（电力系统及其自动化专业论文）复合型tsc投切冲击电流的抑制与控制研究.pdf

r e s m a y2 0 10 f a c u l t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 9 0 摘要 摘要 随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需要也日益增加，因此大量的无功补 偿装置应用于电网中。晶闸管投切电容器( 简称t s c ) 是一种广泛应用于配电系统 的动态无功功率补偿装置。该装置的优点是操作寿命长、投切时刻可以精确控制、 响应速度快，但是该装置目前还存在以下问题：导通损耗大造成的运行可靠性低、 装置成本高、不恰当的投切时刻会产生较大的冲击电流，容易损坏晶闸管或者击穿 电容器。 针对t s c 装置存在的问题，作者对t s c 主电路结构和投切时刻进行大量的理 论分析，就何如解决问题进行深入的研究。本文首先介绍了t s c 装置的基本情况和 国内外晶闸管投切电容器技术的发展情况和趋势；然后通过建立t s c 装置的数学模 型，分析其投切和关断的过程，着重研究的是无论单相还是三相t s c 中晶闸管阀端 电压和电容器两端承受电压的问题；接着研究一种复合型的以8 0 c 1 9 6 k c 为核心的 智能无功补偿装置，该装置通断器件采用的是晶闸管良好的动态过程性能和交流接 触器良好的稳态性能相互结合形成的复合开关，通过两对晶闸管阀和复合开关控制 三组电容器的投切，从而进一步提高装置的可靠性和降低成本。在硬件上，电容器 组连接方式采用的是缺相控制三角型外接法，优化主电路结构并且通过分析吸收电 路的基本原理来设置电路参数，根据串联电抗器抑制冲击电流的原理选择合适的电 抗器；在软件上，采用c 语言编程，结合实际硬件情况编写出合理的投切控制程序， 通过选取合适的电容器投切阈值来避免投切振荡，该阈值通过改进后的工程算法得 出。本文最后通过s i m u l i n k 仿真，分析晶闸管两端电压、电容器残压和冲击电流 的情况，得出无论切除次序如何，三个电容器上的残压始终为线电压峰值的i 3 6 6 、 1 、0 3 6 6 倍；a 、c 晶闸管两端的电压始终在一定的范围变化等结论，从而验证投切 理论的正确性和方案的可行性。 关键字：晶闸管投切电容器；复合开关；冲击电流；过零触发 广东工业大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fp o w e rl o a d s ，m o r er e a c t i v ep o w e ri s r e q u i r e d ，s ol a r g e n u m b e ro fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sa r eu s e di n g r i d t h y r i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r ( t s c ) i sad y n 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 nd e v i c ew i d e l yu s e di n d i s t r i b u t i o ns y s t e m t h ea d v a n t a g e so ft h i sd e v i c ea r e l o n go p e r a t i o nl i f e ，a c c u r a t e s w i t c h i n gt i m ea n dh i g hr e s p o n s es p e e d ，b u tt h ed e v i c ei sa l s oo ft h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ： p o o rr e l i a b i l i t yd u et ol a r g es w i t c h i n gl o s s ，h i g hi n s t a l l a t i o nc o s t s ，s e v e r es u r g ec u r r e n t c a u s e d b yt e r r i b l es w i t c h i n gi n s t a n t ，g r e a tp o s s i b i l i t yo fc a p a c i t o ra n dt h y r i s t o r s b r e a k d o w n a i m i n ga tt h ep r o b l e m