TSC无功补偿装置的过零投切过程研究

邓德卫，暴国辉，梅柏杉

(1.湘潭大学信息工程学院,湖南 湘潭 411105;2.上海电力学院,上海 200090)

TSC无功补偿装置的过零投切过程研究

邓德卫1，暴国辉1，梅柏杉2

(1.湘潭大学信息工程学院,湖南 湘潭 411105;2.上海电力学院,上海 200090)

构建TSC主电路结构电路模型，应用拉氏变换对其电路模型进行分析，得出TSC投切无过渡过程所应满足的条件；利用MATLAB的simulink模块搭建仿真模型，得到了不同投切时刻电容器组的电压和电流波形，同时对不同拓朴结构TSC的投切过程进行了对比；最后对实际的TSC过零投切过程得出了合理的结论。

无功功率补偿；晶闸管；可控硅投切电容器组；过零投切

1 引言

为了更好的利用电能，提高电能质量，TSC(thyristor switching capacitor)无功补偿装置被广泛的应用在电力系统中。晶闸管相对于传统的机械开关以及断路器来说，具有动作迅速，控制精度高[1]等特点；应用电容器组进行无功补偿时，不可避免的需要进行电容器组的频繁投切，如何做到电容器投切过程中无合闸涌流，无电压闪变，无功补偿动态性能良好[2]，是目前TSC无功补偿装置研究设计时所高度关注问题。

2 TSC主电路模型分析

为了电路分析的简单与方便，将电路中的电阻予以忽略，电路中所应串联的电抗和系统所有的电抗用L表示，电容器组用C表示，三相电路取其中一相进行分析[3]。这样所得到的TSC单相电路模型如图1所示。假设AC电压源标准的正弦信号，晶闸管为理想开关，忽略其导通压降和开关损耗，根据基尔霍夫电压定律，列出电压方程为：

(1)

对式(1)进行拉氏变换(1)式变化为：

(2)

对(2)式简单移项变换，将电流I(S)移到式左边，再进行拉氏反变换可以得到电流i(t)的表达式为：

(3)

(1)自然换相条件：

cosα=0

(4)

(2)零电压投切条件：

(5)

3 电容器组加放电电路的TSC模型

由上面的推导可知，在实际的TSC装置中可以通过加放电电路来实现无过渡过程的投切。在电容器组首次进行投切时，电容器的初始电压值为零，在系统电压过零时将电容器组投入。此时的投切时机并不满足上面的投切条件cosα=0，此时式(3)改写为：

(7)

在首次投切(T=0时)流过电容器组的电流仍为零，但随后却不能在系统电压过零时触发晶闸管，因为在系统电压为零时，流过晶闸管中的电流为最大值，晶闸管不能自然关断，所以后续的晶闸管触发时刻仍为系统电压达到峰值的时刻[5,6]。利用MATLAB中simulink仿真工具对加放电电路的TSC模型进行仿真，其仿真结构见图2。图中的交流电源为220V、50Hz，VT1和VT2为晶闸管，负载的有功功率设为20kW，负载感性无功也设为20kW，如果达到理想状态，无功完全得到补偿，由此计算得到的电容器的值为0.0013159F，放电电路用电阻与理想开关代替。

3.1 在系统电压峰值时投入电容器

在系统电压峰值时投入电容器，电容器的初始电压值为零，设PulseGenerator1在0.045s时触发VT2，PulseGenerator在0.05s时触发VT1，理想开关不发送触发信号，放电电路断开，在0.0105s处，停止对晶闸管发送触发脉冲，在系统电压峰值时流过晶闸管的电流减小到零，晶闸管自动关断，从而切除电容器。

观察示波器波形可知，电容器在峰值时投入时产生了非常大的冲击电流，流过晶闸管和电容器的冲击电流都是正常投切的5～6倍，这对电容器的使用寿命很不利，严重时还可能会损坏电容器[3]；同时过大的合闸涌流会导致晶闸管的误动作，晶闸管的发热量也会量的增加，造成晶闸管烧坏，这对于TSC无功补偿装置的可靠运行是极为不利的。

图1 TSC单相电路模型

图2 加放电电路的TSC仿真模型

图3 电容器在系统电压峰值时投切波形图

2.2 加入放电电路，在系统电压过零时投切

电容器在首次投切后将会有残压，假设电容器的残压值为200V，设Pulse Generator1在0.04s时触发VT2，Pulse Generator在0.045s时触发VT1，理想开关在零时刻发送触发信号，理想开关开始导通，电容器通过R1开始放电，仿真得到的波形如4图所示。

图4 加入放电电路时的电容器组投切波形图

观察图4波形，在0～0.01s这段时间内，电容器通过R1释放电流，电容器上的电压在很短的时间内降低到零，这个时候可以在系统电压过零时投入电容器组，投切过程中无涌流，电压没有突变，实现电容器组的反复投切。在实际的TSC无功补偿装置中，增加放电电路增加了TSC装置的附加成本，同时电容器也无法做到瞬间放电结束，在要求快速补偿无功的系统中并不适用。

