（水利工程专业论文）动态无功补偿技术在邓州电网的研究和应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文指出了我国电网面临的主要技术问题，介绍了无功补偿在输电系统中 的作用，总结了国内外动态无功补偿技术的发展现状和应用情况。针对当前邓 州电网中电容器的投切方式及存在的问题，本文研究了利用晶闸管串联组成无 触点开关投切1 0 k v 电容器的动态无功补偿技术，实现过零投切，具有投切时无 涌流、不产生暂态和谐波的特点，来解决电力系统动态无功不足的问题。 本文研究分析了t s c 型静止式动态无功补偿装置的关键技术。对晶闸管构 成的无触点开关中的串联技术难题采用静态均压和动态均压方法，设计出合理 使用的主电路结构，同时采用三相独立采样和增加视窗电路增强了过零点采样 的可靠性，具有很强的实际指导意义。从控制策略、调节方式、信号采集、触 发输出、高低压隔离、保护设置等方面进行深入的理论研究；采用软硬件结合， 在硬件上采用双机互备工作方式，对不同工作层的软件分别采用v b 、c 和汇编 语言进行编制，使控制器运行时运算速度快且具有很高的可靠性和稳定性。 此外，还对一次系统的电容器的参数、现场运行情况、经济效益等也做了 定性计算分析。 通过理论研究和实际应用表明了晶闸管投切l o k v 电容器是一种先进的投 切方式，完全能满足电力系统的发展需要，也是当前降低线损的有效措施。因 此对邓州电网的动态无功补偿技术的研究解决了电力生产中的动态无功难题， 具有广泛的推广应用价值。这对于提高电力系统供电可靠性、减少供电损失和 提高电力系统的安全运行水平具有十分重要的意义。 关键词：动态无功补偿智能化控制装置安全运行 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h em a i nt e c h n i c a lp m b l e m sw a sp o i n t e do u ti nt h ep o w c rs y s t e mo f0 u r c a u n t i y ，a n dt h ef 1 1 n c t i o no f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw 弱i n 协0 d u c e di nt h e t f 柚s m i s s i o ns y s t e m t l t l ed e v e l o p m e n ta i i da p p l i c a t i o nw 觞s u m m a r i z e do ft h et e c h n i c q u e d y n 棚i cr e a c t i v ep o w e r m p e n s a t i o ni nt h ed o m e s t i ca l l df o r e i g i l t h ed e v e l o p m e n ta t p r e s e n t i l lo r d e r t os o l v et h ep r o b l e m si nc a p a c i t o rs w i t c h i n go fd e n g s t a t ep o w e rs y s t e m a tp r e s e n t ，i nt h ep a p e ra i la d v a i l c e do p e m t i v et e c h n o l o g yw a ss t u d i e du s i n g1o k l v c o n t a c t l e s ss w i t c hc a p a c i t o rc o m p o s e do fs e r i e st h y r i s t o r s z e r oc r o s ss w i t c h i n gw a s r e a l i z e dw i t h o u tp r o d u c i n gi n m s hc u 玎e n tb yt h ew a y ，t r 孤s i c n ts t a t ea i i dh a n n o n i cw a v e ， w h i c hs o l v e dt l l ep r o b l e m so fi n s u 氆c i e n td ”a m i cr c a c t i v ep o 州e re x i s t i n gi np o w c rs y s t e m f o r a l o n g t i m e t h ee s s e n t i a lt e c l l l l o l o g yw a ss t u d i e da n da n a l y z e d yi nt h ep 印e r ，w h i c hw a su s e di n t s cs t a t i cd ”a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni n s t a l l m e n t t h es t a t i cv o l t a g es