si nt s c ，t h es t r u c t u r eo ft s cc i r c u i ta n ds w i t c h i n gt i m ea r e a n a l y z e da n dt h em e t h o d st os o l v et h ep r o b l e m sa r e s t u d i e d f i r s t l y , t h ec u r r e n t d e v e l o p m e n to ft h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o rt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a di s i n t r o d u c e d ；t h e nb ye s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft s cd e v i c e ，t h es w i t c h i n ga n d b r e a k i n gp r o c e s si sa n a l y z e d ，r e s e a r c hi sf o c u s e do nw h e t h e rs i n g l ep h a s eo rt h r e e p h a s e t h y r i s t o rv a l v et s ci nw i t h s t a n dv o l t a g ea n dc a p a c i t o rv o l t a g ep r o b l e m ；f i n a l l ya c o m p o u n di n t e l l i g e n tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c eb a s e do no r d e r8 0 c19 6 k ci s r e s e a r c h e d ，w h i c ht a k e st h ea d v a n t a g eo ft h y r i s t o r sg o o dp e r f o r m a n c ea n ds a t i s f i e s s t e a d y 。s t a t ec h a r a c t e ro f a cc o n t a c t o ra sw e l la st h e i rc o m b i n a t i o ns w i t c h t h r o u g ht w o p a i r so ft h y r i s t o r sa n dc o m p o s i t es w i t c hv a l v e s ，t h r e eg r o u p so fc a p a c i t o r sa r ec o n t r o l l e d ， s ot h e e q u i p m e n tr e l i a b i l i t y i s i m p r o v e da n dc o s t si sr e d u c e d i nh a r d w a r e ，t h e c o n n e c t i n gt y p eo fc a p a c i t o rb a n ka d o p t st h el a c k i n go fp h a s ec o n t r o lo ft r i a n g u l a r e x t e r n a lm e t h o dt oo p t i m i z et h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r ea n dt h r o u g ha n a l y z i n ga b s o r p t i o n c i r c u i t sb a s i cp r i n c i p l e st os e tt h ec i r c u i tp a r a m e t e r s ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et h a t s e r i e sr e a c t o rc a ni n h i b i tt h ei m p a c tc u r r e n tt os e l e c tt h es u i t a b l er e a c t o r ；i ns o f t w a r e ， u s i n gt h ecl a n g u a g ep r o g r