基于空間矢量的動態無功補償裝置的投切方法

徐 沖，劉振興 ，喬正盛，鄭 重

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

隨著現代工業技術的發展，電力電子裝置日益廣泛應用于電力系統，無功不足和諧波的危害日益突出。因此無功補償和諧波抑制就為實現上述目標而顯得尤為重要。從而需要無功補償和諧波抑制裝置投入運行以消除影響，晶閘管投切電容器（TSC）就是一種廣泛應用于配電系統的動態無功補償裝置[2]。可TSC在實際工程中出現一些的問題，嚴重影響了補償效果，甚至給系統帶來負面作用，給電力系統帶來潛在威脅，所以有必要對其進一步研究并予以解決。

1 概 況

根據晶閘管和電容器的連接方式分類，可以把TSC分為4種類型：星形有中線、星形無中線、外三角形（角外）、內三角形角（角內）[3]。除了第一種可以實現單相補償外，其余三種都只能實現共補。而在當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用的主要原因在于市場上三相電容器內部已角連，給第三種連接方式的帶來很大優勢，包括工藝簡單、檢查容易、單機容量更大，平均成本減少等[4]。但是在實際工程應用中，在負載變化比較頻繁時，投切電容器出現不同步導通現象，即其中一相滯后另外兩相5～30 s左右導通，嚴重影響了補償效果[5]。

2 原 理

假設電網線電壓為：

因為負載為容性（電抗率較小，可忽略），則流過晶閘管的電流超前相電壓90度，又線電壓超前相電壓30度，所以導通后流過晶閘管的電流應為：

由于晶閘管關斷條件為給出關斷信號，并出現反向電流后關斷。將三相晶閘管電流進行矢量分區如圖2所示，將其分為6個連續的區間，對應6種不同的關斷順序。在此，如選擇區域I作為關斷區域時，及在區域I期間內給出關斷信號，關斷順序為 C、B、A。

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

當C相晶閘管關斷時，即ithc=0ithc=0，結合圖2分析可知，該過零點為下降中的過零點， 則可令ωt=3π/2+2kπ，k=0、1、2…，此時：

電容電壓：

參考圖1主電路，C相晶閘管關斷后，回路改變，電容器C2與C3串聯后，與C1并聯，電容器C1保持原有狀態繼續充放電，而電容器C2與電容器C3串聯后容抗增大一倍，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零點時，A相和B相上晶閘管才關斷。

在 C 相關斷時刻，uab=Umcos（3π/2+2kπ）=0，上升中的零點。

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

在電流矢量第一區域內關斷時，各電容器上出現以上殘壓值，不難觀察得到，C相晶閘管兩端電壓被電容器C2殘壓＞Um抬升后，短時間內是不存在零點的，如果嚴格按照三相過零觸發條件，B相晶閘管端電壓在A相和C相晶閘管導通后，其兩端電壓出現抬升而沒有零點，在未放電前提下是不會導通的。而在B相先導通后，接著A相晶閘管導通，C相晶閘管端電壓由于B相的導通對C2電壓放電后出現零點導通。

3 解決方案

在不同區域關斷，各電容殘壓不同，對應適當順序才能正常同步導通。以上只分析了一種情況，其他情況可類似分析。通過上述原理性分析，提出以下開通和關斷策略：

關斷策略：選擇區域I作為關斷區域時，及在區域I期間內給出關斷信號，因而關斷順序為C、B、A。也可選擇圖2中給出的其他區域，對應推導出能夠同步開通的開通順序即可。

開通策略：在上述條件下，只要B相晶閘管能導通，其余兩相是可以過零導通的。為此，分析外三角共補特點，先直接導通B相，無需過零檢測。在B相完全導通后，在過零判斷開通A相和C相，實現三相同步導通。

整個投切過程中，關斷時刻決定了關斷后各電容的殘壓大小，從而決定了對應的開通順序。所以，對應一個關斷順序，只有一種可行的開通順序。而上述分析僅僅只對一種關斷區域進行了分析，其余5個區域也有類似結論。

4 仿真實驗

仿真條件：

電源相電壓：Ua=220 V；負載：阻感性負載 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。

傳統觸發方案：正常過零開通三相，三相開通信號和關斷信號同步，周期為1 s，其中0～0.557 s發出導通信號，且在0.557～1 s發出關斷信號，（0.557 s處于第 I區域），重復通斷。仿真結果如下所示。

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

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

當晶閘管導通時，晶閘管端電壓為零，對應晶閘管未導通時，其端電壓不為零，由電容殘壓和電網電壓決定。此種情況下，在第一周期時，電容上無殘壓，三相可同步導通。第二周期開始，A相和C相能正常導通，B相晶閘管無法連續導通，兩端電壓波形如圖5所示。

圖5 傳統觸發下晶閘管端電壓波形圖Fig.5 Voltage waveform of the traditional triggering thyristor tube

改進觸發方案：A和C相過零觸發，B相為強制觸發，三相開通信號不同步，關斷信號同步，周期為1 s，其中0～0.557 s發出導通信號，且在0.557～1 s發出關斷信號，（0.557 s處于第I區域），重復通斷。在發出導通信號時，要求先給出B想強制開通信號，待其導通后，在給出A相和C的過零觸發導通信號，仿真結果如下所示。

此種情況下，三相晶閘管能同步導通，兩端電壓波形如圖6所示。

圖6 改進觸發下晶閘管端電壓波形圖Fig.6 Voltage waveform of improve the trigger thyristor tube

對比改進前后晶閘管端電壓波形圖可知，改進觸發方式后，三相晶閘管能實現同步導通。并在實驗平臺上也驗證了該控制策略的有效性。

5 結 論

目前，角外連接的動態無功補償裝置應用十分廣泛，而文中提出的投切策略，對其在需快速投切工況下的正常運行有著重要意義[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）和二控三結構的TSC中也同樣適用。并且該策略簡單易行，控制效果明顯，在保證觸發可靠性的同時，能有效的提高補償效果，并減小對電力系統的負面影響。

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