晶閘管過零投切技術在TSC中的應用＊

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

在電力系統中，無功補償是非常必要的，是保證電力系統電能質量，電壓質量，降低網絡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，第一個部分是穩態電流，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）保持準備投入的電容器上的電壓為電網電壓的正或負峰值。

2）選擇投入的時刻是電容上的電壓和電網的電壓幅值相等，極性相同的時刻。

3）切除時觸發信號只要取消觸發信號即可，晶閘管在電流過零后自動關閉。

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信號。這樣就做不到響應迅速，無功設備也無法保證補償及時。第二種方法先給電容組充電，當電容組的電壓為電網電壓峰值的時候來投切。這種做法的缺點是因為當無功補償設備的容量和變壓器容量相當的時候，單方面的充電會引起變壓器的飽和，造成電力電網系統的問題。并且在電網系統發生短路故障的時候。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系統短路故障的破壞力。

以上的兩種方法均無法滿足對無功負載進行響應快速，無沖擊電流和分相補償的要求。針對以上方法的缺點，本文設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內就可以投切，響應迅速。所以它完全可以滿足所需要無功負載進行響應快速，無沖擊電流和分相補償的要求。

4 晶閘管兩端采集過零信號的觸發電路

基于以上幾種情況的分析，不難得出本文設計的電路來投切電容器，最理想的狀態就是不讓電容器的電壓發生突變。由于電容上的電壓和電網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，晶閘管電壓信號經過電平轉換和限幅電路之后，就基本可以得到一個電壓不是很高的，相位和電網完全一致的電壓信號。通過一個過零點檢測電路（內含隔離電路），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信號。再由觸發的電路中的調制電路，以及驅動電路，就可以得到所需要的那個投切時刻的觸發脈沖。

圖2 過零投切采樣驅動圖

在DSP作為控制器核心，控制觸發的2控3電路中的應用。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，必然有一定的沖擊，當沖擊電流不高于正常穩定電流的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，電容器上有電網峰值電壓，晶閘管在電網電壓和電容器直流電壓的合成作用下過零點觸發，應該沒有沖擊電流。新觸發電路達到了快速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電網中選擇的晶閘管耐壓值會到1600V以上，完全可以滿足指標。采樣驅動電路如圖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，穩態工作電流為24A，沖擊比為1.33倍。而且在20ms內反復投切，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快速，無沖擊電流和分相補償的要求。

5 結語

以上分別以原理和實驗來介紹和證明，本文所設計的投切方法具有以下幾點優勢：

1）響應速度快，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的實時性和準確性。

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年電力電容器學術年會論文集，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方式［J］.電力電容器，2005（1）：11－13.

［4］姜齊榮，謝小榮，陳建業.電力系統并聯補償：結構、原理、控制與應用［M］.科學出版社，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投切閥值的數學分析和應用［J］.電網技術，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）技術的研究現狀與發展［J］.電力電子技術，2003，37（2）：85－88.

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

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