a m m i n g ，t h i st e x tw r i t e sar e a s o n a b l es w i t c h i n gc o n t r o l p r o g r a mc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lh a r d w a r e w ec a na v o i ds w i t c h i n go s c i l l a t i o nb y s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t ec a p a c i t o rs w i t c h i n gt h r e s h o l d ，w h i c hi sa v a i l a b l eb yt h e i m p r o v e de n g i n e e r i n ga l g o r i t h m a tl a s t ，t h r o u g ht h es i m u l i n ks i m u l a t i o n ，t h i st e x t a n a l y z e st h et h y r i s t o rv o l t a g e ，t h ec a p a c i t o rr e s i d u a lv o l t a g ea n ds u r g ec u r r e n t ，a n dd r a w s i i 人b s ，i 、r 人c ，r c o n c l u s i o n st h a tn om a t t e rh o wt h er e m o v a lo r d e r ，t h er e s i d u a lv o l t a g eo nt h r e e c a p a c i t o r si sa l w a y st h e1 3 6 6 ，1 ，0 3 6 6t i m e st h ep e a kv a l u eo fl i n ev o l t a g ea n da ，ct h e v o l t a g ea c r o s s t h et h y r i s t o ra l w a y sc h a n g e si nac e r t a i nr a n g e ，a n dt ov e r i f yt h e c o r r e c t n e s so ft h et h e o r ya n dt h ef e a s i b i l i t yo fp r o g r a m k e y w o r d s z t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ；c o m p l e xs w i t c h ；s u r g ec u r r e n t ；z e r o 。c r o s s i n g t r i g g e r i i i 广东工业大学硕士论丈 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 目录i v c a t a l o g v i 第一章绪论1 1 1 选题背景与意义1 1 2 论文的主要内容2 第二章国内外晶闸管投切电容器技术的研究概况3 2 1t s c 的基本原理和电容器分组3 2 2t s c 的分类4 2 3t s c 的主电路4 2 3 1 晶闸管阀4 2 3 2 电容支路串联电抗器4 2 3 3t s c 主接线方式5 2 4 触发电路6 2 5 检测参数和控制策略7 2 5 1 控制物理量的测量及算法7 2 5 2 控制物理量的选取及控制策略8 2 6 研究方向和研究趋势9 第三章t s c 投切时刻数学模型分析1 1 3 1 晶闸管投切电容器数学模型( 单相) 1 1 3 2 晶闸管投切电容器数学模型( 三相) 1 3 3 3 本章小结一l8 第四章硬件电路的设计1 9 4 1 主电路和装置框架1 9 4 2 控制主板2 0 4 3 数据采集电路和无功计算2 0 4 3 1 电网频率的测量2 1 i v 目录 4 3 2 电压、电流有效值的测量2 1 4 3 3 无功功率的计算和功角的判断2 1 4 4 过零检测电路和触发电路2 3 4 5 谐波对晶闸管投切装置的影响2 3 4 5 1 谐波对电容器的危害2 4 4 5 2 电容器组谐波电流放大及谐振的条件2 5 4 5 3 串联电抗器抑制谐波放大的原理2 8 4 6 电容器支路串联电抗器参数设置2 9 4 7 晶闸管r c 吸收电路3 0 第五章电容器控制程序的设计3 3 5 1 控制策略和电容投切阈值选取3 3 5 2 电容器投切程序3 