h a r i n g 锄dd y n a m i cv o n a g es h a r i n gw 髂a d o p t e dt os o l v et h ed i f f i c u l t i e so fs e r i e st e c h j l o l o g yi n c o n t a c t l e s ss w i t c hc a p a c i t o ro m n p o s e do fs e r i e st h y r i s t o r s t h ep f o p c fm a i nd r c u i ts t r i l c i u r e w a sd e s i 口e d ，w h i c hu s e dt l u e e p h a s ei n d c p e n d e n ts a m p l i n ga l l dw i n d o w sc i r a l i tt o r c i n f b r c et h er e l i a b i l i t yo fz e r o c m s s i n gs 锄p l i n g ，w h i c hh a dt t l es i 盟i f i c a i i c e0 fi n t e n s i v e p r a c t i c ed i r c c t i o n t h ei n t e n s i v et l l e o r c t i c a ls t u d yw a sc a r r i e do u ti nt h ef i e l do f n t r o l s t r a t e g y m o d u l a t i o nm o d e ，s i 印a ls 锄p l i n 岛t r i g g e rs i 印a lo u t p u t ，l o w h i g t lv o l t a g e i n s u l a t i o n ，p m t e c t i o ns c t t i n g 柚ds oo n h it h es t u d yo ft h ei n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o l i e r t l l e c o m b i n a t i o no f h a f d w a r c 柚ds o f 时a r ei sa d o p t e d t 、】l r o - s h i p p e ro p e r a t i o nm o d ei su s e di n t h eh a r d w a r e ，w h i l ef o rt h es o f t w a r ei nd i 虢r e mw o r k i l l gl i n i n g ，v b ，ca i l da s s e m b l e r l a i l g u a g cw a su s e di np m g r a mc o m p o s i t j o n ，w h i c hm a d et h ec o n t r o l l e rn i ni nh i g l l o p e r a t i o nt i m es p e e d w i t hh i g l lr e l i a b i l i t y 柚ds t a b j l i t y - f u n h e m o r e ，q u a l i t a t i v ea l l a l ”i c a ls t u d yw a sc a r r i e do u ti nt h ep a r a m e t r i cc a l c u l a t i o n o fe l e c t r i c c a p a c i t o ri np r i m a r ys y s t e m ，m o d e lm a c h i n ep e r f b m 卸c ea 1 1 de c o n o m i c a n a l y s i s t h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ep m c t i c a li n s t a l l m e n ti n d i c a t e dt h el o k v s w i t c hc a p a c i t o rw i t h 叫tc o n t a c t o r m p o s e do ft h y r i s t o r si sa na d v a n c c ds w i t c hm o d e ， w h i c hc a ns a t i s f i e dt h ed e v e l o p m e to fp o w e rs y s t e ma b s o l u t e l ya n dr e “c e dm ei i n el o s s e f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h ea c c o m p l i s l l l i l e n to