晶闸管投切电容器暂态过程仿真分析及过电压抑制措施

时清华，于群，彭菲，周明

（1. 山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛，266590；

2. 山东省菏泽供电公司，山东菏泽，274000）

晶闸管投切电容器暂态过程仿真分析及过电压抑制措施

时清华1，于群1，彭菲1，周明2

（1. 山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛，266590；

2. 山东省菏泽供电公司，山东菏泽，274000）

由于目前电网调控越来越精准，并联电容器的投切操作也越来越频繁，电容器的工作状态影响着电网供电可靠性与供电质量，然而电容器的故障率始终较高。本文针对这一问题，深入研究了电容器损坏原因机理，使用Matlab仿真软件搭建了三相晶闸管投切电容器仿真模型，对电容器投切操作引起的过电压、过电流及电网无功功率进行了仿真分析。同时提出一种过电压抑制方法，并对搭建模块进行仿真验证。仿真结果表明：该方法可以有效地抑制操作过电压，降低电容器损坏率。

并联电容器；晶闸管投切电容器；过电压抑制；放电电路

引言

目前配电网中广泛使用无功补偿装置用于补偿电力系统的无功功率，而并联电容器是无功补偿装置中的重要元件，因此电容器的工作状况直接影响着配电网的稳定与电能质量［1］。传统高压电容器投切普遍采用高压断路器，但是由于技术问题，断路器重燃率高，操作难度大，甚至会引发严重的三相重燃事故［2］。目前，由于TSC控制简单，工作过程中不产生谐波，可快速重复投切等优点，该技术在投切电容器方面应用广泛。

1 晶闸管投切电容器技术

1.1TSC主电路连接方式

晶闸管投切并联电容器主要是由电容器、双向反并联晶闸管开关和阻抗很小的电抗器组成。电抗器根据其电抗率的不同，功能也有所不同：电抗率为0.1%～1%的电抗器主要用于抑制合闸涌流，电抗率为4.5%～6%的串联电抗器用来抑制三次谐波电流，电抗率为12%～13%的串联电抗器用来抑制五次谐波电流［3］。

三相TSC主电路连接方式有四种情况：根据电容器的连接方式可以分为星型连接和角型连接，星型连接又分为有无中线两种情况，而角型连接也分为角内和角外两种，各主电路接线方式如图1所示［4］。其中，（1）称为角内接法，晶闸管处于电容器三角形的内部，该方法的晶闸管电流定额较小，但电压定额较大；（2）称为角外接法，该方法的弊端在于不易控制，投切时暂态过程时间较长，适用于三相平衡负载；（3）称为星型有中线方法，该方法晶闸管电流定额较大，适用于系统电压波形畸变率很小的情况；（4）称为星型无中线方法，该方法与（3）相较来说去掉了中线，对三次谐波有较强的抑制作用，对系统无污染，该方法适合补偿电网负荷三相不平衡的情况。

图1　三相TSC主要接线方法

1.2并联电容器投切时刻选取

为了简化分析，选取一相进行分析，同时忽略线路阻抗和晶闸管阻抗的影响，单相TSC等效电路图如图2所示。其中，AC为正弦电压源，L为阻抗很小的串联小电感，VT1和VT2共同构成反并联晶闸管开关，C为电力电容器。

图2　单相TSC电路模型

根据基尔霍夫定律，列出电压方程

对式（1）进行拉普拉斯变换，可化为

将式（2）中的电流 移到等式左边，再进行拉普拉斯反变换，可求得电流i（t）的表达式

其中各变量分别可表示为由式（3）可知，投切电容器无过渡过程的条件就在于等式右边后两相为零，即或

也即电容器过零投切方式和峰值投切方式。

2 仿真模型搭建及投切仿真

2.1三相TSC仿真模型搭建

利用Matlab软件搭建三相星型连接TSC模型［5］。三相交流电源参数为10 kV、50 Hz，线路参数为50 km、R=13.5Ω、L=0.0637 H，三相反并联晶闸管采用星型连接，负载的有功功率设置为3 MW，无功功率设置为3 Mvar，若在理想状态下工作，根据电容器组星型连接时每相电容器组容量公式

代入上述线路参数，计算可得电容器的值为95.5 μF。

2.2峰值投切电容器仿真

峰值投切是指在系统电压峰值时投入电容器，也即章节1.2中式（8）的情况。假设电容器的初始电压为零，A相T2管的触发脉冲参数设定为：延时时间0.045 s，在系统电压峰值时投入电容器，脉冲宽度50%，脉冲周期0.4 s；T1管的触发脉冲时间设定为：延时时间0.055 s，脉冲宽度50%。B、C两相的触发脉冲延时时间依次相差120°，即0.006 7 s。A相T2管的触发脉冲在0.245 s时停止，随后各相触发脉冲依次变为低电位，从而切除电容器。

峰值投入电容器波形如图3所示，以A相为例：

图3　 峰值投切仿真波形

由峰值投切仿真结果可知，峰值投切在投入电容器阶段会产生较大的合闸涌流和合闸过电压，会对电容器寿命产生影响，频繁的投切操作甚至会导致电容器的损坏。

2.3带残压的过零投切电容器仿真

过零投切是指系统电压过零时投入电容器，也即章节1.2中式（7）情况。电容器在切除之后，由于下一次投切间隔时间较短或放电不完全等缘故，可能会在下一次投入时，两端带有残压，带残压的电容器会对正常投切产生较大的影响。无论下一次投入电容器时的残压值如何，当电容器的残压幅值低于系统电压的峰值时，若在系统电压等于电容器残压时投切，可使得过渡过程最短；当电容器的残压幅值大于系统电压的峰值时，则在系统电压峰值和谷值处投切，可使得过渡过程最短，合闸涌流最小［6］。