5 5 3 本章小结3 7 第六章晶闸管投切电容器仿真结果分析3 8 6 1m a t l a b s i m u l i n k 工具的特点3 8 6 2 单相晶闸管投切电容器仿真3 9 6 3 三相晶闸管投切电容器仿真4 l 6 4 本章小结4 9 结论与展望5 0 参考文献5 2 攻读硕士学位期间发表论文5 5 独创性声明5 6 致谢5 7 附录5 8 v 广东工业大学硕士论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i v c o n t e n t s v i c h a p t e r1 ：i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2m a i nc o n t e x t 2 c h a p t e r2 ：t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft s ct e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d 3 2 1b a s i cp r i n c i p l e so ft s ca n dc a p a c i t o rg r o u p i n g 3 2 2c l a s s i f i c a t i o no ft s c 4 2 3m a i nc i r c u i to ft s c 4 2 3 1t h y r i s t o rv a l v e 4 2 3 2i ns e r i e sr e a c t o ro fc a p a c i t o rc i r c u i tb r a n c h 4 2 3 3m a i nc o n n e c t i o nm o d eo ft s c 5 2 4t r i g g e rc i r c u i t 2 5d e t e c tp a r a m e t e ra n dc o n t r o ls t r a t e g y 2 5 1m e a s u r e m e n ta n da l g o r i t h mo fp h y s i c sp a r a m e t e r 2 5 2c h o i c e o fp h y s i c sp a r a m e t e ra n dc o n t r o ls t r a t e g y 2 6a s p e c ta n dt r e n do fr e s e a r c h c h a p t e r3 ：m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft s c d e v i c e ss w i t c h i n ga n db r e a k i n g 3 1s i n g l e p h a s em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t s c 3 2t h r e e p h a s em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft s c 3 3s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r c h a p t e r2 i ：d e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t 4 1m a i nc i r c u i ta n dd e v i c e sf r a m e w o r k 4 2c o n t r o lm a i n b o a r d 4 3d a t as a m p l i n ga n dr e a c t i v ep o w e rc a l c u l a t i o n 4 3 1m e a s u r e m e n to f p o w e rs y s t e m sf r e q u e n c y 4 3 2m e a s u r e m e n to f v o l t a g ea n dc u r r e n t v i v i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 近年来，随着电力电子技术的发展，在工业领域内大功率的电力电子设备得到 广泛应用。然而，由于电力电子设备的非线性特性，运行时会产生大量的谐波；同 时，这些电力电子设备驱动着大量低功率因数，冲击性负荷，又产生变化大而急剧 的无功功率，共同使得电网质量恶化，造成电压波动、谐波过大等【l 】。 