ft h i sr e a s e r c hs o l v e ds u c c e s s f u l l yt h ep m b l e m s o fi n s u 饿c i e n td y n 锄i cr e a c t i v ep o w e re x i s t i n gi np o w e rs y s t e m n i si e c h n o l o g yi s9 0 0 d f o rw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，w h i c hw a ss i g n i f i c a t i v ef o ri m p r o v i n gp o w e r s u p p l yr e l i a b i l i t y i i 华中科技大学硕士学位论文 i np o w e rs y s t e ma i l ds a f co p e r a t i o nl e v e la n dr e d u c i n gm el i n el o s s k e y w o r d s ：d y n a m i cr c a c t i v ep o w c rc o m p e n s a t i o n ， i i i t e l l e c t u a l i z e dc o m r o l l e r ，s a f e o p e r a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作粼：为蕾 日期：2 d o 占年岁月j 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅a 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密d ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名简菊 燧“豸，留 日期：弘。6 年5 月1 ) 日 日期：d6 年r 月j a 日 华中科技大学硕士学位论文 前言 一无功补偿的重要意义 近2 0 年来，世界各地( 包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等 国) 发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重 视。持续了短短7 2 小时的8 1 4 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会 影响i ”，这次事故提醒人们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠 远距离传输，在电力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运 营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的动态无功备用。在我国也曾多次 发生电压崩溃事故，如1 9 9 3 年和1 9 9 6 年南方电网的几次事故，这些事故都促使 人们采取各种措施以维持电网稳定。采用静止无功补偿器( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ，s v c ) 是解决上述问题的有效措施之一【2 】。 我国电网的建设和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备 不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。近年 来，随着大功率非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染呈不断上 升的趋势，无功调节手段的缺乏使得母线电压随运行方式的变化很大，导致电 网( 特别是配电系统) 的线损增加、电压合格率降低。此外，随着电网的发展， 系统稳定性的问题也愈加重要。 二传统电容器投切技术的缺陷 目前1 0 k v 电力系统主要用并联电容补偿无功功率，存在“过补”“欠补” “投切振荡”“不易控制”等问题【3 1 。并联电容器组大多采用三角形接法【4 1 ， 传统的补偿方式均为静态补偿，采用开关投切电容器或接触器投切电容器【5 1 。 开关投切电容器的补偿措施的缺点是不能细调且响应慢，又由于开关投切电容 产生过电压问题、补偿方式响应慢、连续可控性差，以及运行人员嫌开关维修 麻烦不常使用开关投切，也不愿意让它自动控制。另外，以交流接触器作电力 电容器的投切执行元件，曾一度占领配电( 1 0 k v 和o 3 8 k v ) 市场，特别是低压配 电网。但是由于它投切的随意性，并未解决投切中的暂态过程，投入时冲击电 流大，切除时会产生过电压，自身触头易损甚至熔焊，噪声大，而且投切时间 长。同时在控制环节上基本不能满足分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。因 此，广义上而言，接触器式的动态无功补偿设备并未超脱开关投切的范畴。