智能开关技术在电力系统无功补偿装置中的应用探究

2013-11-14许家宝

电子测试 2013年8期

关键词：投切晶闸管接触器

许家宝

（安徽工程大学，安徽芜湖 241000）

电网电能质量涉及面很广，主要包括无功补偿、抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡等方面，在这些方面无功补偿系统无疑是保证电网高质量、稳定运行的一种主要手段。

1 无功补偿装置的现状及其发展趋势

就无功补偿而言，随着技术进步，无功补偿装置的发展经历了从简单到复杂，从手动到自动的发展过程，更加符合无功功率补偿要求的新的技术装备不断涌现。如静止无功补偿装置（SVC）就是一种综合治理电压波动和闪变、谐波以及电压不平衡的重要设备

无功补偿技术的发展，经历了从同步调相机→开关投切固定电容→静止无功补偿器（SVC）→直到今天引人注目的静止无功发生器SVG（STATCOM）的几个不同阶段。

同步调相机相当于空载运行时的同步电动机。至今在无功补偿领域中这种装置还在使用，但是旋转运行损耗和噪声都比较大，响应速度慢，维护复杂，价格较高，技术上己显落后。静止无功发生器SVG（STATCOM），是一种更为先进的新型静止型无功补偿装置。目前技术上有局限性，具体应用少，但SVG是灵活柔性交流输电系统（FACTS）技术和定制电力（CP）技术的重要组成部分，它代表着现代无功功率补偿装置的发展方向。

2 传统投切开关

由于电力系统中感性负载居多，为了补偿无功，低成本的电容器并联作为无功补偿装置无疑是个好选择。在无功补偿装置中，非常重要的是电容器组投切过程。

传统的并联电容器组的投入运行，最早其投切主要采用刀闸开关，人工手动切换的。电容器采用这种的投切方式，必然导致无功补偿实时性非常差，不能平滑的对电网进行无功功率的补偿，功率因数和电压质量波动很大。

采用接触器投切电容器时，响应时间较手工方式短些，且接触器触点开关导通容量大，无波形畸变的；但存在投切中出现严重的冲击电流，造成电网剧烈的波动，接触器触头易出现电弧烧毁等问题。这种方式任然属于传统开关投切的范畴，是种机械式投切补偿电容器的方式，必然存在响应慢，连续可控能力差等问题。

3 晶闸管开关

伴随电力电子技术的发展，在无功补偿领域里，一些新型的电力电子器件得到应用，在无功补偿装置中开始采用电子开关作为投切开关。

用于投切电容器的开关阀采用双向晶闸管的无触点开关电路（又称固态继电器）原理接线如图1（a）所示。取代了传统的交流接触器投切开关，其优点是投切动作时无拉弧，动作时间短，可做到任意时刻投入，特别适合于繁投切的场合；这个器件在导通状态下存在较大的压降，器件自身功率损耗导致与温升，易产生晶闸管损坏，造成无功补偿装置可靠性下降，这是它的不足。

有时出于成本的考虑也可以用二极管替代其中的一个晶闸管，这时晶闸管和二极管反向并联。这种开关电路与双晶闸管电路相比，技术性能相近，可制造成本较低，如图.1（b）。

图1 投切开关的结构

4 机电复合开关

通过上述比较分析，作为控制投切补偿电容器的开关部件。在工程应用中，为了扬长避短，可以由晶闸管和接触器并联构成复合开关。复合开关其基本思想是以快速动作的晶闸管来控制补偿电容器投切瞬间，实现了快速投切，避免接触器等机械触点投切瞬间，产生较大冲击电流与拉弧等问题；补偿电容器投入补偿稳定运行后，由接触器机械触点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题。由于既使用了电力电子器件又使用了机械接点，因此称为复合开关。

如图1（c）所示，对于集合了交流接触器于晶闸管（固态继电器）二者优点的机电一体化复合开关是一种新型的补偿电容器投切开关，拥有较好的性能优势。

5 过零投切

对于并联无功补偿电容器来说，过零投切是指电压过零投入和电流过零切除。复合开关的基本工作原理是将晶闸管开关与磁保持继电器并接，原理上能实现电压过零导通和电流过零切断，

在电源电压与电容器电压相等的瞬间将电容器接入系统，这样就不会产生涌流；电容器的电压与电流有90度的相位差，因此在某相电压的峰值时刻（某相电流为零）断开，就可以实现电容器电流过零切除。从而实现开关接点的无电弧分断

电压过零投入，电流过零切除的好处：无过电压、无火花、无干扰。过零投切使复合开关在接通和断开的瞬间具有晶闸管开关的优点，而在正常接通期间又具有接触器开关无功耗的优点。其实现方法是：投入时是在电压过零瞬间晶闸管先过零触发，稳定后再将磁保持继电器吸合导通；而切出时是先将磁保持继电器断开，晶闸管延时过零断开，从而实现电流过零切除。

6 智能开关技术

智能开关的基本定义可以理解为利用控制开关和电子元器件的组合及编程构成的，可以实现电路智能化导通与关断的相关设备的总和。具有开关功能与控制动作等基本功能的设备都可以认为是控制开关的范畴。

在无功补偿装置中，投切开关控制着低压无功补偿电容器的导通与关断，对在高性能的动态实时无功补偿起着关键作用。为了实现机电复合开关控制补偿电容器时的过零投切，可以在复合开关的基础上，增加自动控制，过零触发电路等电路，对复合开关实现智能化控制。

智能复合开关的基本原理就是利用了电力开关器件通断是可控的无触点通断，以及电磁式交流接触器触点接触电阻小，负载能力强，无保持损耗的优点。是在普通复合开关的基础上，综合机电特性，具有一定智能的新一代低压无功补偿装置中的电容投切开关。

严格的讲，智能复合开关还不是严格意义上的“智能开关”，但它已具智能开关的雏形，智能开关在无功补偿装置中适用于无功补偿中的电容投切，以及自动化控制。智能可实现无需等待电容放电，在短时间内无冲击电流投入补偿电容，快速频繁投切不影响补偿电容的使用寿命，可做到无涌流投切，可靠性高、响应速度快，使用寿命长。同时具备完善的保护功能，能够智能监控可控部件，电源和负载的运行状况，具有较为完善的护功能。

电力系统无功补偿装置中智能开关技术是一种智能化的新型控制执行部件，与无功补偿系统联系密切。在无功补偿控制领域，它的开发与研究，可以结合无功补偿控制器进行。二者有机结合，将使智能开关更具生机与活力。

适用于无功补偿电容的通断控制，智能电容投切开关原理简如图.3所示。主要是机电复合开关的基础上，检测电网参数，通过嵌入式微处理器（MCU）对电网数据处理，通过逻辑判断，自动寻找电压过零点投入和电流过零点切除。还可同时具有电压异常保护，运行指示等功能。