一种单晶闸管投切电容器的控制方法研究与优化

朱伟星，朱 涛，李广一

(上海奉贤燃机发电有限公司，上海 201499)

大多数电力电容器使用机械接触器或断路器进行投切，由于电容器的阻抗特性，电容器在连接到交流电网时会产生大量的冲击电流，这通常会导致接触器或断路器的触点烧坏或粘连。同时，冲击电流会引起瞬时电压波动和电压切痕，从而影响其他电气设备。当电容器从交流电网中切除时，由于电容电流超前电压90°，接触器或断路器内刚熄灭的电弧又承受在同向的电压下，导致触点再次被击穿，从而导致操作过电压等问题，为了尽量减少投切电容器时产生的问题，人们总是尽量减少操作电容器的次数，然而随着对电能质量以及电网经济运行要求的提高，电容器又不得不频繁操作，在频繁投切过程中会对电力电容器造成损坏，大大影响装置的使用寿命。

为解决这些问题，晶闸管投切电容器(TSC)应运而生，它具有过零触发的特性，没有机械磨损、响应速度快，但是现有的晶闸管为了能可靠投切三相电容器以及消除冲击电流，都必须使用2个以上的晶闸管，控制不够方便，也没有进行大规模的应用[1-5]。因此，只有通过一定技术手段，减少晶闸管的数量，优化控制方法，就能大幅提升TSC的使用率。本文提出一种单晶闸管投切三相电容器的简化方案，可有效减少晶闸管的数量，简化控制过程。

1 现有晶闸管投切电容器存在的问题

1.1 基本原理

晶闸管投切电容器是利用晶闸管无触点开关，实现电路迅速导通关断。关键技术是保证消除冲击电流，相比机械式接触器，或断路器投切的电容器，晶闸管投切的电容器是在电网电源电压与电容器端压相等时投入电容器，以此来消除冲击电流，在电流过零点切除电容器，由于晶闸管不会产生电弧，因此没有电弧重燃过电压现象，可大大提高投切过程的可靠性，并且具备频繁投切的能力。

1.2 电路结构

晶闸管控制的电容常用投切回路见图1。

图1 晶闸管控制的电容器投切回路

有以下几种方式：图a是最基本的电容器投切电路，每相电容器都通过2个反并联的单向晶闸管与电网联络，2个晶闸管分别控制正半波与负半波；图b是一种改进电路，由于电容器只能通过交流电流，将电容器通过二极管与电网相连，相当于半波整流，此时电容器没有电流，相当于断开，因此图b将各相的其中一个晶闸管由二极管代替，降低了成本；图c考虑到了三相电路断开二相就不构成回路，因此又省略了其中一相的晶闸管和二极管；图d采用双向晶闸管，电路结构可以更简单。图e将控制元件移到了尾部，成本较图d进一步降低；图f简化到了只剩一个晶闸管，控制时无须再考虑两个晶闸管的触发顺序，然而其投入的瞬间冲击电流很大，因为其无法做到零电位差时投入；图g将所有电容器的尾端整流到直流侧，通过直流侧的一个全控器件控制三相电容器，投入时的冲击电流通过直流侧的小电感来抑制，断开时则通过二极管、电阻和电解电容构成的缓冲电路来缓慢关断三相，其控制十分简单，然而缓冲电路和限流电感需要较大体积和高昂的成本[6-8]。

在拓扑结构中，图a和图b属于较为常用的拓扑结构，但需要使用多个晶闸管进行开关控制，成本较高；其他方案虽然晶闸管的成本有所降低，但存在过电压和过电流的问题，对晶闸管的使用不利，或者电路结构比较复杂，两个晶闸管控制脉冲需相互配合，因此在实际的电容器拓扑回路中均未大规模应用。

1.3 典型电容器回路投切过程分析

电容器回路投切的过程中，回路合闸的瞬间产生合闸涌流，称之为励磁涌流。以反并联晶闸管TSC三相电路为例，取任一相回路图进行分析如图2所示。

图2 TSC电路

图2电路中将电阻忽略不计，电抗L表示串联的电抗和系统中所有的电抗，交流电压源的电压为：

uS=Umsin(ωt+a)

(1)

假设晶闸管为理想开关器件，不考虑晶闸管的导通压降以及开关损耗，列出回路电压方程为：

(2)

对式(2)进行拉普拉斯变换可得：

(3)