缺 乏无功调节手段造成了母线电压随运行方式的变动很大，使得电能质量不高， 华中科技大学硕士学位论文 配电网损耗大。 三动态电容投切技术的发展 电网的动态稳定性与快速无功功率调节器的性能有关：电网的电压稳定性 与无功功率的有效提供有关。因此研究一种新的无功补偿技术取代传统落后的 补偿技术是大势所趋。随着晶闸管制造技术的不断提高和其性能的稳定，采用 大电流耐高压的晶闸管作为无触点开关，在晶闸管过零时刻投切电容器，具有 快速响应和投切无涌流无冲击的特性，也不受投切次数限制。这正是本论文要 研究的内容。 在8 0 年代中期，美国率先开始研究并称之为自适应伏安补偿器( a d a p t i v e v a rc o m 口e n s a t o r ) ，也有人称它为软开关电容器( s o f ts w i t c h i n g c a p a c i t a n c e ) ，国内则一直称之为晶闸管投切电容器( t h r i s t o rs w i t c h i n g c a p a c i t a n c e ，t s c ) 【6 1 。7 0 年代末，随着晶闸管商业化的成功应用，以及电力系 统大量感性工业负荷的使用，电力系统呈现大量的动态无功需求。美国西屋公 司率先研究并开发了晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 构成的 静止无功补偿器1 7 】，并于8 0 年代初为加拿大皮佛格瑞克变电站提供2 5 0 m v a r 补偿 装置一套，为新墨西哥州的帕不里克塞维斯变电站提供2 0 m v a r 补偿装置一套【8 】。 a b b 、阿尔斯通、西门子、三菱等公司也分别开展s v c 装置的研究，在推出相应 的产品的3 0 多年间，世界各国都不断有s v c 投入运行，并取得可观的收益。到目 前为止，世界上已投运的s v c 已超过1 8 0 台【9 】。 随着工业生产中冲击性负荷的增长，本着就地补偿的原则，我国也出现了 从低压至高压的系列化t s c 动态补偿设备的需求。t s c 装置的研究工作涉及的知 识面较广，难题之一是过零检测。t s c 装置要考虑不同的应用场合以及它要适应 各种负荷的不同运行情况，包括：故障、谐波、不对称状况等。另一个难题是 针对高压应用领域的晶闸管串联技术。就串联技术而言，t s c 装置是过零自然关 断，与t c r 装置相比，它不存在关断时的动态均压问题，这使得串联问题比较容 易解决。目前，关于论述其关键性技术的文章很少，国外各公司在构造方式上 也略有不同，说明这种动态无功补偿技术还没有发展到非常成熟的地步【1 0 】。 t s c 装置的分级和分相补偿方式已完全能满足电力系统的补偿要求，它是目 前在变电站解决1 0 k v 配电系统动态无功补偿的最佳可行性方案。国内在此领域 的理论研究不够深入，但针对电压配电网已开始动手开发者很多。用户都感觉 到t s c 是非常好的配电补偿技术，目前o 4 k v 等级的t s c 已大量使用，但是在l o k v 华中科技大学硕士学位论文 系统中还没有广泛的推广应用。1 0 k vt s c 型静态式无功补偿装置( s v c ) 于2 0 0 1 年、2 0 0 3 年分别在河南南阳局东郊变电站和张家口宁远变电站挂网运行，填补 了s v c 装置在国内工程化应用的空白i “】。 四本文要做的工作 分析传统的1 0 k v 无功补偿和新型的t s c 无功补偿装置的各自优缺点的基 础上，研究利用现代电力电子技术和计算机技术设计生产的1 0 k v t s c 型无功补 偿装置并对运行数据进行计算，做定性分析。在研究过程中，结合具体的变电 站的接线状况确定一次主电路，在后续的晶闸管阀柜研究中将有很强的操作性。 针对晶闸管的串并联技术、同步触发技术、高低压光电隔离技术、电力电子设 备的保护技术都作较为详细的研究，这些研究对实际生产将有很强的指导意义。 华中科技大学硕士学位论文 1 动态投切电容器技术的概述 1 1 邓州电网概况 邓州市位于豫西南边陲，南阳盆地西南边缘，豫、鄂、陕三省交界地带。 邓州电网担负着全市2 9 个乡镇1 5 2 万人口的供电任务。电压等级由 2 2 0 1 1 0 3 5 1 0 0 4 组成。现有2 2 0 k v 变电站1 座，1 1 0 k v 变电站4 座，3 5 k v 变电站 1 2 座，其中2 2 0 k v 变压器2 台，容量为3 0 0 m v a 。1 1 0 k v 变压器6 台，1 9 7 5m v a ，3 5 k v 变压器2 1 台，容量为9 3 9 5 m v a ，其中，农用变1 9 台容量为7 8 5 5 0 m v a ，工业变2 台，容量为1 5 4 0 0 m v a ，配电台区2 6 2 5 个，配变容量2 1 2 9 5 0 m v a ，其中专用变8 7 3 台，容量为9 3 4 8 5 m v a ，现有1 1 0 k v 输电线路4 条，总长度6 4 枷，3 5 k v 输电线路 1 5 条，总长度2 1 8 k m 。1 0 k v 主干输电线路6 7 条，总长度7 1 9 k m ，供电区域达2 2 9 4 7 平方公里。