电压是衡量电能质量的一个重要指标。质量合格的电压应该在供电电压偏移， 电压波动和闪变，电网谐波和三相不对称程度这四个方面都能满足有关国家标准规 定的要求。保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。电 力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。电力系统中各种无功电源的无功功 率输出应该满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压会 偏离额定值【2 】。实现无功功率的平衡，不仅改善电压质量，对提高电网运行的经济 性也有重大作用，而且从降低网络功率损耗考虑，应该尽量避免通过电网元件大量 地传送无功功率，因此，仅从全系统的角度去进行无功功率平衡是不够的，更重要 的是还应该分地区电压等级地进行无功功率平衡。装设并联无功补偿设备是提高用 户功率因数的重要措施。对于一个具体的用户，负荷离电源越远，补偿前的功率因 数越低，安装补偿设备的降损效果也就越大。因此各种新型的自动化、快速无功功 率补偿装置相继出现，晶闸管投切电容器( t s c ) 是一种广泛应用于配电系统的动 态无功功率补偿装置。与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿 命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容 器接入电网，大大减少了投切时的冲击电流和操作的困难，其动态响应时间约为 0 0 1 0 0 2 s 。晶闸管投切电容器能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率 因数，实现动态无功功率补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。另外， 晶闸管投切电容器虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗 比较小的优点。t s c 只能进行分组投切，不能连续调节无功功率，只有和t c r 配 合才能实现无级调节无功【3 j 。 在工程应用中，t s c 经常会由于投切时刻的选择不当而产生很大的冲击电流( 也 可以称为合闸涌流) 。这冲击电流可能会损坏晶闸管或者击穿电力电容器，并且给电 网带来高频冲击等不良情况。当供电系统或者负荷存在大量谐波的时候，由于谐波 广东工业大学硕士论文 的放大，往往会导致电容器的损坏或者晶闸管的烧毁。 因此，针对抑制冲击电流这个关键的问题，本文在深入研究t s c 装置的设计和 投切冲击电流产生的原理的基础上，抑制t s c 装置冲击电流及进一步优化装置。 1 2 论文的主要内容 随着用户对t s c 装置性能的要求不断提高，进一步提高t s c 装置的可靠性，降 低产品的成本已经成为t s c 技术领域的重要课题之一。针对目前存在问题，笔者结 合无触点开关和交流接触器各自的优点，设计了一种由单片机8 0 c 1 9 6 k c 控制的复合 型晶闸管投切电容器装置。本文着重分析了晶闸管投切电容器的数学模型、投切时 刻的选择和如何抑制冲击电流等关键问题，并提出了合理的解决方案。 论文的第二章主要从t s c 的主电路形式与控制系统等方面介绍了t s c 的基本概 况和国内外晶闸管投切电容器技术的发展情况和趋势。第三章介绍了t s c 的数学模 型，并且对投切时刻进行了数学分析。第四章阐述了复合型t s c 装置的硬件设计， 其中包括晶闸管r c 电路参数的设置和电容器支路串联电抗器的选取等问题。第五章 结合投切过程设计出控制投切算法，从算法上抑制冲击电流。第六章搭建t s c 仿真 模块，得出仿真结果，并且对其分析得出结论。 2 第二聿国内外晶闸管投切电容器技术的研究概况 第二章国内外晶闸管投切电容器技术的研究概况 2 1t s c 的基本原理和电容器分组 t s c 的基本原理如图2 1 所示，单相电路中的两个反并联晶闸管起着将电容器 接入电网或从电网断开的作用，而串联的电感主要是用来抑制电容器投切电网时可 能造成的冲击电流，还可抑制高次谐波。因此，当电容器投入时，t s c 的电压电流 特性就是该电容的伏安特性。在工程实际中一般将电容器分成几组，每组都可由晶 闸管投切。根据电网的无功需要投切这些电容器，t s c 实际就是断续可调的吸收容 性无功功率的动态无功补偿器。 a 。 u i coki 图2 - 1t s c 基本原理图 f i g u r e2 - 1b a s i cs c h e m a t i cd i a g r a mo ft s c 当t s c 用于三相电路时有两种接法：第一，三角型接法，一般用于共补；第二， 星型接法，一般用于分相补偿。