TSC無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、TSC無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要：本文論述了電力系統(tǒng)無功功率的產(chǎn)生及影響。從電路結(jié)構(gòu)上分析了晶閘管投切電容器（TSC）的工作原理，設(shè)計并建立了TSC的主電路和控制觸發(fā)系統(tǒng)。在TSC控制策略方面，采用初始脈沖和后續(xù)脈沖疊加的控制方法。實驗系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，電容器投入無涌流，無暫態(tài)過程。關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；晶閘管投切電容器(TSC)；復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)；零電壓觸發(fā)1. 引言在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，阻感負(fù)載占有很大的比例。對于較普遍的阻感性負(fù)載，電阻消耗有功功率，而電感則在一周期的一部分時間把從電網(wǎng)吸收的能量存儲起來，另一部分時間再把儲存的能量向電源和負(fù)載釋放，其本身并不消耗能量【1】。電

2、力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的，負(fù)荷也以阻感性負(fù)荷為主，因而補(bǔ)償以并聯(lián)電容器為主要手段，通常將電容器分為若干組投切。固定并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)在于不產(chǎn)生諧波、運(yùn)行維護(hù)簡單、可靠性高，但無法解決過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)膯栴}。自動投切電容器裝置根據(jù)控制開關(guān)的不同，可分為斷路器、接觸器投切電容器裝置和晶閘管投切電容器裝置。斷路器、接觸器投切電容器裝置的結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但其響應(yīng)速度慢、不能頻繁投切，主要應(yīng)用于性能要求不高的場合。晶閘管是無觸點(diǎn)開關(guān)，其使用壽命可以很長，而且晶閘管的投入時刻可以精確控制，能做到快速無沖擊的將補(bǔ)償電容器接入電網(wǎng)，大大降低了對電網(wǎng)的沖擊，保護(hù)了電容器，可以頻

3、繁投切。2. TSC裝置基本原理TSC的基本原理如圖1所示，其中的兩個晶閘管只是起將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能造成的沖擊電流。當(dāng)電容器投入時，TSC的電壓電流特性曲線就是該電容器的伏安特性，一般將電容器分成幾組，可根據(jù)電網(wǎng)無功需求量來投切這些電容器，其電壓電流特性曲線按照投入電容器組數(shù)的不同而變化。當(dāng)TSC用于三相電路時，可以三角形聯(lián)結(jié)，也可以星形聯(lián)結(jié)，每一相都可以設(shè)計成分組投切。電容器分組的具體方案比較靈活，一般希望能組合產(chǎn)生的電容值級數(shù)越多越好，但綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)性問題，可以采用二進(jìn)制的方案，即采用k-1個電容值均位C的電容，

4、和一個電容值為C/2的電容，這樣的分組法可使組合成的電容值有2k級。TSC只有兩個工作狀態(tài)，即投入、斷開狀態(tài)。投入狀態(tài)下，反并聯(lián)晶閘管之一導(dǎo)通，電容器起作用，TSC發(fā)出無功功率；斷開狀態(tài)下，反并聯(lián)晶閘管均阻斷，TSC支路不起作用，不輸出無功功率。3. TSC投入時刻的選取選取TSC投入時刻總原則是，TSC投入電容的時刻，也就是晶閘管開通時刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時刻。根據(jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容器上的電壓有躍變時（電容器投入時電源電壓與電容器充電電壓不相等），將會產(chǎn)生沖擊電流，很可能損壞晶閘管或給電源帶來振蕩。3.1理想投入時刻選取理想情況下，希望電容器預(yù)先充電至電源電壓峰

5、值處，而且將晶閘管的觸發(fā)相位也固定在電源電壓的峰值點(diǎn)【3】。如果在導(dǎo)通前電容器充電電壓也等于電源峰值電壓，則在電源峰值點(diǎn)投入電容器時，在這一點(diǎn)電源電壓的變化率為零，因此，ic為零，隨后，電源電壓的變化率才按正弦規(guī)律變化，電流ic也按正弦規(guī)律變化。整個投入過程不會產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也無階躍變化。3.2實際投入時刻選取實際中，當(dāng)TSC支路斷開后，由于電容上的漏電效應(yīng)，電容的電壓不能維持在極值，當(dāng)再次投入時，電容上的殘留電壓將在零到峰值之間。要實現(xiàn)無暫態(tài)的TSC投切，即每次投入時對電容器進(jìn)行充電，該條件很難得到滿足且延長了電容器的投入時間。另一種方案是每次投入之前對電容器充分放電，使兩端電壓為零