2 0 0 5 年供电量5 9 6 亿千瓦时、线损率8 0 8 ，比2 0 0 4 年下降了0 9 个百分点。 按照无功分层分区和就地平衡以及便于调整电压的原则，邓卅i 局安装了无 功补偿设备和必要的调压装置，调度运行中心充分利用计算机调度实时信息采 集系统，实时监控变电站的有载运行情况、电容器的投切情况，对所管辖变电 站的母线电压进行监视。现有的变电站中，有载调压变压器占主变的9 3 以上， 变电站的电容器补偿容量3 1 5 m v a r ，l o k v 配变随器补偿容量3 1 1 2m v a r ，随机补 偿容量8 1m v a r ，现管理1 0 k v 线路6 7 条，其中功率因数在o 9 以上的有1 0 条， 功率因数在0 8 以上的有4 5 条，其余1 2 条功率因数在o 7 以上，平均力率功率因 数是0 8 4 。目前功率因数水平较低，部分线路末端电压质量达不到要求。 针对以上情况，邓州局结合外县经验，积极在l o k v 线路开展集中补偿。线 路的补偿主要是安装l o k v 自动补偿装置和固定补偿相结合，同时也加大对变电 站的无功补偿装置的技术改造力度，逐步实现动态投切电容器，使变电站的电 容器无功补偿率达到1 5 一2 0 。 本文结合对邓州市高集变电站高1 0 南母的无功补偿装置改造情况进行研 究。高集变电站1 0 k v 侧电气主接线如图卜1 所示。 4 华中科技大学硕士学位论文 高1 0 南容高1 0 北容 图卜l 高集变电站1 0 k v 侧电气主接线示意图 1 2 晶闸管投切电容器装置的工作原理 母 晶闸管投切电容器式静止补偿器( 简称t s c ) 由晶闸管投切电容器组成，这些 电容器分成很多单元，以实现分级控制1 1 2 】。t s c 是一个三相补偿装置，每相在 结构和参数的设计上是等同的。图1 2 给出了t s c 装置电气原理图，主要由补偿 电容器、电抗器、晶闸管、二极管以及控制触发电路组成。电容器值的大小按 照倍增式设置( 即按比例1 ：2 ：4 递增设置) ，通过开通不同电容器容量的组合，每 相可以获得不同的补偿值，为了减少t s c 装置的成本，晶闸管开关的主电路采 用晶闸管和二极管反向并联方式。 当触发脉冲触发晶闸管导通时，电容器投入，每次电流改变方向时，晶闸 管阀截止，二极管导通，因而整个阀保持连续导通。当脉冲系列停止时，晶闸 管在电流大于晶闸管维持电流时仍然导通。当低于维持电流时，晶闸管断开， 电容器中则储存有电荷。当晶闸管再次接通时，在接通瞬时如果系统电压与电 容器残留电压不等，将有瞬态冲击电流流过，随后将产生逐渐衰减的高频振荡， 其振荡过电压和衰减的快慢取决于电容器和系统参数的大小。因此，为了避免 暂态过程，晶闸管在接收闭合信号时，并不是立即导通，而是等待晶闸管两端 电压过零时触发开通【”j ，这时若电容器完全放电，端电压为零，开通延时可达 半周波。若电容器被充电至峰值，开通延时达一个周波。当给出关闭信号时， 晶闸管触发电路停送触发信号，晶闸管并不立即截止，而是等待回路电流继续 华中科技大学硕士学位论文 一：# = ；= 。= 自= = ；= = = ；= = ；= = 流动直至过零自然关断。电容器被反充电至峰值( 当然，电容器寄生电压在晶闸 管长时间不开通情况下将自然慢放电) 。此时，一是晶闸管和二极管维持两倍的 交流峰值电压。二是电容器的再次开通需要一个周波的时间。 1 3 装置的一次参数计算 图1 2t s c 装置电气原理图 通过对高集变电站1 0 k v 母线电能质量的监测表明，该变电站南母的主要变 动无功为1 m v a r 左右，基础无功需求为约1 2 m v a r 。考虑到投资的经济合理性， 我们采用固定电容与可调电容( t s c ) 并联运行的方式，其中固定电容部分的容 量为1 2 m v a r ，t s c 部分的容量为1 m v a r 。考虑到测量环节的精度，当t s c 级数过 于细分时，其实际补偿效果将被误差所掩盖，故仅将其分为3 级( 组合方式) 。 而为了调节不平衡的负荷，采取了分相调节。现场的实测表明，原固定电容与 系统谐振于接近6 次和7 次，改造后，固定组容量减少，破坏了原谐振点，而当 可调组运行的时候则将与系统发生谐振，因此，在t s c 回路串联了电抗率为6 的电抗1 1 ”。同时，为了减少项目设备的成本，晶闸管开关主电路采用晶闸管和 二极管反向并联方式，如图卜3 所示。 6 华中科技大学硕士学位论文 图卜3 高集变电站电容器组改造后一次接线示意图 由p t 、c t 测量得到的1 0 k v 母线的电压和电流信号同时送往监控系统的控 制装置进行运算和判断，根据运算和判断结果，控制装置触发电路发出触发信 号或者闭锁、跳闸等保护信号，进行电容器的投切或保护等动作。控制思路是： 当电压在0 8 u n 1 1 u n 范围内波动时，根据系统所需的无功功率进行投切，使 公共点无功潮流达到最优；当电压小于o 8 u n 而大于o 7 u n 时，t s c 装置进行强 投，以支撑电压；当电压小于0 7 u n 或大于1 1 u n 时，t s c 装置进行强切，退出 运行。后备保护系统采用传统的电磁继电器进行t s c 支路过流以及t s c 电容器 的速断保护，与数字监控系统相对独立。