晶閘管過零投切技術(shù)在TSC中的應(yīng)用＊

錢 飛 王 玨 黃 偉

（中國船舶重工集團第七二二研究所 武漢 430074）

1 引言

在電力系統(tǒng)中，無功補償是非常必要的，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，電壓質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運行所必不可少的部分。靜止無功補償器（SVC）是比較常用的無功補償設(shè)備。但SVC的重要組成部分TSC的電容投切卻是一個難點，很難做到響應(yīng)迅速，同時沒有沖擊。本文討論之前的幾種做法，并提出新的過零投切方法。

2 TSC投切電容器組的原理和要求

TSC投切電容器最主要的問題和難點就是需要響應(yīng)迅速并且沒有電流沖擊。抽象一組電容器投切閥組，其拉氏變換的方程式：

又由于電網(wǎng)的電壓為

將式（2）代入到式（1）中，我們不難得到：

從式（3）中，可以看到有三個部分組成，第一個部分是穩(wěn)態(tài)電流，第二個部分是電容的諧振沖擊電流，第三個投切時刻電容幅值。如果希望在電容器投切的時候沒有沖擊從而形成浪涌電流。那么就需要第二部分和第三部分全部為零或接近零。因此可以分析出它必須滿足以下三個條件：

1）保持準(zhǔn)備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)電壓的正或負峰值。

2）選擇投入的時刻是電容上的電壓和電網(wǎng)的電壓幅值相等，極性相同的時刻。

3）切除時觸發(fā)信號只要取消觸發(fā)信號即可，晶閘管在電流過零后自動關(guān)閉。

3 目前投切方法和問題

目前TSC投切有兩種主要的方式：第一種方法在電網(wǎng)電壓過零的時候投切電容器，這種做法會受到電容器本身的放電時間所限制，即電容器在投入到切除后，電容器所帶的電能需要一個放電電阻去放電，來使其電壓為零，這樣才可以再次投入。只有這樣才可以避免在投入時產(chǎn)生大電流沖擊，而這樣的一個放電過程需要時間大約是三分鐘。必須要等待電容器放電完成之后再給投入觸發(fā)信號。這樣就做不到響應(yīng)迅速，無功設(shè)備也無法保證補償及時。第二種方法先給電容組充電，當(dāng)電容組的電壓為電網(wǎng)電壓峰值的時候來投切。這種做法的缺點是因為當(dāng)無功補償設(shè)備的容量和變壓器容量相當(dāng)?shù)臅r候，單方面的充電會引起變壓器的飽和，造成電力電網(wǎng)系統(tǒng)的問題。并且在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障的時候。電容器會放電，加倍釋放出電流，造成電容器的燒毀和加劇電網(wǎng)系統(tǒng)短路故障的破壞力。

以上的兩種方法均無法滿足對無功負載進行響應(yīng)快速，無沖擊電流和分相補償?shù)囊蟆ａ槍σ陨戏椒ǖ娜秉c，本文設(shè)計了一種新型的無功補償投切方法。它是以晶閘管兩端的電壓過零點進行投切，電容器投入的時候電網(wǎng)電壓是可以不確定的，而且投切的時候不需要電容電壓降到零點，20ms內(nèi)就可以投切，響應(yīng)迅速。所以它完全可以滿足所需要無功負載進行響應(yīng)快速，無沖擊電流和分相補償?shù)囊蟆?/p>

4 晶閘管兩端采集過零信號的觸發(fā)電路

基于以上幾種情況的分析，不難得出本文設(shè)計的電路來投切電容器，最理想的狀態(tài)就是不讓電容器的電壓發(fā)生突變。由于電容上的電壓和電網(wǎng)電壓的差值基本就是為晶閘管兩端的電壓差，所以只要在晶閘管兩端的電壓差為零的時候來投切電容器，基本就可以來滿足要求。

圖1 過零投切算法流程圖

如圖1所示，晶閘管電壓信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換和限幅電路之后，就基本可以得到一個電壓不是很高的，相位和電網(wǎng)完全一致的電壓信號。通過一個過零點檢測電路（內(nèi)含隔離電路），可以得到一個隔離開的過零點脈沖信號。再和控制器給出的投切信號進行一系列的邏輯控制電路，以及延時電路基本就可以得到我們的觸發(fā)信號。再由觸發(fā)的電路中的調(diào)制電路，以及驅(qū)動電路，就可以得到所需要的那個投切時刻的觸發(fā)脈沖。

