新型復合開關在電能質量治理領域的典型應用

周云斌++何硯德+++李鵬+++付永生

摘 要：文章首先介紹了一種新型電力電子復合開關的設備組成、工作原理，然后針對在電能質量治理領域的兩個典型應用——投切無功補償電容器和快速電源切換進行了分析，最后并通過仿真驗證了該電力電子復合開關的優越性能。

關鍵詞：電力電子復合開關；電能質量；無功補償；快速電源切換

引言

常規機械開關的合閘時間一般大于40ms，分閘時間一般大于100ms，且無法做到分相過零投切；晶閘管開關可以實現零電壓接通和零電流關斷，也比較容易做到分相控制，但它在導通時有較大（相對機械開關）的功率損耗，需要加裝體積龐大的散熱系統。文章介紹的新型復合開關把機械開關和晶閘管開關的優點結合起來，在開關接通或斷開的幾十毫秒內，由晶閘管開關工作，實現零電壓接通和零電流關斷，在持續導通過程中則由機械開關工作，功率損耗幾乎為零，并且具有響應速度快、占地面積小、控制方式靈活等諸多優點，因此在對開關性能及響應時間要求較為嚴格的電能質量治理領域獲得了廣泛應用。

1 無沖擊自動投切電容器

目前，供電公司供電可靠性雖然已經能夠達到99.9%，但仍然面臨著一系列電能質量問題。一方面是由于電網結構所致，另一方面是電力用戶大量非線性、沖擊性、低功率因數負荷例如軋機、電爐、整流設備的接入所致。使得電力系統面臨著較為嚴重的電壓偏差和電壓波動等問題，影響了電力系統安全和用戶生產。當前解決電壓偏差與電壓波動問題普遍采用的手段是有載調壓變壓器和機械開關投切電容器。

有載分接開關無法快速調節，且受操作壽命次數限制，無法頻繁投切，投切過程也容易產生一定的過電壓。機械開關投切電容器的缺點在于無法分相控制，且無法在過零點投切，因此在投切電容器時會產生幾倍于電容器補償支路額定電流的沖擊涌流，投切涌流中包含了大量的諧波分量。由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過負荷而嚴重影響其使用壽命。分閘后，電容器放電，端口電壓由機械開關端口承受，此時發生開關重燃現象會產生過電壓而損害電容器。機械開關分合閘時間長，分閘時間一般在40ms左右，合閘時間一般在100ms左右，不能夠頻繁的投切，容易導致功率因數低下，不能滿足無功補償的需求。

隨著智能電網的發展，現在對無功補償裝置提出的要求越來越多，如實時投切，無擾動投切等。鑒于此，可以采用復合開關的方式來達到上述目的。

原理圖圖2所示：

投入電容器時，由晶閘管閥組首先導通，導通時刻為在閥端電壓過零點，實現電容器的無涌流過零投入。晶閘管導通是，同時發送機械開關閉合命令，閉合機械開關，機械開關保持投入，電流自然轉移到機械開關支路，此時晶閘管閥組關斷，由此完成了電容器的電壓過零投入。

切除電容器時，打開機械開關，瞬間發送晶閘管觸發命令，觸通晶閘管閥組，電流轉移到晶閘管閥組支路，機械開關自然滅弧，之后撤銷晶閘管觸發命令，晶閘管閥組電流過零自關斷，實現了電容器的電流過零自動切除。

根據機械開關和復合開關投切電容器的工作原理，搭建兩種開關投切電容器的PSCAD仿真模型。模擬仿真兩種開關投入電容器的波形，仿真結果如圖3、圖4所示。

從仿真波形可以看出：采用機械開關投切電容器組時，電容器支路會有數倍于額定電流的沖擊涌流，支路電流波形嚴重畸變；而采用復合開關投入電容器時，則避免了投切涌流的產生，能夠保證電容器長期安全穩定運行以及頻繁投切，特別適合投切大容量、投切頻繁、響應時間要求高的無功補償場合。

2 快速雙電源切換

電壓暫降和短時中斷是對用戶影響較大的暫態電能質量問題。目前的解決方案一般是采用機械開關備自投方式，但是機械開關動作時間長，投切涌流大，中間會有一個斷電時間，而對敏感負荷來說，即便切換成功，一樣會造成停機，如芯片生產企業或者食品加工企業。

針對敏感負荷企業，可采用文章提到的復合開關技術來實現快速電源切換可以解決上述問題，其基本原理圖如圖5所示。

復合開關技術實現快速電源切換可的過程如圖6所示。

（1）電源切換前，負荷由主電源供電，此時主電源復合開關中的機械開關部分PS1閉合，晶閘管閥TS1關斷，電流流經PS1為負荷供電；備用電源復合開關中的機械開關部分PS2斷開，晶閘管閥TS2關斷。

（2）當控制系統檢測到需要進行線路切換時，打開主電源復合開關中的機械開關部分PS1，同時觸發晶閘管閥TS1，此時負荷電流流經TS1為負荷供電；機械開關部分PS2斷開，晶閘管閥TS2關斷。

（3）當檢測到晶閘管閥TS1中的電流過零關斷后，立刻觸發備用電源復合開關中的晶閘管閥TS2導通。此時負荷由備用電源供電，電流流經晶閘管閥TS2為負荷供電。

（4）閉合備用電源復合開關中的機械開關部分PS2，關斷晶閘管閥TS2，此時電流流經機械開關PS2為負荷供電，完成了整個切換過程。

從復合開關快速切換雙電源的過程可知，只有在切換過程的短時間內，主、備線路上的復合開關晶閘管閥組才會導通（各個晶閘管閥導通時間一般不超過100ms），因此晶閘管閥的損耗很小，一般自然冷卻即可滿足晶閘管的安全運行。

負荷開關技術實現了故障電源到備用電源快速切換功能，切換時間一般可達到15ms以內，從而保證了負荷的不間斷供電，提高了供電可靠性。

3 結束語

文章從電能質量應用角度出發，重點分析了基于可控硅的電力電子復合開關在無功補償和快速電源切換中的應用，并通過仿真和現場試驗的波形進行驗證，證明了該電力電子復合開關的快速性、無擾動、無沖擊性，除文章介紹的兩種典型應用外，還可以用作其他如變壓器分級調壓等場合，應用前景十分廣闊。