4 晶闸管与二极管反并联的TSC装置

为实现电容器组的无过渡过程投切，也可采用对电容器组预充电的方法，在系统电压峰值时刻触发晶闸管。用一个二极管与取代其中的一个晶闸管构成的TSC主电路结构，衍生出了“2+1”“2+2”“1+2”“3+3”[7]等主电路结构，主电路结构如图5所示。这样的主电路结构能够实现电容器的电压始终为系统电压的峰值，如果在系统电压峰值处触发晶闸管导通，就能满足理想投切过程的两个条件。本文采用一个晶闸管与二极管并联的主电路进行仿真，将图2中的VT2改为二极管，同时测量VT1的电压电流装置改为测量二极管的电压电流。

图5 各种TSC主电路结构

仿真图中的交流电源仍为220V、50Hz，VT1为晶闸管D1为二极管，负载的有功功率仍设为20kw，负载感性无功也设为20kW，在理想状态下，无功完全补偿，设电容器的值为0.0013159F，Pulse Generator产生VT1的导通所需的触发脉冲。由于电容器中存在残压，则假定残压为100V，设电容器初始电压为100V，Pulse Generator在0.045s处发送触发脉冲，step2不发送触发脉冲，放电电路不工作，仿真TSC系统得到图6所示波形。

在电容器未投入电网时，电容器置一段时间后就会自发的放电导致电容器的电压没有维持在系统电压峰值，在0～0.005s这段时间内电容器经过二极管充电，二极管中有充电电流，在0.04s系统峰值时刻投切，投切过程平稳无浪涌电流，在0.0105s处切除电容器，电容器保持峰值电压。由Diode voltage的信号可以看出，在晶闸管未导通时，二极管的电压最小值低于400V，所以此时晶闸管承受的反向电压为两晶闸管反向并联的两倍，这对晶闸管的耐压性能是一种极大的考验，在高压TSC无功补偿装置中，如何提高晶闸管的耐压是目前存在的一个难题。

图6 晶闸管与二极管反并联的TSC仿真波形图

5 晶闸管两端电压过零触发

在系统电压峰值切换电容器时，晶闸管两端的电压是非常接近于零的，因此可以将晶闸管两端电压过零作为投切时机的判断依据，无论电容器两端的残压值为多少，当电容器的残压幅值小于系统电压的峰值(谷值)时，在系统电压等于电容器残压时投切可使得过渡过程最短；在电容器的残压幅值大于系统电压的峰值(谷值)时，则在系统电压峰值和谷值处投切使得投切过渡过程最短，合闸涌流最小。仿真模型为图2所示，断开放电电路，电源、负载参数不变。①电容器初始值为225V，VT1在0.055s处发送触发脉冲，VT2在0.045s处发送触发脉冲，仿真结果如图7所示；②电容器初始值为110V，VT1在0.045s处发送触发脉冲，VT2在0.04166s处发送触发脉冲，仿真结果如图8所示。

图7 电容器残压幅值大于系统电压的峰(谷)值投切波形图

图8 电容器残压幅值小于系统电压的峰值(谷值)投切波形图

图7中电容残压高于系统电压峰值，电容器投切时有冲击电流但幅值较小，过渡过程时间很短；图8中电容残压低于系统峰值，在晶闸管两端电压为零时进行电容器投切，过渡过程几乎可以忽略，流过电容器的电流波形畸变也非常的小。仿真的结果表明以晶闸管两端电压过零作为电容器投切时机的判断依据，可以实现比较理想的切换，电流与电压的突变都相当小，过渡过程较为理想。

6 结论

本文通过对TSC模型的数学的推导，得出电容器组实现理想投切过程所需的条件，对现实TSC无功补偿装置所采用的投切控制方法进行了模拟仿真，对比电容器放电方案，电容器充电方案而言，晶闸管两端电压过零时投切方案所得到的投切过程更为理想，更适合实际的TSC无功补偿装置的实现，仿真结果为实际TSC无功补偿装置的设置提供了理论依据。

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Research on the Zero-Crosssing Switching Process of TSCReactive Power Compensation Equipment

DENGDe-wei1，BAOGuo-hui1，MEIBai-shan2

(1.The College of Information Engineering of Xiangtan University Xiantan 411105;2.Shanghai University of Electric Power Shanghai 200090)

The paper construct the circuit model of TSC,using Laplace transform to analyze the model,then obtained the condition which non-transition process of TSC switching;this paper construct the simulink model of TSC and debug it.Record the current and voltage waveform of the switching process and contrast different construction of TSC.In the end of this paper,make a true conclusion of process which voltage-zero switching capacitor in reality.

reactive power compensation;thyristor;thyristors switching capacitor;voltage-zero switching

1004-289X(2014)02-0039-04

TM71

B

2013-05-05