一次主电路包括限流电抗器、晶闸管 阀( 晶闸管开关柜) 、高压并联电力电容器等。 将t s c 装置的三相分成两组容量配置：每相所配置的容量分别为 2 0 0 k v a r 1 4 k v ( 四个5 0 k v a r 7 k v 电容器串并联构成，该电容器内置放电电阻为 1 9 6 k q ) 、4 0 0 k v a r 1 4 k v ( 四个1 0 0 k v a “7 k v 电容器串并联构成，该电容器内置 放电电阻为4 8 k q ) 。两组电容器分别串联一组电抗器，为抑制5 次和7 次谐波， 电容器组的电抗率可选用6 0 。 1 ) 对2 0 0 k v a r 电容器组投入运行的计算 已知条件：电容器额定容量q c n = 2 0 0 k v a r ；系统电压u n = 1 0 k v ；电 容器额定电压u c n = 1 4 k v ；电抗率k = 6 o ；电容器组由4 个5 0 k v a “7 k v 电容 器串并联构成。 n ，= 兰也= 1 4 2 8 6 “) 于是，电容器组额定电流： u “ f 1 1 1 华中科技大学硕士学位论文 单台电容器电流：x c 4 7 1 4 3 【q )( 1 2 )x 。= 兰等= 9 8 0 m ( q ) 电容器组容抗：蟛c ( 1-3)单台电容器容抗：z c 。9 8 0 o o 【q )( 1 4 ) c=-3248(弘f)电容器组容值：似c( 1 5 ) 单台电容器电容值：c _ 3 2 4 8 ( 胪 )( 1 6 ) 电抗器电抗值：x l 。x c 6 - o 。5 8 8 ( q )( 1 7 ) 电抗器电感值：2 - 1 8 7 1 6 6 ，心! ；： 鼋。蓁，一+ 薹薹 蟊器翅j i 越霎爱美 ；。蚕； 噬同需拶翌埕叫仑墨鼻i 垦 篓，一蓁羹墓。翁羹冀。一鬟薹一翼囊誊黧；蠢l 蒸一薹薹 i ；一! 毒g 峁裂辎搿剥鼎嚣攀裂翌虫； 滋粪5 鋈蒸一纛霾囊冀s 疆i瞎8 戮鬟一鍪鬻纂。羹羹簸嚣馥邺霞“ i l ；呙g 来糨暂i 西霖基募箐箭t 鬣鬻羹“纛。熏“ai纂蓁鋈s一蹇燃一篱*逵唾川的 安全。 控制装置响应时间以平均3 0 m s 作为设计目标，但应将调节稳定性及可靠性 优先考虑，当产生冲突时，可适当放宽响应速度的限制1 1 9 l 。无特别要求仅供显 示用信号处理通道精度为1 ( 电流、电压) 、2 5 ( 有功、无功) 、5 ( 功 率因数) 。 2 1 控制设计思想 华中科技大学硕士学位论文 1 4 晶闸管器件及其串联技术的应用研究1 4 1 晶闸管器件特性研究 对晶闸管器件进行静态特性、动态特性和应用中的相关特性的分析和研究， 特别是晶闸管在关断过程中的恢复特性的研究【14】。此项研究将为大功率晶闸管 的工程化应用奠定理论基础。晶闸管的动态特性主要有开通特性、通态电流临 界上升率、反向恢复特性。韵唰薯。阻州割机讯飘葡引彰鼎薯酬矧i 添限 譬翅蓟蜊酣摹毫察舔鞋弱秘糖瓤薛叫芰主阁翡；蒜j ，潮f 韵喜彭一萌涮毹轰i t 霾避 剁 婺 j 霎2 j 。| 霎兰攀 霉囊! 雾； 鬟霾黧一 一l “ 蠹蠢 蘸j 羹鋈“ 1 藿i 囊鍪蚕荔曼i 蘸l 羹 ；一一蒸。一| l i!呈 茉 。 鬣一彝 羹篓鋈鬈 舌 ；型蠢举帝叫郧按谨 i l 璎调砸嚣； 唑圳濠馕莹础灌掰演溽! l 濯荔篓錾霎目翼薹；i 酲冀囊在实践中积累了丰富 的经 验。 ( 3 ) 到目前为止，仍有许多工业对象得不到或很难得到精确的数字模型， 因此，应用直接数字控制方法比较困难或根本不可能，所以不得不应用p i d 算 法。 ( 4 ) 虽然计算机控制是断续的，但对于时间常数大于计算机计算周期的系 统来说，其控制可视为连续的【2 们。因此，用数字p i d 完全可以代替模拟调节器， 而且能得到比较满意的效果。 2 2 1 控制系统的离散 华中科技大学硕士学位论文 静态均压。静态均压电阻不能解决关断过程中出现的动态不均压问题。为达到 动态均压，首先应选用积蓄载流子数量比较一致的元件，另一方面，还需r c 并 联支路作动态均压。实现预期动态均压系数k u 所必须的电容值为： c ：丝剑；塑塑孕：o 2 2 ( 胪) e l 一1 1 2 8 3 姐0 3 ( 志一1 ) i 厶l u 石) r “， ( 1 - 3 2 ) 现取q r r m = 1 0 0 q ( 二极管) ，k u = o 8 5 ，n = 1 2 ，e = 2 8 3 k v ，则c 苫o 2 2 心。 另外，晶闸管开通过程中同样存在动态均压问题，由于多个晶闸管元件的 开通时间不一致，即使是同时触发，开通时间短的元件先导通，于是全部正向 电压都由其余尚未导通的元件承担，如果动态均压不良，可使其中某一元件的 正向电压超过转折电压，造成硬性转折，对元件是一种损伤。晶闸管的开通时 间一般小于1 0 s ，它跟触发脉冲的大小和陡度，开通前阳极电压，开通后阳极 电流大小，结温，外电路的时间常数l r 等都有关。在控制极特性允许范围内， 提高触发脉冲的幅值和陡度，可减小开通时间，因而也可以减小串联晶闸管开 通时间的分散性。 