每一相都可以设计成分组投切，以提高静态补偿精 度。电容器分组有等容分组和不等容分组两类。等容分组易于实现自动控制，但补 偿级差大；不等容分组利用较少的分组就可以获得较好的补偿级差。因此电容器分 组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，但综合考虑 到系统复杂性及经济性，一般采用以下两种方法： 1 ) 采用n 1 个电容值为c 的电容，和一个电容值为c 2 的电容，这样系统从零 到最大补偿量的调节则有2 n 级【4 j 。 2 ) 采用二进制编码方式，即1 2 4 8 2 n 。1 编码方式，其中1 1 为补偿电容的个数。 该方式可产生的无功补偿级数为2 n ，且无功补偿等级之间的级差相等，为最小补偿 电容值。该分组方式的特点是无功补偿级数多且便于控制程序的设计【5 】。 广东工业大学硕士论文 2 2t s c 的分类 t s c 系统是一个对供电网络波动无功进行动态补偿的相对独立系统，其应用形 式有很大的灵活性，可按照电压等级划分和应用范围划分： ( 一) 按电压等级划分 ( 1 ) 低压补偿方式：适用于l k v 及其以下电压的补偿。使用单一晶闸管阀即 可满足耐压要求，可直接接入低压系统进行补偿。 ( 2 ) 高压补偿方式：即补偿系统直接接入电网进行高压补偿。关键问题是要 解决补偿装置晶闸管阀的耐压，即多个晶闸管串联的均压及晶闸管触发控制的同步 性。主电路接线有直接补偿、降压补偿和调压补偿3 种方式。 ( 二) 按应用范围划分 ( 1 ) 负荷补偿方式：直接对某一负荷进行针对补偿。可以对电网中频繁启动 的运转负荷进行动态补偿，消除对电网的无功冲击。 ( 2 ) 集中补偿方式：对电网供电采取系统补偿的方法来解决整个电网的各种 无功功率的波动问题，一般为高压补偿方式。 2 3t s c 的主电路 2 3 1 晶闸管阀 主电路中，晶闸管阀常见的接线方式有两种：晶闸管与二极管反并联接线和晶 闸管反并联接线。采用晶闸管与二极管反并联方式，投资小。只要电容器在电源峰 值时投入，晶闸管在电流过零时自动切断，无论电容器的投或切，都不会产生冲击 电流和过电压，控制简单，电容器无需放电既可从新投入，从而实现电容器的频繁 投切。该接线方式存在的问题是，晶闸管承受的最大反向电压为电源电压峰值的2 倍。而采取晶闸管反并联方式，在晶闸管阀关断时，如果采用措施将电容器的残压 放掉，晶闸管阀承受的最大反向电压为电源电压的峰值。晶闸管反并联方式可靠性 高，即使某相损坏1 个晶闸管，也不会导致电容器误投入，但投资比较大，控制比 较复杂。晶闸管和二极管反并联方式的响应速度比两个晶闸管反并联方式差。 在主电路中，晶闸管还有并联有r c 吸收电路，用于吸收浪涌电流和抑制过电 压。要求比较高时，设置氧化锌压敏电阻以吸收操作过电压，保护电容器。 2 3 2 电容支路串联电抗器 为了限制晶闸管误触发或者事故情况下引起的合闸涌流，抑制高次谐波，限制 短路电流，主电路中通常加装串联电抗器。当串联电抗器是以抑制谐波放大为主要 4 第二章国内外晶闸管投切电容器技术的研究概况 目的时，其参数应根据实际存在的谐波情况进行选择。若选择的电抗器值使电容器 回路在最低谐波频率下呈现出感性，则可消除谐波放大现象【4 1 。 目前国内并联电容器配置的电抗器，其电抗率主要有以下4 种类型： 0 5 ， 4 5 ，6 ，1 2 - 1 3 。配置 0 5 ( 有时到o 0 1 0 0 2 ) 电抗率的电抗器，主要 目的是限制电容器的合闸涌流；采用电抗率为4 5 或6 的串联电抗器，可抑制5 次以上的谐波电流；采用电抗率为1 2 1 3 的串联电抗器，可抑制3 次以上的谐波 电流。 由于串联电抗器后，电容器端电压有所提高，所以应选择电容器的额定电压高 于电网的额定电压，以确保并联电容器能够长期安全运行。由于空心电抗器限流效 果好，造价较高，而铁心电抗器限流效果较差，但造价低，所以在串联电抗器选型 时，应通过技术经济比较来确定。 2 3 3t s c 主接线方式 当t s c 用于三相电路时有两种接法：第一，三角型接法，一般用于共补；第二， 星型接法，一般用于分相补偿。三角型接法只适用于三相共补电路。如果三相负荷 不平衡、三相的功率因数角和电流差异比较大，t s c 主电路只能采用星型接法，以 满足分相补偿的要求。但是t s c 采用三角型接法有一定的优势：( 1 ) 可降低晶闸管 阀的电流容量；( 2 ) 电源电压比较能够保证；( 3 ) 避免中线电流。如果采用星型接 法，那么晶闸管中的电流为三角型接法的3 ，而且在投切过程中有较大的中线电流， 将产生较大的电压漂移，影响投入时的精确角度，可能产生投切冲击电流【6 】。 