串联晶闸管阀组触发电路设计

王 莉 申 宁 庞延庆

1.山东省电力学校 山东 泰安 271000；2.山东泰开电力电子公司 山东 泰安 271000

0 引言

电力系统中，变压器、异步电机等设备要消耗大量的无功功率，这些无功功率如果不能及时地得到补偿，会对电网安全、稳定运行产生不利影响。目前在电力系统中广泛采用机械开关投切电容器组进行无功补偿，由于机械开关动作速度慢以及动作时间的分散性，这使得投切电容器组时不可避免的会产生涌流以及过电压，不能实时跟踪系统的无功变化，无法实现动态无功补偿。

高压TSC利用大功率晶闸管串联组成高压交流无触点开关投切电容器组，由于它采用晶闸管作为开关，可以对晶闸管的开通时刻进行精确控制，确保电容器组投切过程中无涌流、无过电压产生。高压TSC装置具有快速响应性、可频繁投切电容器组等优点，可对冲击性、快速周期变化无功负荷进行动态无功补偿，能够有效地抑制这些负荷所引起的电压波动问题［1］。

1 常见串联晶闸管阀组触发电路

高压TSC的关键技术之一就是串联晶闸管阀组的触发电路设计。串联晶闸管阀组触发电路要求具有以下特点：

1）触发电路必须具备可靠的绝缘能力，能够保证处于低压侧的控制电路的安全；

2）为了防止出现过电压击穿现象，串联晶闸管在触发时，门极触发脉冲的前沿越陡，越有利于串联晶闸管的同时触发。

串联晶闸管阀组触发电路主要有自取能光电触发电路和电磁触发电路两种。自取能光电触发电路利用光纤传递晶闸管触发信号并实现对高低压电路进行隔离，触发电路在高压侧，触发电路从晶闸管阻尼回路中取能并根据光纤传来的触发信号对晶闸管进行触发，这种电路的优点是高低压隔离可靠、抗干扰强等，其缺点是触发电路复杂、成本较高等［2］。电磁触发电路利用脉冲变压器触发晶闸管并实现高低压电路之间的隔离，具有可靠性高、电路简单、成本低等优点。

由于高压TSC工作时，串联晶闸管阀组导通，阀组两端电压为零，因此无法从阻尼回路中取能用于触发晶闸管，故自取能光电触发电路并不适用。对于高压TSC产品，一般使用电磁触发电路对串联晶闸管阀组进行触发。

目前，串联晶闸管阀组常见的电磁触发电路主要有以下两种。

1）电压源驱动脉冲变压器，脉冲变压器并联使用电路，工作原理如图1所示［3-4］。

图1 电压源驱动并联脉冲变压器

该电路中每个晶闸管使用一个脉冲变压器进行触发，脉冲变压器和晶闸管就近安装。所有脉冲变压器并联使用，采用电压源脉冲生成电路驱动这些并联在一起的脉冲变压器。根据脉冲变压器低压侧所施加的电压选择合适变比的脉冲变压器便可触发晶闸管。

这种电磁触发电路具有触发电路简单的特点，但由于采用脉冲变压器对高低压侧进行隔离，这导致脉冲变压器体积较大，不易安装，整套触发电路结构笨重。

2）电流源驱动脉冲变压器，脉冲变压器串联使用电路，工作原理如图2所示［4］。

该电路中每个晶闸管使用一个脉冲变压器触发，脉冲变压器和晶闸管就近安装。所有脉冲变压器通过一根高压电缆串联使用，高压电缆作为这些脉冲变压器的一次绕组并实现对高低压侧进行绝缘。采用高频交流电流源驱动这些串联在一起的脉冲变压器，根据高频交流电流源电流大小选择合适变比的脉冲变压器便可触发串联晶闸管阀组。触发电路工作时脉冲变压器的工作原理与电流互感器相同。

