TSC無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì) 摘 要 ：晶閘管投切電容器（ TSC）是靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。根據(jù)筆者設(shè)計(jì)的一種 TSC 無功補(bǔ)償裝置，分析了 TSC裝置常用的主電路的特點(diǎn)，介紹了電容器投切判據(jù)與信號檢測、零電壓投入以及晶閘管觸發(fā)電路等關(guān)鍵問題的解決方案。 關(guān)鍵字 ：無功補(bǔ)償 晶閘管 TSC 零電壓觸發(fā) DESIGN ON A TSC REACTIVE POWER COMPENSATION DEVICE Abstract:Thyristor switchedcapactor（ TSC） is a new direction of the staticvar compensator（ SVC） technology.Basing on a designproject for TSC reactive power compensation device, the characteristics of itsvarious main circuits are analysed.Some key problems on developing TSC deviceare introduced, i.e. the criterion of switched capactor,the data detectionmethod, zero-voltage switching-on,and the triggering circuit for thyristors. key words: reactive power compensation； thyristor；thyristor switched capactor； zero-voltage triggering 1 引言 靜止無功補(bǔ)償裝置（ SVC）是配電網(wǎng)中控制無功 功率的裝置，它根據(jù)無功功率的需求，對無功器件（電容器和電抗器）進(jìn)行投切或調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置采用機(jī)械開關(guān)（接觸器或斷路器）投切電容器，開關(guān)觸頭易受電弧作用而損壞。據(jù)調(diào)查，我國過去使用的自動投切電容器無功補(bǔ)償裝置在使用 3 年后損壞率達(dá) 75 1。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，晶閘管開始用于 SVC 裝置中，出現(xiàn)了晶閘管控制電抗器（ TCR）和晶閘管投切電容器（ TSC）這兩種基本結(jié)構(gòu)型式的 SVC。 使用晶閘管作為電容器的投切開關(guān)，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以頻繁投切。因此， TSC正在成為電容器無功補(bǔ)償裝置的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 TSC裝置的關(guān)鍵問題是如何對作為電容器投切開關(guān)的晶閘管進(jìn)行控制，以保證整套裝置的安全可靠工作和達(dá)到優(yōu)良的無功補(bǔ)償效果。 筆者設(shè)計(jì)了一種 TSC 無功補(bǔ)償裝置。以下著重介紹設(shè)計(jì)方案中主電路選擇、信號檢測、投切判據(jù)、零電壓投切、晶閘管觸發(fā)電路等TSC 裝置的關(guān)鍵技術(shù)問題。 2 主電路的選擇 TSC無功補(bǔ)償裝置由若干組電容器構(gòu)成，電容器組常用的主電路方案如圖 1 所示。 圖 1 TSC無功補(bǔ)償裝置的主電路圖 圖 1a1d 方案為三角形接線，其中圖 1a、 1b中的電容器為單相電容器；圖 1c、 1d中的電容器為三相電容器（內(nèi)部已接成三角形）。 圖 1a 方案中的無觸點(diǎn)投切開關(guān)由兩只反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成（可選用雙向晶閘管）。當(dāng)晶閘管為正向電壓，且門極上有觸發(fā)信號時，晶閘管導(dǎo)通，電容器投入；當(dāng)去掉觸發(fā)脈沖信號后，電流過零時，晶閘管截止，電容器從電網(wǎng)上切除。所以，剛切除時電容器上的電壓（稱為殘壓）為電網(wǎng)電壓幅值（或正或負(fù)）。 圖 1b 方案采用二極管代替部分 晶閘管，從而降低裝置的成本。當(dāng)電容器剛切除時，其殘壓為電網(wǎng)電壓幅值（正值）。這種方案的響應(yīng)速度不如圖 1a 方案。其原因是 2：在切除電容器時，從切除指令的輸出到第一個電力電子器件截止，方案 1a 在半個周波內(nèi)完成，即不大于 10ms；方案 1b則由于二極管的不可控性，通常要大于半個周波才能被切除，但切除時間一般不會超過一個周波，即不大于 20ms。 圖 1d 方案干脆省掉了一相的晶閘管，同樣可以控制三相電容器的投切。 圖 1e 方案和圖 1f方案為 Y形接線，可用于三相負(fù)荷不平衡的電路中作為分相補(bǔ)償。 筆者設(shè)計(jì)的 TSC 無功補(bǔ)償裝置采用圖 1a方案。晶閘管電壓值 USCR的選擇要考慮電力電容器上的充電電壓，可按式（ 1）選擇： （ 1） 式中 k1為電壓裕度，取 1.1； k2為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，取 1.1；U 為電網(wǎng)額定電壓。 晶閘管電流值 ISCR可按式（ 2）選擇： ISCR =2.54fCU10 6（ 2） 式中 f為 50Hz， C 為電容（微法）。 