仿真模型仍采用章节2.1所述的模型。第一种情况：设定电容器投入时的残压初始值为3 kV，A相T2触发脉冲参数设定中，除延时时间为0.04 s之外，其它与峰值投切时参数设定相同；B、C两相触发脉冲延时时间依次相差120°。第二种情况：电容器投入时的残压初始值为15 kV，各个晶闸管触发脉冲延时时间与前述情况设定一致。

仿真结果以A相为例，如图4和图5所示。

图4　残压低于系统电压时的过零投切仿真图

图5　残压高于系统电压时的过零投切仿真图

由仿真结果图4可知，当电容器在投入之前两端有残压且残压低于系统电压时，投入暂态过程时间变长，而且会产生相对于峰值投切更严重的过电压，而此时进行投切操作不会产生较大的合闸涌流。

由仿真结果图5可知，若电容残压高于电网电压峰值，电容器投切时会产生较严重的过电压与过电流。分析可知，当电容器在投入操作前，在两端有残压的情况下均会产生较大的过电压和过电流，会对频繁进行投切操作的电容器产生损坏，影响电容器的正常工作和工作寿命。抑制电容器过电压损坏的重点就在于对残压的控制，若其接近为零，则可有效地抑制过电压损坏。

3 放电模块搭建及带放电回路的电容器过零投切仿真

3.1放电模块搭建

根据第2章的分析可知：电容器残压会导致电容器投入暂态过程中时产生较大的过电压及合闸涌流，对电容器的寿命产生积累损坏效应，久而久之就会引起电容器的损坏。因此搭建适当的放电回路可以有效地抑制电容器投切过程中产生的过电压。放电回路搭建原理如图6所示。

图6　放电回路原理图

根据图6的放电回路原理，搭建仿真模型中的放电电路模块，如图7所示。

图7　放电电路模块

3.2带放电回路的电容器过零投切仿真

将放电电路添加到仿真模型中。以A相为例，设置脉冲S在0.025 s时发出脉冲，放电回路开始工作，根据放电电阻参数设置公式 可求得放电电阻为50 Ω，仿真模型中的其它参数均与过零投切时的参数一致，得到的仿真结果如图8所示。

图8　带放电回路的电容器过零投切仿真图

由带放电回路的电容器过零投切仿真图可知：在0.025 s时，ideal switch触发导通，放电回路开始工作，对电容器两端残压放电；在0.04 s时，A相晶闸管承受的系统电压过零，VT2导通，随后B、C两相依次导通，TSC补偿支路投入工作，经过补偿之后，系统的无功功率接近零，达到了无功功率的完全补偿，随后TSC投切支路在0.25 s时断开，投切操作完成。在加入放电电路后，几乎消除了投切过程中的暂态过程，投切操作过电压得到了有效地抑制，合闸涌流也在合理的范围之内。

4 结论

本文通过构建三相TSC仿真模型，对其投切时刻进行仿真分析。通过对比峰值投切和带残压的过零投切的仿真结果特点，利用阻尼放电回路释放残压，达到限制其操作投切过电压的目的。仿真结果表明，在过零投切时，选取合适的放电电阻参数可以有效地抑制电容器投切阶段暂态过程，抑制过电压的产生，有利于降低电容器损坏率。仿真的结果为实际高压并联电容器的投切故障保护提供了理论支持。

［1］王兆安， 杨君， 刘进军， 等. 谐波抑制和无功功率补偿［M］. 北京:机械工业出版社， 2005: 140.

［2］陆华. 配电网并联补偿电容器组操作过电压的研究［D］. 浙江:浙江大学， 2006.

［3］毕治军. 高压TSC无功补偿技术的研究［D］. 黑龙江: 哈尔滨理工大学， 2009.

［4］刘绍楠. 基于PIC的TSC型动态无功补偿装置的研究［D］. 北京:北京交通大学， 2012.

［5］于群， 曹娜. MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真［M］. 北京:机械工业出版社， 2011.

［6］邓德卫， 暴国辉， 梅柏杉. TSC无功补偿装置的过零投切过程研究［J］. 电气开关， 2014， 52（2）:39-42.

Transient Process Simulation Analysis for Thyristor Switching Capacitor and Overvoltage Suppression Method

Qinghua Shi1， Qun Yu1， Fei Peng1， Ming Zhou2（1. College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology，Qingdao， Shandong， 266590， China；（2.Shandong Heze Power Supply Company， Heze， Shandong， 274000， China）

Due to the increasingly accuracy of power grid control and frequency of parallel capacitor switching， the working state of capacitor affects reliability and quality of power supply. However，the malfunction rate of capacitor remains high. This paper deeply analyzes mechanism of capacitor malfunction， uses Matlab simulator for the model establishment of triphase thyristor switching capacitor，as to analyze overvoltage， overcurrent and reactive power oriented from operation of thyristor switching. Meanwhile， we put forward an over voltage suppression method and validate through established module. The modeling results show that our method is capable of suppressing overvoltage operation and decreasing the malfunction rate of capacitor.

Parallel Capacitor； Thyristor Switching Capacitor； Overvoltage Suppression； Discharge Circuit

TM772

A

2095-8412 （2016） 04-787-04

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.056

时清华（1991-），男，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术。E-mail: sqhddb_110@163.com