晶闸管过零投切技术在TSC中的应用＊

钱 飞 王 珏 黄 伟

（中国船舶重工集团第七二二研究所 武汉 430074）

1 引言

在电力系统中，无功补偿是非常必要的，是保证电力系统电能质量，电压质量，降低网络损耗以及安全运行所必不可少的部分。静止无功补偿器（SVC）是比较常用的无功补偿设备。但SVC的重要组成部分TSC的电容投切却是一个难点，很难做到响应迅速，同时没有冲击。本文讨论之前的几种做法，并提出新的过零投切方法。

2 TSC投切电容器组的原理和要求

TSC投切电容器最主要的问题和难点就是需要响应迅速并且没有电流冲击。抽象一组电容器投切阀组，其拉氏变换的方程式：

又由于电网的电压为

将式（2）代入到式（1）中，我们不难得到：

从式（3）中，可以看到有三个部分组成，第一个部分是稳态电流，第二个部分是电容的谐振冲击电流，第三个投切时刻电容幅值。如果希望在电容器投切的时候没有冲击从而形成浪涌电流。那么就需要第二部分和第三部分全部为零或接近零。因此可以分析出它必须满足以下三个条件：

1）保持准备投入的电容器上的电压为电网电压的正或负峰值。

2）选择投入的时刻是电容上的电压和电网的电压幅值相等，极性相同的时刻。

3）切除时触发信号只要取消触发信号即可，晶闸管在电流过零后自动关闭。

3 目前投切方法和问题

目前TSC投切有两种主要的方式：第一种方法在电网电压过零的时候投切电容器，这种做法会受到电容器本身的放电时间所限制，即电容器在投入到切除后，电容器所带的电能需要一个放电电阻去放电，来使其电压为零，这样才可以再次投入。只有这样才可以避免在投入时产生大电流冲击，而这样的一个放电过程需要时间大约是三分钟。必须要等待电容器放电完成之后再给投入触发信号。这样就做不到响应迅速，无功设备也无法保证补偿及时。第二种方法先给电容组充电，当电容组的电压为电网电压峰值的时候来投切。这种做法的缺点是因为当无功补偿设备的容量和变压器容量相当的时候，单方面的充电会引起变压器的饱和，造成电力电网系统的问题。并且在电网系统发生短路故障的时候。电容器会放电，加倍释放出电流，造成电容器的烧毁和加剧电网系统短路故障的破坏力。

以上的两种方法均无法满足对无功负载进行响应快速，无冲击电流和分相补偿的要求。针对以上方法的缺点，本文设计了一种新型的无功补偿投切方法。它是以晶闸管两端的电压过零点进行投切，电容器投入的时候电网电压是可以不确定的，而且投切的时候不需要电容电压降到零点，20ms内就可以投切，响应迅速。所以它完全可以满足所需要无功负载进行响应快速，无冲击电流和分相补偿的要求。

4 晶闸管两端采集过零信号的触发电路

基于以上几种情况的分析，不难得出本文设计的电路来投切电容器，最理想的状态就是不让电容器的电压发生突变。由于电容上的电压和电网电压的差值基本就是为晶闸管两端的电压差，所以只要在晶闸管两端的电压差为零的时候来投切电容器，基本就可以来满足要求。

图1 过零投切算法流程图

如图1所示，晶闸管电压信号经过电平转换和限幅电路之后，就基本可以得到一个电压不是很高的，相位和电网完全一致的电压信号。通过一个过零点检测电路（内含隔离电路），可以得到一个隔离开的过零点脉冲信号。再和控制器给出的投切信号进行一系列的逻辑控制电路，以及延时电路基本就可以得到我们的触发信号。再由触发的电路中的调制电路，以及驱动电路，就可以得到所需要的那个投切时刻的触发脉冲。

图2 过零投切采样驱动图

在DSP作为控制器核心，控制触发的2控3电路中的应用。由于第一次投切的电容器上是没有直流电压的，是一种不理想的状态，必然有一定的冲击，当冲击电流不高于正常稳定电流的1.7倍时，可以认为这样的冲击对晶闸管和电容器的使用没有影响。停止投切后，电容器上有电网峰值电压，晶闸管在电网电压和电容器直流电压的合成作用下过零点触发，应该没有冲击电流。新触发电路达到了快速20ms动作，两路晶闸管都动作，无电流冲击，晶闸管在关断时承受的电压低，最大为3倍的有效值电压。一般在400V电网中选择的晶闸管耐压值会到1600V以上，完全可以满足指标。采样驱动电路如图2所示。

为了检验本文理论的情况，我们做了如下的实验，取得了良好的实验效果，也充分说明了晶闸管两端采集过零信号的触发电路的有效性和实用性。实验中，采用了西安电容器厂的自愈式并联电容器，电容器的型号为BSMJ0.47－30－3，额定电流为21A。用双跟踪示波器测试波形。一只表笔测量晶闸管两端的电压，另一只测量晶闸管的电流波形结果。既可以看出晶闸管是否在过零点投入，又可以看出投入时的电流冲击。由于使用两个开关控制三相电路，用双跟踪示波器分别测量两路的电压电流，就可以完整的观察到触发器运行的效果。

图3 A相电压和C相电流动作波形图

如图3所示，图中显示的是A相电压和C相电流的动作波形，在100ms档上的，我们反复投切电容器组。得到如图4的波形。

图4 100ms／Div A相电压和C相电流波形图

第一个周期会有一定的冲击，冲击电流为32A，稳态工作电流为24A，冲击比为1.33倍。而且在20ms内反复投切，没有任何故障，安全可靠。完全可以满足我们所需要无功负载进行响应快速，无冲击电流和分相补偿的要求。

5 结语

以上分别以原理和实验来介绍和证明，本文所设计的投切方法具有以下几点优势：

1）响应速度快，投切电容器时间无要求。突破了电容器本身固有的放电时间限制，显著地提高的无功补偿的实时性和准确性。

2）冲击电流小。防止了因为冲击电流造成的电容器损坏和故障。

3）应用范围广阔。适合TSC的不同主回路、不同电压等级和不同的晶闸管形式，投切效果均良好。

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