圖 2 電容器補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)示意圖 3 投切判據(jù)與信號檢測 筆者設(shè)計(jì)的 TSC 無功補(bǔ)償裝置通過檢測負(fù)荷側(cè)無功電流幅值作為電力電容器的投切判據(jù)。基原理如下： 圖 2是電容器無功補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖。設(shè)節(jié)點(diǎn)電壓為 （ 3） （ 4） 負(fù)荷電流為 即 （ 5） 其中， ip(t)和 iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量。當(dāng)t=2k 時 （ 6） 可見，只要測量在電壓正向過零時刻的負(fù)載電流，就可得到無功電流幅值 IQM 。這種無功電流檢測方法簡單、快速（在一個周期內(nèi)只要采樣一次）。 圖 3 無功電流幅值檢測原理電路框圖 基于上述原理的無功電流幅值檢測原理電路框圖如圖 3 所示。來自 電壓互感器的電壓信號 u和電流互感器的電流信號 i經(jīng)過低通濾波器（ LPF）濾波后由過零脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生電壓正向過零脈沖信號，作為采樣保持器的采樣開關(guān)信號，于是采樣保持器的輸出就是無功電流幅值。 由圖 2可知， il=ic+is ，如果使 iq=ic ，則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償。由 （ 7） （ 8） 可得 （ 9） C 即為全補(bǔ)償所 需投切的電容量。若 C 為負(fù)，則是切除相應(yīng)容量的電容器；反之，則應(yīng)投入相應(yīng)容量的電容器。 4 零電壓投入問題 在電容器切除后重新投入時，若晶閘管導(dǎo)通（電容器接入電網(wǎng)）時的電網(wǎng)電壓與電容器殘壓相差較大，就會由于電容器上的電壓不能突變，而產(chǎn)生很大的電流沖擊（合閘涌流），這一沖擊很可能損壞晶閘管，或給電網(wǎng)帶來高頻沖擊。為了使電容器投入時不引起涌流沖擊，必須選準(zhǔn)晶閘管觸發(fā)的理想時刻，即保證晶閘管導(dǎo)通時電網(wǎng)電壓與電容器殘壓大小相等、極性一致，這就要預(yù)先測知電容器殘壓，但這通常不太容易做到。為解決這一問題，可考慮 以下方案： （ 1）加放電電阻。每次切除電容器后，通過專門的放電電阻對電容器放電，使電容器殘壓接近為零，晶閘管在電網(wǎng)電壓過零時投入。這一方案要增加無功補(bǔ)償裝置的成本，并且電容器切除后自動接入放電電阻的電路也較復(fù)雜。 （ 2）電容器預(yù)充電。投入電容器之前對其預(yù)充電，充電到電網(wǎng)電壓的峰值，在電網(wǎng)電壓峰值時觸發(fā)晶閘管。這種方法將使主電路變得很復(fù)雜，并且延長了電容器的投入時間。 （ 3）主電路采用晶閘管與二極管反并聯(lián)方式。如圖 1b 所示方案中，電容器投入前其電壓總是維持在電網(wǎng)電壓的峰值，一旦電容器電壓比電網(wǎng)電壓 峰值有所降低，二極管都會將其電壓充電至電網(wǎng)峰值電壓。只要在電網(wǎng)電壓峰值時觸發(fā)晶閘管，就可避免電流沖擊。 圖 4 零電壓觸發(fā)原理框圖 （ 4）檢測晶閘管兩端電壓的零電壓觸發(fā)方式 3。由于電容器殘壓的不確定性，晶閘管上的電壓是一個不能根據(jù)電網(wǎng)電壓計(jì)算的值，但可 通過檢測晶閘管兩端（陽極和陰極）的電 壓來確定電網(wǎng)電壓與電容器殘壓是否相等。當(dāng)檢測到晶閘管兩端電壓相等（電壓差為零）時，觸發(fā)晶閘管。其原理電路原理框圖如圖 4 所示。 圖 4中，晶閘管兩端電壓經(jīng)電阻降壓送到光電耦合器，當(dāng)交流電壓瞬時值與電容器殘壓相等時晶閘管上電壓為零，零電壓檢測電路輸出一個脈沖，該脈沖與 TSC 投入指令相 “ 與 ” 后啟動觸發(fā)電路，去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。 5 晶閘管觸發(fā)電路 TSC無功補(bǔ)償裝置的控制系統(tǒng)由 80C196KB 單片機(jī)、信號檢測電路、晶閘管觸發(fā)電路、以及其人機(jī)接口電路等部分組成。 圖 5 是觸發(fā)電路的原理框圖。 圖 5 觸發(fā)電路的原理框圖 同步脈沖形成電路的作用是消除電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定造成的觸發(fā)誤差。如果在單片機(jī)中以工頻周期 20ms作為產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號的時間基準(zhǔn)，由于電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定，將會產(chǎn)生觸發(fā)誤差。同步脈沖形成電路能保證使晶閘管觸發(fā)脈沖 信號與電網(wǎng)工頻信號同步。如圖 5 所示，電網(wǎng)工頻電壓信號經(jīng)鎖相環(huán)鎖相后再次形成 50Hz 工頻信號，然后進(jìn)行過零比較，整形輸出，送入單片機(jī) HSI.0 端口，輸出的控制信號為HS0.0 端口在軟件定時控制下產(chǎn)生與電源同步的可移相的脈沖信號，此脈沖信號與單片機(jī)的 P1.0 5 端口輸出的信號組合后，經(jīng)脈沖變壓器驅(qū)動，最后分別送給主電路中 6個晶閘管的門極，觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。 6 結(jié)語 研制 TSC 無功補(bǔ)償裝置的關(guān)鍵是要解決晶閘管的投切控制問題，本