圖2 過零投切采樣驅(qū)動圖

在DSP作為控制器核心，控制觸發(fā)的2控3電路中的應(yīng)用。由于第一次投切的電容器上是沒有直流電壓的，是一種不理想的狀態(tài)，必然有一定的沖擊，當(dāng)沖擊電流不高于正常穩(wěn)定電流的1.7倍時，可以認為這樣的沖擊對晶閘管和電容器的使用沒有影響。停止投切后，電容器上有電網(wǎng)峰值電壓，晶閘管在電網(wǎng)電壓和電容器直流電壓的合成作用下過零點觸發(fā)，應(yīng)該沒有沖擊電流。新觸發(fā)電路達到了快速20ms動作，兩路晶閘管都動作，無電流沖擊，晶閘管在關(guān)斷時承受的電壓低，最大為3倍的有效值電壓。一般在400V電網(wǎng)中選擇的晶閘管耐壓值會到1600V以上，完全可以滿足指標(biāo)。采樣驅(qū)動電路如圖2所示。

為了檢驗本文理論的情況，我們做了如下的實驗，取得了良好的實驗效果，也充分說明了晶閘管兩端采集過零信號的觸發(fā)電路的有效性和實用性。實驗中，采用了西安電容器廠的自愈式并聯(lián)電容器，電容器的型號為BSMJ0.47－30－3，額定電流為21A。用雙跟蹤示波器測試波形。一只表筆測量晶閘管兩端的電壓，另一只測量晶閘管的電流波形結(jié)果。既可以看出晶閘管是否在過零點投入，又可以看出投入時的電流沖擊。由于使用兩個開關(guān)控制三相電路，用雙跟蹤示波器分別測量兩路的電壓電流，就可以完整的觀察到觸發(fā)器運行的效果。

圖3 A相電壓和C相電流動作波形圖

如圖3所示，圖中顯示的是A相電壓和C相電流的動作波形，在100ms檔上的，我們反復(fù)投切電容器組。得到如圖4的波形。

圖4 100ms／Div A相電壓和C相電流波形圖

第一個周期會有一定的沖擊，沖擊電流為32A，穩(wěn)態(tài)工作電流為24A，沖擊比為1.33倍。而且在20ms內(nèi)反復(fù)投切，沒有任何故障，安全可靠。完全可以滿足我們所需要無功負載進行響應(yīng)快速，無沖擊電流和分相補償?shù)囊蟆?/p>

5 結(jié)語

以上分別以原理和實驗來介紹和證明，本文所設(shè)計的投切方法具有以下幾點優(yōu)勢：

1）響應(yīng)速度快，投切電容器時間無要求。突破了電容器本身固有的放電時間限制，顯著地提高的無功補償?shù)膶崟r性和準(zhǔn)確性。

2）沖擊電流小。防止了因為沖擊電流造成的電容器損壞和故障。

3）應(yīng)用范圍廣闊。適合TSC的不同主回路、不同電壓等級和不同的晶閘管形式，投切效果均良好。

［1］楊建寧.三種晶閘管投切電容器TSC主回路的分析［C］／／西安：2006年電力電容器學(xué)術(shù)年會論文集，2006：20－23.

［2］王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006：189－194.

［3］楊建寧.兩種新型晶閘管投切電容器組的補償裝置的主電路及觸發(fā)方式［J］.電力電容器，2005（1）：11－13.

［4］姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè).電力系統(tǒng)并聯(lián)補償：結(jié)構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用［M］.科學(xué)出版社，2004：67－89.

［5］Laszlo Gyugyi.Power Electronics In Electrics Utilities Static Var Compensators［J］.Proceedings of the IEEE，1998，26（4）.

［6］袁光明，張波，王丹，等.晶閘管投切電容器的最佳編碼方式與最優(yōu)投切閥值的數(shù)學(xué)分析和應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（23）：43－46.

［7］Su Hongsheng，Li Qunzhan.Rough controlling TSC for reactive current compensation in traction substations［C］／／Conference Proceedings of CES／IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference，Shanghai，2006.

［8］谷永剛，肖國春，裘云慶，等.晶閘管投切電容器（TSC）技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電力電子技術(shù)，2003，37（2）：85－88.

［9］趙世偉，傅培眾，張韶鋒，等.安鋼高線低壓TSC動態(tài)無功補償及諧波濾波系統(tǒng)［J］.特殊鋼，2003，24（2）：31－32.

［10］馬社芳，高娜，秦建章，等.TSC動態(tài)無功補償在Ф250mm機組的應(yīng)用［J］.機械加工與自動化，2003（4）：2－3.