6、，此時就可以在系統(tǒng)電壓過零點(diǎn)進(jìn)行觸發(fā)。電容器一旦從電網(wǎng)中切除，必須放電完畢后才能再次投入運(yùn)行，限制了再次投入的時間，難以滿足快速投切和重復(fù)投切的要求。采用晶閘管與二極管反并聯(lián)方式，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。以晶閘管端電壓過零作為TSC投入時機(jī)，即在系統(tǒng)電壓和電容端電壓相等時進(jìn)行投切動作。這樣，首次投切時沖擊電流同樣為零，晶閘管開通后，電容電壓隨系統(tǒng)電壓而變化，滿足零電壓切換的條件。該狀態(tài)一直持續(xù)至電源電壓達(dá)到峰值點(diǎn)，晶閘管由于電容電流下降到零而自然關(guān)斷

7、，電容器已被充電到電源電壓的峰值點(diǎn)，具備理想觸發(fā)導(dǎo)通的條件，此時，施加脈沖將實現(xiàn)無過渡過程的自然換相。該方法取消了必須在電容電壓為零時進(jìn)行投切的條件，實際上可以在短時間內(nèi)進(jìn)行重復(fù)投切。4. TSC控制系統(tǒng)設(shè)計TSC的核心是投入時刻的選取，通過以上分析對比得出，以晶閘管端電壓是否為零作為電容器投切條件，沖擊電流同樣為零，過渡過程最短。檢測晶閘管兩端的電壓，當(dāng)有投切信號且端電壓過零時，產(chǎn)生一定寬度的脈沖送給晶閘管。此時，電容器投入電網(wǎng)，電容電壓將隨電網(wǎng)電壓而變化，以后就具備了理想投切的條件，即換相點(diǎn)為電網(wǎng)電壓的峰值點(diǎn)。投切信號消失時，脈沖封鎖，通過晶閘管的電流過零，器件關(guān)斷，TSC從電網(wǎng)上切除。初

8、始脈沖送出后，通過檢測電網(wǎng)電壓的峰、谷值點(diǎn)，在該點(diǎn)處產(chǎn)生后續(xù)脈沖。在脈沖產(chǎn)生的時刻向反并聯(lián)的晶閘管同時通脈沖，再通過電網(wǎng)電壓確定晶閘管導(dǎo)通。該方法控制部分功耗小，電路也較簡單。控制電路主要由檢測電路、脈沖產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路及保護(hù)電路組成。檢測晶閘管兩端電壓和電網(wǎng)電壓，將檢測信號通過電壓比較器，使之在電壓過零點(diǎn)產(chǎn)生脈沖，產(chǎn)生的脈沖作用于單穩(wěn)態(tài)電路，從而產(chǎn)成一定寬度的脈沖，再經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動晶閘管門極。圖2. TSC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用數(shù)字電路產(chǎn)生脈沖，可以在過零時刻準(zhǔn)確控制產(chǎn)生脈沖，且脈沖的寬度也可以通過計數(shù)器精確控制。基于CPLD的數(shù)字控制系統(tǒng)不受環(huán)境影響，可靠性好。數(shù)字單穩(wěn)電路如圖3所示，在上

9、升沿到來時，D觸發(fā)器輸出高電平作用于計數(shù)器的清零端(CLR)，計數(shù)器開始計數(shù)。進(jìn)位信號(RC)取反為高電平作用于D觸發(fā)器的清零端，D觸發(fā)器輸出為高電平。計數(shù)器在時鐘信號下計數(shù)完畢時，進(jìn)位信號取反為低電平，D觸發(fā)器清零，輸出低電平；計數(shù)器清零，進(jìn)位取反后使D觸發(fā)器的清零端位高電平，等待下一個上升沿到來。從而在D觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生一定寬度的高電平。本次實驗取外部時鐘(CLK)的頻率為10kHz，計數(shù)值為10次，脈沖寬度為1ms?？刂泼}沖分為初始脈沖和后續(xù)脈沖。開關(guān)閉合后，初始脈沖送出，后續(xù)脈沖再送出；開關(guān)斷開時，初始脈沖和后續(xù)脈沖雖然產(chǎn)生，但不送出?？刂齐娐啡鐖D4所示。當(dāng)開關(guān)斷開后，D觸發(fā)器清零。

10、初始脈沖和后續(xù)脈沖均被封鎖。5. 實驗結(jié)果實驗中電網(wǎng)電壓100V，電容器容量50uF，CPLD為EPM7128SLC84-15。圖5所示為CPLD同步于電網(wǎng)電壓輸出的晶閘管脈沖序列，其中脈沖序列的寬度為1ms。圖6、7給出了TSC系統(tǒng)投切的實驗波形，圖6為TSC投入時的電壓電流波形；圖7所示為TSC切除時的波形，由實驗波形可以看出，電容器投入時暫態(tài)過程較小，電流波形超前電壓波形90度。 6. 結(jié)論TSC可以實現(xiàn)電容器的無沖擊、反復(fù)投切。采用初始脈沖和后續(xù)脈沖控制的方式可以減小控制電路的損耗；采用CPLD的數(shù)字控制系統(tǒng)使系統(tǒng)緊湊，工作可靠。參考文獻(xiàn)：【1】 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍. 諧波抑制和無功補(bǔ)償. 北京：機(jī)械工業(yè)