可能會(huì)在下一次投入時(shí)，兩端帶有殘壓，帶殘壓的電容器會(huì)對(duì)正常投切產(chǎn)生較大的影響。無論下一次投入電容器時(shí)的殘壓值如何，當(dāng)電容器的殘壓幅值低于系統(tǒng)電壓的峰值時(shí)，若在系統(tǒng)電壓等于電容器殘壓時(shí)投切，可使得過渡過程最短；當(dāng)電容器的殘壓幅值大于系統(tǒng)電壓的峰值時(shí)，則在系統(tǒng)電壓峰值和谷值處投切，可使得過渡過程最短，合閘涌流最小［6］。

仿真模型仍采用章節(jié)2.1所述的模型。第一種情況：設(shè)定電容器投入時(shí)的殘壓初始值為3 kV，A相T2觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)定中，除延時(shí)時(shí)間為0.04 s之外，其它與峰值投切時(shí)參數(shù)設(shè)定相同；B、C兩相觸發(fā)脈沖延時(shí)時(shí)間依次相差120°。第二種情況：電容器投入時(shí)的殘壓初始值為15 kV，各個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖延時(shí)時(shí)間與前述情況設(shè)定一致。

仿真結(jié)果以A相為例，如圖4和圖5所示。

圖4　殘壓低于系統(tǒng)電壓時(shí)的過零投切仿真圖

圖5　殘壓高于系統(tǒng)電壓時(shí)的過零投切仿真圖

由仿真結(jié)果圖4可知，當(dāng)電容器在投入之前兩端有殘壓且殘壓低于系統(tǒng)電壓時(shí)，投入暫態(tài)過程時(shí)間變長，而且會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于峰值投切更嚴(yán)重的過電壓，而此時(shí)進(jìn)行投切操作不會(huì)產(chǎn)生較大的合閘涌流。

由仿真結(jié)果圖5可知，若電容殘壓高于電網(wǎng)電壓峰值，電容器投切時(shí)會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的過電壓與過電流。分析可知，當(dāng)電容器在投入操作前，在兩端有殘壓的情況下均會(huì)產(chǎn)生較大的過電壓和過電流，會(huì)對(duì)頻繁進(jìn)行投切操作的電容器產(chǎn)生損壞，影響電容器的正常工作和工作壽命。抑制電容器過電壓損壞的重點(diǎn)就在于對(duì)殘壓的控制，若其接近為零，則可有效地抑制過電壓損壞。

3 放電模塊搭建及帶放電回路的電容器過零投切仿真

3.1放電模塊搭建

根據(jù)第2章的分析可知：電容器殘壓會(huì)導(dǎo)致電容器投入暫態(tài)過程中時(shí)產(chǎn)生較大的過電壓及合閘涌流，對(duì)電容器的壽命產(chǎn)生積累損壞效應(yīng)，久而久之就會(huì)引起電容器的損壞。因此搭建適當(dāng)?shù)姆烹娀芈房梢杂行У匾种齐娙萜魍肚羞^程中產(chǎn)生的過電壓。放電回路搭建原理如圖6所示。

圖6　放電回路原理圖

根據(jù)圖6的放電回路原理，搭建仿真模型中的放電電路模塊，如圖7所示。

圖7　放電電路模塊

3.2帶放電回路的電容器過零投切仿真

將放電電路添加到仿真模型中。以A相為例，設(shè)置脈沖S在0.025 s時(shí)發(fā)出脈沖，放電回路開始工作，根據(jù)放電電阻參數(shù)設(shè)置公式 可求得放電電阻為50 Ω，仿真模型中的其它參數(shù)均與過零投切時(shí)的參數(shù)一致，得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　帶放電回路的電容器過零投切仿真圖

由帶放電回路的電容器過零投切仿真圖可知：在0.025 s時(shí)，ideal switch觸發(fā)導(dǎo)通，放電回路開始工作，對(duì)電容器兩端殘壓放電；在0.04 s時(shí)，A相晶閘管承受的系統(tǒng)電壓過零，VT2導(dǎo)通，隨后B、C兩相依次導(dǎo)通，TSC補(bǔ)償支路投入工作，經(jīng)過補(bǔ)償之后，系統(tǒng)的無功功率接近零，達(dá)到了無功功率的完全補(bǔ)償，隨后TSC投切支路在0.25 s時(shí)斷開，投切操作完成。在加入放電電路后，幾乎消除了投切過程中的暫態(tài)過程，投切操作過電壓得到了有效地抑制，合閘涌流也在合理的范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文通過構(gòu)建三相TSC仿真模型，對(duì)其投切時(shí)刻進(jìn)行仿真分析。通過對(duì)比峰值投切和帶殘壓的過零投切的仿真結(jié)果特點(diǎn)，利用阻尼放電回路釋放殘壓，達(dá)到限制其操作投切過電壓的目的。仿真結(jié)果表明，在過零投切時(shí)，選取合適的放電電阻參數(shù)可以有效地抑制電容器投切階段暫態(tài)過程，抑制過電壓的產(chǎn)生，有利于降低電容器損壞率。仿真的結(jié)果為實(shí)際高壓并聯(lián)電容器的投切故障保護(hù)提供了理論支持。

［1］王兆安， 楊君， 劉進(jìn)軍， 等. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2005: 140.

［2］陸華. 配電網(wǎng)并聯(lián)補(bǔ)償電容器組操作過電壓的研究［D］. 浙江:浙江大學(xué)， 2006.

［3］畢治軍. 高壓TSC無功補(bǔ)償技術(shù)的研究［D］. 黑龍江: 哈爾濱理工大學(xué)， 2009.

［4］劉紹楠. 基于PIC的TSC型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研究［D］. 北京:北京交通大學(xué)， 2012.

［5］于群， 曹娜. MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2011.

［6］鄧德衛(wèi)， 暴國輝， 梅柏杉. TSC無功補(bǔ)償裝置的過零投切過程研究［J］. 電氣開關(guān)， 2014， 52（2）:39-42.

Transient Process Simulation Analysis for Thyristor Switching Capacitor and Overvoltage Suppression Method

Qinghua Shi1， Qun Yu1， Fei Peng1， Ming Zhou2（1. College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology，Qingdao， Shandong， 266590， China；（2.Shandong Heze Power Supply Company， Heze， Shandong， 274000， China）

Due to the increasingly accuracy of power grid control and frequency of parallel capacitor switching， the working state of capacitor affects reliability and quality of power supply. However，the malfunction rate of capacitor remains high. This paper deeply analyzes mechanism of capacitor malfunction， uses Matlab simulator for the model establishment of triphase thyristor switching capacitor，as to analyze overvoltage， overcurrent and reactive power oriented from operation of thyristor switching. Meanwhile， we put forward an over voltage suppression method and validate through established module. The modeling results show that our method is capable of suppressing overvoltage operation and decreasing the malfunction rate of capacitor.

Parallel Capacitor； Thyristor Switching Capacitor； Overvoltage Suppression； Discharge Circuit

TM772

A

2095-8412 （2016） 04-787-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.056

時(shí)清華（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。E-mail: sqhddb_110@163.com