摘要:本次论文针对10kV变电站的馈线系统研究在低压配电电网中引入晶闸管投切电容器实现动态的无功功率小补偿时，电容的作用、分析电容投切对电压稳定性的影响、计算三相电容同时投切所产生的冲击电流。最后用MATLAB软件对投切电容的瞬态补偿进行有参数仿真，根据仿真结果得出相关数据和相关建议。
关键词：晶闸管；投切电容；瞬态补偿；MATLAB仿真
引言：
电网的无功状况可以说是影响供电系统负载和运行的重要因素，有效补偿低压无功负荷可以有效改善输出电压的质量，提升配电变压器的效率，不仅能提高用户体验，还可帮助供电部门降低成本。随着科技的不断发展，新的无功补偿装置开始进入人们的视野。现代无功补偿装置结合相关的电子及电力技术，目前应用最为广泛的无功补偿装置为SVC。而本论文讨论的就是SVC中的其中一种——TSC[1]。
1 TSC（晶闸管投切电容器）的基本原理
如图1展示了晶闸管投切电容器的基本控制原理。图（a）展示了电容器的单相结构图。在电路中存在两个用于将电容器并联接入电网或从电路中断开的反并联晶闸管，当电容器开始工作时可能对引发电路的冲击电流，与电网并联的电容器会产生微弱的电感，此时该电容器的伏安特性就体现在电压-电流特性中，图（c）向我们展示了图（a）体现不出来的微弱电感情况。在实际电网的应用中，人们通常依据具体的无功需求用晶闸管将电容器投切为数组，就如图（b）中展示的那样。此时的晶闸管投切电容器就相当于一种可吸收容性无功功率的动态无功补偿装置，且控制过程是可调节的[2]。
2 投入时刻的选取
晶闸管投切电容器投入电容的时刻十分重要，晶闸管必须在电源电压和电容器设定的充电电压相等的时候才能开通。若两者的电压不相等，则会发生电容器两端的电压发生跃变的情况，由此引发的冲击电流很有可能会造成电路的震荡，严重时可能会减少晶闸管的使用寿命。
因为理想的投切时刻为电源电压与电容器预先的充电电压相等的情况，所以根据电容器的特性方程可以得出在电容器在导通之前的充电电压若与电源电压相等，由于此时处在电源峰值点，若在这时投入电容则电流ic的值会变为0，因为此点电源电压的时间导数也为0。在电源电压的变化率经历了为0的时刻后，电容电压的变化率才会依照正弦函数的规律不断上升。将晶闸管的出发相位固定于电源电压的峰值点时，整个电容的投入过程电流并不会发生跃变，所以并不会导致冲击电流的产生[4]。
图1 图2
3 主电路的设计
上图2中的（a）、（b）、（c）展示了三种控制开关不同的三角形接线法。图（a）电容器采用了两只反并联晶匣管构成的无触点投切开关。当正向电压触发到了晶匣管门级上方的信号时，晶匣管实现导通投入电容。相反，当触发信号不复存在使，晶匣管切除电容器停止工作。上文中提及了晶匣管投入的触发点，即系统电压与电容器预定电压相等的情形。晶匣管进行重投时便需要考虑系统电压是否与电容器残压相等。若两者的值相差过大便会形成强烈的冲击电流曹承晶匣管的损坏。但是确定何时开始进行晶匣管的触发时间很不好掌握，所以我们在触发信号的选择上采取脉冲序列的方式，在触发脉冲序列的时间选择上采取晶匣管承受反压的时刻，这样我们便不需要再去测量电容器的电压，图（b）较图（a）而言去掉了一组晶匣管。为保证电容器和晶匣管运行的稳定性，在晶匣管投入电容之前必须要保证其两端的电压接近零，进行过零检测后才能触发晶匣管。与图（a）内控接线不同的是，图（c）采用的是外控接线的方式。当晶匣管两侧的电流压力超过其承受范围时，触发信号便会消失，以保障系统的平稳运行。
图（d）、（e）、（f）三相电容器均采用了星型接线的方式。星型接线的方式虽然不会引发无功功率的过补偿，但是需要在装置中安装零电压触发电路，一定程度上增加了使用成本。图（d）的接线方案虽然降低了晶匣管的电压定额，但同时也造成了成本的提高；电流定额的增大会导致投切时不平衡的中线电流的产生。图（e）可以随便选择电容器组，但这种无中线的星型连接方式没有中线点位的固定，其在相同容量条件下流经晶匣管的电流相较于图（a）而言变大了，但是晶匣管承受的电压仍然不变。图（f）相较于前两者而言去掉了一相晶匣管，其晶匣管能承受的额定电压与图（e）相同，但是电容器的残余电压并不稳定在一个值。
由于三角形接线法实现较为容易，且价格低廉，非常适合于低压系统的电容器接线。本设计采用的是外控三角形接线法，可参照图3所示的图（c）部分。
本设计中采用了融合了接触器与晶闸管两者的优点，采取两者相结合的方式实现电容器的投切。当投入电容时，在电压过零时刻晶闸管电子开关导通，电容器接入电网，此交流接触器与晶闸管处于并联的连接状态。此时电路具备一定的稳定性，交流接触器在晶闸管断开时将独自连通电网与电容器。相反的是，当交流接触器断开时，这是晶闸管便独自实现电网与电容器的连通，当晶闸管的触发信号被切断时晶闸管实现自然关闭，上述过程发生在电流过零的时刻。上图3所示的接线图不仅具备了晶闸管的电流过零切除及电压过零投入等功能，还具备相当的稳定性。
4 晶闸管投切电容器的仿真分析
首先根据负载功率因数为95％来补偿，然后根据已知的有功功率P计算Qc。关于峰值切投的原理：假设三相电压为一个标准的正弦交流电压：
从三相仿真结果可知，投入时间相同情况下，无法消除冲击电流，所以对三相投切时间设置三个不同时间点，设置三相投切点为5m，7.7ms以及10.4ms，仿真结果如图7所，。可看出基本上可以消除冲击电流。
通过上述仿真可知，随着补偿容量的增加，冲击电流将被抑制。
参考文献:
[1] 李兵;基于MSP430F449的磁阀式可控电抗器的控制研究[D];山东大学;2005年.
[2] 田新强;基于DSP控制的磁阀式可控电抗器研究[D];湖南大学;2007年.
论文作者:刘得付
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/15
标签：电容器论文; 晶闸管论文; 电压论文; 电流论文; 电容论文; 接线论文; 电网论文; 《电力设备》2019年第8期论文;