图2 电流源驱动串联脉冲变压器

这种电磁触发电路的优点是结构简单、脉冲变压器体积小，但是要求低压侧驱动电路为一个高频交流电流源，高频交流电流源驱动电路设计复杂。

2 驱动电路设计

本文设计了一种高压TSC用串联晶闸管阀组触发电路，该电路具有以上两种电磁触发电路的优点。这种电路每个晶闸管使用一个脉冲变压器触发，脉冲变压器和晶闸管就近安装。所有脉冲变压器通过一根高压电缆串联使用，高压电缆作为这些脉冲变压器的一次绕组。采用电压源脉冲生成电路驱动这些串联在一起的脉冲变压器。该触发电路具有脉冲变压器体积小、驱动电路简单等优点，其电路图如图3所示。

图3 电压源驱动串联脉冲变压器

该触发电路采用脉冲序列对串联晶闸管阀组进行触发。当MOSFET导通时，低压侧驱动电压施加在串联环形脉冲变压器的高压电缆上，脉冲变压器二次侧根据其变比产生电压触发晶闸管导通。为了保证串联晶闸管的触发一致性，各脉冲变压器一次侧分担的电压应基本相等，这要求脉冲变压器变比相同、磁芯材质的磁导率具有良好的一致性。当MOSFET关断时，为了消耗储存在串联的脉冲变压器磁场里的能量，在串联脉冲变压器的两端并联了瞬态电压抑制器用来消耗脉冲变压器磁场里的能量。为了减少触发电路工作时脉冲变压器磁场里的能量，要求脉冲变压器磁芯采用高导磁率材料。

由于脉冲变压器串联使用，触发电路工作时所有脉冲变压器同时被驱动，因此晶闸管能够获得良好的触发一致性，这提高晶闸管阀组工作时的安全性。采用高压电缆对高低压侧进行绝缘，脉冲变压器体积可以大大减小并易与晶闸管就近安装，因此多个串联晶闸管触发电路之间的隔离十分容易处理。

为了提高晶闸管的触发一致性，需尽可能提高晶闸管的门极触发电流上升率，这要求脉冲变压器安装时尽量减小晶闸管门极触发回路的杂散电感。

3 实验研究

在10kV高压TSC串联晶闸管阀组中，每相晶闸管阀组由10对反并联晶闸管组成。阀组触发电路采用10只脉冲变压器串联使用，脉冲变压器变比为1：5，串联脉冲变压器低压侧驱动电压为直流24V，晶闸管限流电阻阻值为5.1Ω，触发脉冲周期为60us，脉冲宽度为20us。图4为串联脉冲变压器低压侧电压波形，图5为单个晶闸管门极限流电阻电压波形。

图4 串联脉冲变压器一次电压波形

图5 晶闸管门极限流电阻电压波形

从图5波形中可以看出晶闸管门极限流电阻电压幅值不小于8V，上升时间约为2us，电流上升率约为0.78A/us，晶闸管门极触发电流前沿陡峭，能够保证串联晶闸管具有良好的触发一致性。

4 结语

本文设计了一套用于高压TSC串联晶闸管阀组的电磁触发电路。该触发电路每个晶闸管使用一个脉冲变压器触发，脉冲变压器和晶闸管就近安装。所有脉冲变压器通过一根高压电缆串联使用，高压电缆作为这些脉冲变压器的一次绕组，采用电压源脉冲生成电路驱动这些串联在一起的脉冲变压器。该触发电路具有脉冲变压器体积小、触发电路简单、安装方便等优点，在10kV TSC动态无功补偿装置中的实际应用验证了该触发单元的可行性。

［1］刘会金，彭疆南，陈孜孜，陈允平.电容器并补大功率晶闸管阀的研究 ［J］.电力系统及其自动化学报.2001，（01）： 31-34.

［2］袁清云编.HVDC换流阀及其触发与在线监测系统［M］.北京：中国电力出版社，1999.

［3］肖刚. 高压TSC可控硅开关控制技术的研究 ［D］.北京：华北电力（北京）大学，2002.

［4］李素江，任青毅，刘云涛，李剑峰.20kV小电流可控硅固体开关的研制［J］.电源技术应用，2006，（10）：34-37.

［5］王葆华，陈密，高强，徐殿国.一种晶闸管阀组高压侧触发能量耦合获取单元 ［J］.电力电子技术，2009，（01）：46-48.