晶闸管投切电容器并联补偿方法的研究

2012-09-15丁大为周乾

潍坊工程职业学院学报 2012年3期

关键词：投切晶闸管电容器

丁大为，周乾

(潍坊工程职业学院，山东青州 262500)

晶闸管投切电容器并联补偿方法的研究

丁大为，周乾

(潍坊工程职业学院，山东青州 262500)

主要介绍了晶闸管投切电容器的基本情况，阐述了主电路的接线方式、控制目标的选取以及脉冲的触发。为了分析晶闸管投切电容器的控制效果，利用MATLAB的Simulink工具箱对晶闸管投切电容器完成了建模和仿真分析。

晶闸管投切电容器;Simulink;无功补偿

当今社会用电量越来越高，由于很多设备采用大量的电感性元件，无功功率的量也不断加大，电网的负荷不断增加。而无功功率增加了电网传输中线路的损耗，降低电网的输出端口电压，大大降低了电网电能的利用率，影响了供电的质量。因此，无功功率补偿在电力系统中的地位显得越来越重要。

一、晶闸管投切电容器概况

晶闸管投切电容器(以下简称TSC)是一种动态、分级、可实现自动控制的无功功率补偿装置，主要用于电网中对无功功率进行补偿。在TSC使用之前电网中大部分使用机械式投切装置，与机械式投切装置相比，TSC主要通过控制信号控制晶闸管进行关闭和开启，不需要像机械式投切装置一样采用机械开关进行投切，使用寿命大大提高。而且在投切过程中通过控制器可以完全实现自动控制，做到投切过程准确、安全，避免了机械式投切过程中由于触头的开关接触所引起的冲击电流以及电弧，有效地提高投切速度。随着电力电子器件的发展，TSC在该领域的作用也越来越重要，晶闸管投切电容器作为一种自动调节无功功率的手段，使电网随时保持高的功率因数，实现无功功率的动态补偿，减少投切过程中产生的电压波动，节约电能，使母线电压维持在理想水平。

二、晶闸管投切电容器基本原理

TSC的基本原理如图1所示，其中图1(a)为晶闸管连接电路，通过把两个晶闸管反并联起来作为补偿电容的开关，通过控制信号控制两个晶闸管的开合，达到将电容并入和切除电网的目的。为了降低投切过程中产生的电流冲击，在晶闸管电路中传入一个电感，由于电感有抑制电流突变的能力，有效地抑制电容器投切过程中产生的冲击电流。在实际的电网中，也要避免在投切过程中一次性地并入大容量的电容器，对电网造成很大的瞬时冲击。在操作过程中一般把容量大的电容器用多个容量小的电容器代替分为几组，如图1(b)所示。这样就可以根据电网需要补偿无功率的多少，投入相应的电容器个数。电容器的分组可以有各种方法，从动态特性考虑，能组合产生的电容量大小越多越好，可以采用类似二进制计数的方式，提高电容大小的级数，只要电容的分配足够细致，就能组合出想要的各种电容量。虽然TSC也是一种分级的调节方法，但是只要电容的分配足够细致就可以实现连续调节。

三、TSC控制系统的设计及仿真

电力仿真软件Simulink的电力系统仿真能力比较强，可以对电子电路、电力系统以及电网传输过程仿真。由于我们是以稳定母线电压为目的，因此控制目标选取电平触发。根据电网电压损耗理论，计算出电压在传输过程中的损耗，应用到用户端就可以设计出理想的TSC控制原理图，如图2所示。控制原理为:对用户端电压进行检测并与给定值比较后得到，经过PI调节器对偏差电压快速精确地控制，经时间延迟计算模块计算触发脉冲的时间延迟，进而形成触发脉冲，由时间延迟形成的触发脉冲，加到晶闸管并控制晶闸管的导通与关断，从而实现对TSC无功功率补偿的快速精确控制。

图1 TSC基本原理图

图2 TSC 控制原理框图

为了验证该TSC控制原理框图的可行性，我们做了单相情况下10KV电力系统的仿真模型。假设10KV配电系统给某工厂供电，在0.3s之前该工厂的投入运行的总负荷为P= 100000(W)+j100000(var)，在0.3s时该工厂又突然投入运行冲击型负载load2，负荷为S=P+jQ=100000(W)+ j100000(var)。该工厂出现的无功功率缺额都采用10KV母线集中补偿方式，0.3s之前的无功缺额采用固定电容器集中补偿。为了分析0.3s时突然投入运行负载load2，TSC能否在较短的时间内补偿load2投入所产生的无功缺额，从而维持电网电压的稳定。与此同时，也将功率因数COSØ提高到接近1。

图3 单相加入补偿电路时的仿真模型

如图3所示，为单相加入补偿电路时的仿真模型，核心为TSC补偿器，它能在0.3s快速地将电容器接入电网，补偿系统所需的无功功率。通过多次仿真观察，当PI调节器的参数为Kp=1，Ki=30时，仿真波形较好，此时Cab=4×10-6(F)。图4为补偿后系统电压瞬时值的波形。图5为补偿后系统电压有效值的波形。

由仿真结果可以观察到系统电压在0.3s投入负载Load2后，电力系统电压在TSC控制电路的作用下，将电容接到电网中，增加容性无功功率，补偿系统中的感性无功功率，在很短的时间内使系统电压稳定在10KV，从而快速地保证了电力系统的稳定运行。