为此对各晶闸管元件控制极的触发脉冲有下列要求【2 3 】： 触发脉冲为尖脉冲( 宽约1 0 0 “s ) 或尖脉冲( 宽约几十微妙) 后紧接宽脉 冲； 在控制极电压、电流和功耗允许范围内尽量加强尖脉冲，其峰值一般为 宽脉冲幅值的3 4 倍，而宽脉冲幅值又为元件开通所需电流的3 4 倍； 尖脉冲前沿应尽可能小于0 5 斗s ，传递到各元件的脉冲时差小于0 5 “s 。 在满足上述要求前提下，按反向断态均压要求选取的r c 参数，一般足以满 足开通过程的动态均压要求。 由上面计算可知高集变电站的t s c 装置每组需要1 2 只晶闸管和二极管反向 并联单元串联，晶闸管和二极管反向并联单元串联参数如表l 一2 所示。开关和缓 冲电路单元构成t s c 每相一组的构造图如图1 6 所示，其中，缓冲电路的设计将 在下面详细讨论。 华中科技大学硕士学位论文 表1 2 开关电路的额定参数 名称 模块 串联链 电压 6 5 k v7 8 k v 电流 5 0 0 a5 0 0 a d u ，d t 1 k v 肛s7 8 k v m s d i d t 5 0 0 a u s5 0 0 a l l s 圈卜6 开关和缓冲电路构造图( 每相每组) 3 ) 缓冲电路研究 ( 1 ) 缓冲电路的漏电流的要求 从设计角度上出发，总是希望缓冲电路具备较低的阻抗，以便在误触发情 况下尽可能地吸收高频振荡过电压【1 5 】。但是过低阻抗将会带来两个较大问题： 一是加大缓冲电路功耗，给散热带来不利因素：二是缓冲电路漏电流大，一旦 有误触发现象，将足以保证被误触发的晶闸管维持导通电流，而缓冲电路并不 具备维持导通状态下的通流能力。折衷的解决办法是在保证缓冲电路阻抗尽可 能低的情况下，又要确保缓冲电路的漏电流低于晶闸管的维持电流。 ( 2 ) 缓冲电路上的电压要求 一 ! ” 华中科技大学硕士学位论文 如果反并联晶闸管被误触发，电容电流出现振荡现象，则正半周电流流过 晶闸管，而负半周电流流过二极管。在负半周结束时刻，由于二极管的反向恢 复特性，要维持反向恢复过程，并不立刻关断。反向恢复期间，电流将在正半 周建立，此刻二极管一旦关断，缓冲回路电感要保持续流特性，此电流除了流 向缓冲电路，别无去处( 因二极管恢复过程结束) 。正因为这个电流的存在， 每单元缓冲电路上的电压等于反向恢复电流i r r 乘以电阻r s 。：如果该电压大于晶 闸管二极管反并联对的阻断电压，晶闸管将被强迫开通，形成继续振荡，无法 关断。 ( 3 ) 电压和过电流特性 如果晶闸管因过压而强迫开通时，在c s 、r s 2 、r s l 和晶闸管所构成的回路 中形成环流；而r s 2 r s l ，绝大部分过电压由r s 2 和d s 承担。如果d s 因过压损 坏，二极管处于开路运行，r s 2 将传导双向电流，这又可能进一步造成r s 2 过热 损坏，形成恶性循环。因此，在c s 、r s 2 、r s l 、d s 的参数设计和选择过程中， 必须考虑故障条件下的过电压和过电流特性( 需元器件串并联) ，确保器件的 可靠运行。 ( 4 ) 正反向吸收 采用d s 使得晶闸管单元缓冲电路正反向吸收效果不同，这种方式并非固定 不变。主要依据晶闸管单元的正反向d v d t 和d i d t 抑制效果而确定的。 ( 5 ) 采用辅助缓冲电路 另外，考虑到缓冲电路设计中诸多限制条件，往往单一的缓冲电路不能够 较好地吸收系统暂态过程所产生的能量( 即不能被氧化锌避雷器完全吸收) ， 就必须考虑采用辅助缓冲电路，吸收在二极管反向恢复时间储存于电感上的多 余能量。 根据上面的缓冲电路的要求，在设计过程中必须注重下面几条原则： 在器件上升过程中，限制器件的电流上升率d i d t ： 在器件关断过程中或再次承受正向电压时，限制器件的电压上升率d u d t ： 对串联晶闸管二极管模块起均压作用； 发生误触发现象时，为消除电流振荡提供阻尼作用。 在图1 6 中，电感l ，二极管d s ，电容c s 和电阻r 0 、r s l 、r s 2 共同构成了缓 冲电路，其中各元件的作用如下： l 用于限制合闸和误触发情况下产生的涌流： 华中科技大学硕士学位论文 d s 在正向时，用于旁路电阻r s 2 ： c s 在误触发的情况下，能可靠吸收储存于电感中的能量； r o 在阻断时，起静态均压作用； r s l 、r s 2 起正向阻尼作用，同时r s l 、r s 2 用于限制缓冲电容器c s 对晶闸 管和二极管反向并联对的放电电流。 按照所提供晶闸管二极管反并联对的参数条件，对缓冲电路的设计要求 是： 正向电压上升率d v d t 不大于2 5 0 v s ； 反向电压上升率不大于2 5 0 0 v “s ； 电流上升率不大于2 5 仙s 。 4 ) 静态均压电阻设计 在高压t s c 电路中，因采用了半控型器件反并联，使得电容器中存在较大 的直流成份。因此，在晶闸管闭锁时，晶闸管串上将承受交直流电压的联合作 用，这就要求串联静态均压电阻必须进行合理的设计，否则将直接影响到晶闸 管串的直流分压状况。高压t s c 采用1 2 个6 5 0 0 v 5 0 0 a 的晶闸管和二极管反向并 联串组成，所有晶闸管测试参数如下： 当u r r m ；6 5 0 0 v 时，最大漏电流小于2 0 m a ， 当维持电流大于5 0 m a 时，d v d t = 1 0 0 0 v l s 。 所有二极管测试参数如下： 当u r r m = 6 5 0 0 v 时，最大漏电流小于3 m a 。 