其中UC0是电容的初始电压。对式(3)进行拉普拉斯反变换得到电流i(t)为：

(4)

一般要求电容器投切的过程中不能产生合闸涌流和过电压，也就是说需要消去式(4)中的第二项和第三项。必须同时满足如下的2个条件：

1)cosα=0

目前有以下这几种方式来抑制电容器投切过程中的合闸涌流：

1)当电网电压与电容器两端电压为零的时候投入电容器。这种方法一般需要在无功补偿的装置装有具有放电功能的线圈，确保在电容器投入前，电容器上的残压能够释放为零。

2)对电容器进行预充电，使其两端的电压达到系统电压最大值时投入电容器。

3)当在晶闸管两端的电压为零时这时候触发其导通，等同于电容器两端电压与系统电压相等的时刻投入电容器。

4)切除时只要取消触发信号即可，晶闸管在电流过零后自动关闭。

在抑制合闸涌流的四种方式中，晶闸管投切电容器原理是通过晶闸管元件的精确相位控制功能，与电容器端电压相等时投入电容器，从而可以消除电容器合闸过程中的冲击电流；由于晶闸管的可关断性，在电流过零点时自动断开电容器回路，晶闸管不会产生电弧，因此没有电弧重燃过电压现象，从而保证了电容器回路能精确可靠断开。

2 单晶闸管投切三相电容器的设计方案

2.1 单晶闸管投切电容器的电路拓扑

为了简化控制，提高晶闸管投切电容器的经济性，本文设计新的电路拓扑，如图3所示，它由设在电容器尾部的二极管阵列和一个单向晶闸管构成，能较平稳地投切电容器[9-10]。

图3 单晶闸管投切电容器的电路拓扑图

在断开状态时，晶闸管V不导通，三相电容器在二极管D1、D2的作用下充有直流电压，由于二极管的单向导电作用，电容器充满电后电流趋于零，无功电流交换停止，相当于电容器切除；在导通状态时，晶闸管V导通，三相电容器尾端电流，可通过任一二极管或晶闸管导通，相当于尾端星型连接；在切断过程时，晶闸管有电流过零时刻，故晶闸管具备关断条件，可以可靠关断；在投入状态时，晶闸管能否已较小的冲击电流导通，需找两个主电极间的电压过零点，此时触发晶闸管，才能做到无冲击电流地投入电容器，uD1、uD2虽都有过零点，但时刻不同，因此只能找压差最小时刻的点，触发晶闸管减少冲击电流。

2.2 单晶闸管投切电容器的控制电路

单晶闸管投切电容器的电路拓扑由于结构简单，其控制电路也很简单，有助于提高控制的可靠性并进一步降低成本。

本设计在晶闸管触发导通时仅需监测晶闸管两端的电压，在电压最小时触发；正常工作时采用常加脉冲触发，关断时可随时停掉脉冲，无须考虑电源相位，十分方便。小功率样机控制电路如图4所示，它采用光耦来控制触发导通时的时刻，当晶闸管两端差压较高时，稳压管VD导通，光耦输出电阻很小，晶闸管门极阴极之间被短路，触发信号无法加在门极上，晶闸管不导通，当差压小于设定值后，稳压管VD关断，光耦输出电阻增加，触发信号加在门极上，晶闸管导通，投入电容器。在这个控制电路中，只需合上开关SA，三相电容器就投入运行，关断SA，电容器即被切断，投切过程均无冲击电流。R3、R4用于分压，将关断时D3、D4的端压分至V两端，便于控制。

图4 单晶闸管投切三相电容器的控制电路

2.3 单晶闸管投切电容器的继电保护方案

晶闸管投切电容器按照电压等级可分为低压补偿方式和高压补偿方式，由于本设计在关断时电容器两端仍充有电压，如果用于中高压大容量场合，检测同向电容器两端电压差的方法不可行，则不能采用差压保护，也不能采用中性点横差保护，应采用分相电流横差保护，采用横差保护的接线如图5所示。

图5 横差保护接线图

3 仿真验证分析

4 结语

晶闸管投切电力电容器能够很好地补偿无功功率，提高电能质量，为此，本文提出了一种单晶闸管投切三相电容器的方案，克服现有TSC的不足，试验证明此设计可以很好的投切电容器，并且其控制电路十分简单，能够无机械磨损，从而提高了配电系统的功率因数，降低了所需电力电子器件的价格，值得在电力电子技术方面进行大力推广应用。