t s c 常见的主接线方式有以下几种【7 】：( 以晶闸管反并联方式的晶闸管阀为例， 见图2 - 2 ) ( 1 ) 星型有中线接法：晶闸管电压降低，可进行分相投切；但由于中线存在， 对3 倍次的谐波无抑制作用，所以晶闸管电流增大，因此该接线方式适合系统电压 波形畸变率很小且电网负荷三相不平衡的情况。为限制涌流和抑制谐波，通常在中 线上加装限流电抗器。 ( 2 ) 星型无中线接法：与星型有中线相比，该接线方式由于取消了中线，对3 倍次谐波有抑制作用，对系统无污染；但需要两相电容才能形成回路，不能进行分 相投切，该方式不合适补偿电网负荷三相不平衡的情况。 ( 3 ) 三角型外接法：晶闸管处于电容器三角型的外部。按电路理论中的“y 变换原理，在电容总量相等的情况下，三角型外接法和星型无中线对外电路所表现 广东工二此大学硕士论文 的特性都是一样的。实际中，多采用三角型接法。三角型外接法对3 倍次谐波也有 抑制作用；与三角型内接法相比，体积小，但不容易控制，投切时暂态过程较长。 适合于三相平衡负载。 ( 4 ) 三角型内接法：该接法对系统无污染，相对于上面三种接法，晶闸管承 受的电流小，只有相电流的5 8 ，但晶闸管承受的电压比较大。 ( 5 ) 缺相控制三角型外接法：只用两个晶闸管阀实现一组电容器的投切。该 装置只有在晶闸管两端的电压接近零时才允许该晶闸管被触发。当晶闸管两端的电 压过大时，该晶闸管的触发信号被闭锁。当晶闸管阀端电压过零点附近触发晶闸管， 电流有一个暂态过渡过程。如果电源的等值电抗和串联电抗等参数配合较为合理， 则这个暂态过程的持续时间不长，幅值也不大，并且很快过渡到稳定状态。值得注 意的是，晶闸管阀切除后，补偿电容上的残压超过了线电压峰值，这不仅对并联补 偿电容器的耐压提出了更高的要求，而且对晶闸管的耐压也提出了更高的要求。 ( 6 ) 缺相控制星型无中线接法：由于电容器剩余电压的不确定性，晶闸管承 受的最大电压和三角型内接法相同，也需要过零触发电路。 杂 1 毛 嚣 工工 乙 z j 一 毒j - 毒毒事事 图2 - 2t s c 常见的主接线方式 f i g u r e2 - 2t s cc o m m o nm a i nc o n n e c t i o n 2 4 触发电路 选取合适的触发时刻总的原则是t s c 投入电容器组时，也就是晶闸管开通的时 第二章国内外晶闸管投切电容器技术的研究概况 刻，必须是电源电压与电容器残压幅值和方向相同。无功电容器残压是多少，往往 都不易测量，所以必须通过一些方法来解决电容器残压测量的难题。 通常有用以下方法来解决这个问题： ( 1 ) 过零触发电路1 8 】 晶闸管电压与电容器的残压相等时，晶闸管电压为零，光电耦合器就会输出一 个负脉冲，如果此时投入指令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲去触发 晶闸管阀，保证晶闸管的平稳导通。t s c 投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断 开，直到微控制器下次发出投入指令，t s c 才会在零电压时重新投入。 ( 2 ) 反压触发 一般无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值，则在一个周期内， 晶闸管总有处于零压或反压的时刻【8 】。利用这一点，在晶闸管承受反压时，触发脉 冲序列开始，这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态。 ( 3 ) 利用相位关系触发 当u b c ，u c a ，u a b 方向过零时，u a ，u b ，u c 均正处于峰值点，所以利用u b c ，u c a ，u a b 作为触发信号，触发a 、b 、c 三相的晶闸管，可保证各相晶闸管在峰值时触发【9 】。 2 5 检测参数和控制策略 2 5 1 控制物理量的测量及算法 ( 1 ) 相位差检测原理：一种常用的测量方法。只要测得电网电压和电流的过 零时间差，既可求得功率因数角和相应的功率因素值。相位差采样是用过零采样电 路结合计算机定时完成的，当电压信号正向过零时，将向单片机发出中断申请信号， 单片机响应中断，其内部定时器开始记数，当电流信号正向过零时，定时器停止记 数，显然此时定时器数值与两者的过零时间差，即相位差成正比。定时器数值不仅 反映功率因数角的大小，而且还可以判断系统无功负载的性质，既可判断是欠补偿 还是过补偿【1 0 】。还有一种比较简单的方法，就是电压信号过零两点间的参考信号( 有 固定的幅值和电流信号的相位) 的积分【1 1 1 。 ( 2 ) 无功功率的计算一般可以采用以下四种方法： 1 直接计算无功功率：根据电压、电流有效值的定义式可得： ( 式2 1 ) 因此得到由一周期内的采样值计算电压、电流有效值的公式为： 7 广东工业大学硕士论文 u = 志酗n - 1j = 志挚c 龃2 ， 式中n 为每周期t 的采样点数，且n = i + t a t ，a t 为采样时间间隔，电压单 位为伏( v ) ，电流单位为安( a ) 。 视在功率为：s = u i ；有功功率p 的定义式为：p = 专f ”( t ) i ( t ) d t 则由一周期内 的采样值计算有功功率和无功功率的公式为： 尸2 志酗q = n 尸2 ( 式2 3 ) 式中有功功率p 的单位为瓦特( w ) ，无功功率o 的单位为乏( v a t ) 。 2 计算无功电流间接得到无功功率：相电流由正到负的瞬间，相电流的瞬时值 等于该相无功电流的最大值。再经过计算就可以得出无功功率 3 任两时刻的电压、电流作为一组数据，就能把无功功率检测出来。按照计 算公式： q = ( 材l 如一“2 i l ) 2 s i n a ( 式2 4 ) 式中a 为任意两个时刻的电角度差。 这样取若干组数据，再经过数字滤波后，即可以把半个工频周期内无功功率既 准确又快速地检测出来【1 2 】。 4 基于正交小波变换的基波无功功率实时检测方法：该方法用电力系统中电 压、电流信号离散采集的数据，可方便对系统功率因数实时检测，能有效地从含各 次谐波和随机干扰的电压、电流信号中分解出无功补偿所需的基波无功分量，从而 得到无功补偿所需的实时无功功率【1 3 】。 2 5 2 控制物理量的选取及控制策略 控制方式一般分为按功率因数补偿和按无功功率补偿两种，有的还辅以电压控 制。每一种单独的控制方式均有其不足之处。例如，单独按功率因数补偿，在负载 电流比较小时，常会发生投切振荡。计算机作为控制元件，为实现多变量控制提供 可能性。比较合理的补偿应该做到以下几点：最大限度地利用补偿设备提高电网的 功率因数；不发生过补偿；无投切振荡；无冲击投切；反应灵敏、迅速。 按功率因数c o s p 控制：根据存入计算机中的整定功率因数c o s a p j ，由检测到的 运行参数c o s a p 控制所需的补偿电容器容量。电容器组投入后，只有当 8 第二章国内外晶闸管投切电容器技术的研究概况 c o s t p 2 i n ，即流入电容器 组回路的谐波电流和流入系统的谐波电流均可能大于谐波电流，这就是电容器对谐 波电流的放大现象。进入电力系统的谐波电流和进入电容器组的谐波电流的分配将 因谐波次数的不同而不同，可能出现i l b0 慨0 的情况，也可能出现l l 白i i 慨i i 的情 况。当i i b8 帆0 时，称为系统谐波电流放大；当i l ，白0 慨0 时，称为电容器谐波电 流放大；当i i c 0 慨0 和i i s i i 慨0 同时发生时，称为谐波电流严重放大。较大的i c n 使电容器过载，最为严重的情况是：当n x s = x c n 时，系统等值电抗n x s 和电容器 组回路容抗x c n 构成谐振条件，系统对1 1 次谐波产生并联谐振，电路即发生了电流 谐振。此时，进入电容器的谐波电流和进入电力系统的谐波电流分别为 ：毕- ( 1 删 ( 4 2 2 ) = l = - i s i ( 4 2 3 ) 式中s = n x s r s 称为谐振电路的品质因数。 系统的基波等效电阻r s 越小，或者谐波次数越高，则流过系统和电容器的电流 i s n 和i c n 就越大。极限情况是：r s = 0 ，珂= o o ，毛= 乇= o o 。以上分析表明，当 为提高系统功率因数而进行电容无功功率补偿时，如果e g 容补偿装置参数选择不当， 就可能产生电容器谐波电流放大或谐振现象，致使电容器因长时间处于负荷工况而 烧毁，或者工作在过电压情况下而击穿。 第四章硬件电路的设计 由谐振条件可知，谐波共振的次数为 刀= f o f = 扛了巧 ( 4 2 4 ) 式中，f o 为谐振频率，f 为系统频率。 由于在供电系统中，通常有r 跏 1 ，必有( 拧2 k l 一1 ) x c “力2 x s ) o ，即r 1 2 k 上一1 0 得到刀 l k l 。此 时，电容器组对1 1 次谐波电流放大，下表列出k l 取不同的值时，可能产生谐波电 流放大的谐波次数及频率。 ( 二) 对1 1 次谐波电流严重放大的条件 对n 次谐波电流严重放大，是指电容器和系统对n 次谐波电流均放大。 若系统和电容器的额定电压分别为u s n 和u c n ，电容器的额定容量为q c n ，则系统 电抗与电容器容抗之比 k 。：墨丛墼：纽 ( 4 2 6 ) 。x c s kp 1sns k 式中，s k 为系统短路容量，s n 为系统额定容量。 令卢= ( n x 工一k n ) ( n x s ) ，将x l = k l k ，x s = k s x c 代入，得 卢= ( 刀2 x 工- 1 ) ( n 2 x s