正常运行时，每个晶闸管在理想情况下将承担的交流电压的有效值为 ( 1 0 k v ) ( 1 2 只) = 8 3 3 ( v ) ，直流电压为( 1 0 2k v ) ( 1 2 只) = 1 1 7 8 ( v ) ，因此， 每个晶闸管承受的最大峰值电压为( 1 0 2 2k v ) ( 1 2 只) = 2 3 5 6 ( v ) 。 由于串联缓冲电路由静态均压电阻和阻容吸收回路两部分构成，在串联晶 闸管链承担交直流电压联合作用过程中，均压电阻对直流成份呈现静态分压作 用，而均压电阻和阻容回路共同对交流成份呈现静态分压作用，实际上，由于 阻容回路的交流阻抗远小于均压电阻，交流成份分压主要由阻容回路来完成。 ( 1 ) 交流成份分压情况 由于阻容吸收回路的电容取c = 1 “f ，则可知交流阻抗如下： 华中科技大学硕士学位论文 z = 二一= 二一一3 2 f 七q 1 c 撇 、7 ( 1 3 3 ) 显然，这个交流阻抗远小于所有晶闸管的漏电阻，交流成份静态均压毫无 问题。 ( 2 ) 直流成份分压情况 如图1 7 所示，n 个晶闸管t h l 、t h 2 t h n 相串联，每个晶闸管两端匹配以 均压电阻r ，若均压电阻r 远小于串联晶闸管的漏电阻时，串联元件上的电压分 配则主要取决于电阻r 的数值，选取电阻值相同的r 后，各元件间的电压可达到 均衡运行，即达到静态均压的目的【1 5 l 。 图卜7 串联晶闸管静态均压分布图 串联元件漏电流越大，其漏电阻越小，选取均压电阻r 的数值时应从漏电 流最大的元件出发，使均压电阻达到应选的最小值。但是，电阻r 过小，流过r 电流较大，电阻上功耗便会增大，正确的选择应从电阻数值和功耗两个方面同 时考虑。 由图1 - 7 可知：假定n 个晶闸管串联时，其中t h l 的漏电流最小，漏电阻最 大，其余n 一1 个晶闸管的漏电流均最大，漏电阻最小。设t h l 的漏电流为i r ( m i n ) ， 其余元件漏电流为i r ( m a x ) ，两者之差为： 华中科技大学硕士学位论文 ，r ( “。) + ，l = ，r + ，2 7 缱= 1 1 一iz 由图1 7 可知，t h l 电压为：u 1 = i l r 总电压为： u = 0 1 ) ，：尺+ u 。 由上述各式可得电阻应满足下列方程式： 肌翮彘 0 苫2 ) ( 1 3 5 ) ( 1 3 6 ) ( 1 3 7 ) ( 1 3 8 ) 假定晶闸管t h l 特性极好，漏电流极小，t h l 承受电压也最高，从这种最不 利的情况出发选取均压电阻r ，则有： 肌商去 陋) ( 1 3 9 ) 显然，t h l 在关断状态下承受的电压最高，而其余元件各自承受的电压相同， 其值小于t h l 所承受的电压。 现允许漏电流最小的晶闸管t h l 可承受最大电压( 非理想均压时) 为正常 承受电压的2 倍，正常运行的漏电流取1 0 m a 时，则由式1 3 9 计算可得：r s7 4 4 k q ： 现允许漏电流最小的晶闸管t h l 可承受最大电压( 非理想均压时) 为正常 承受电压的1 5 倍，正常运行的漏电流取1 0 m a 时，则由式1 3 9 计算可得：r s 3 7 2k q 。 另外，根据预期的均压系数，静态均压电阻还可按照式1 4 0 计算： 1 9 华中科技大学硕士学位论文 邱s 伊) ( 等) - ( 志一，) ( 器) 羽4 ( 1 4 0 ) 式中，u r r m 、i r r m 为所用元件的断态反向重复峰值电压和电流，现取u r r m = 6 5 k v ，i r r m s 2 0 m a ( 晶闸管和二极管) ，k 。= 0 8 5 ，则r 庐3 0 ( k q ) 。 综上所述，兼顾静态均压效果和均压电阻功耗两个方面因数，现取静态均 压电阻为5 7 4 k q 。 ( 3 ) 静态均压电阻功耗的计算 正常运行时功耗为： 玮；慧+ 极端运行时功耗为： 玮= 5 7 4 1 0 3 ，11 0 0 0 0 1 1 【i 丁j 5 7 4 1 0 3 = 3 6 2 9 ( 矽) 因此，所有静态均压电阻功耗为： p 。6 6 。，= - 1 2 2 3 咳= ( 2 6 1 2 一一一4 3 9 2 矽 ( 1 4 1 ) ( 1 4 2 ) ( 1 4 3 ) 所以，缓冲电路的损耗约为3 5 0 0 w 左右。 ( 4 ) 晶闸管和二极管通态损耗的计算 晶闸管和二极管器件的通态压降要求是【“】： s c r ：v t m 三2 v ：d 1 0 d e ：v f m 三1 5 v 由于两组支路的实际工作电流分别为1 0 8 5 5 a 和2 1 7 1 0 a ，则器件总通态损 耗如下： 华中科技大学硕士学位论文 爿2 3 ( 等) ( 她s 叶警) x ( m 5 ) 卜o s l 狮 ( 1 4 4 ) 由上述计算可知，由于阻尼损耗与器件的通态损耗交替发生，因此，整个 高压t s c 装置的损耗约2 k w 。 ( 5 ) 静态均压电阻技术要求 静态均压电阻应为无感( 或电感极小) 电阻，具体参数如下： 阻值：5 7 4 k q 耐压：6 5 0 0 v 功率：1 0 0 w 5 ) 动态均压回路设计 根据动态均压确