基于空间矢量的动态无功补偿装置的投切方法

徐 冲，刘振兴 ，乔正盛，郑 重

（1.武汉科技大学 湖北 武汉 430081；2.武新电气科技有限公司 湖北 武汉 430345）

随着现代工业技术的发展，电力电子装置日益广泛应用于电力系统，无功不足和谐波的危害日益突出。因此无功补偿和谐波抑制就为实现上述目标而显得尤为重要。从而需要无功补偿和谐波抑制装置投入运行以消除影响，晶闸管投切电容器（TSC）就是一种广泛应用于配电系统的动态无功补偿装置[2]。可TSC在实际工程中出现一些的问题，严重影响了补偿效果，甚至给系统带来负面作用，给电力系统带来潜在威胁，所以有必要对其进一步研究并予以解决。

1 概 况

根据晶闸管和电容器的连接方式分类，可以把TSC分为4种类型：星形有中线、星形无中线、外三角形（角外）、内三角形角（角内）[3]。除了第一种可以实现单相补偿外，其余三种都只能实现共补。而在当前工程上主要采用第一种和第三种连接方式，其中第三种占绝大部分。而文中主要研究第三种连接方式，其具体连接如图1所示。

图1 TSC角外连接主电路图Fig.1 Main circuit of TSC angle external connection

角外连接方式被广泛应用的主要原因在于市场上三相电容器内部已角连，给第三种连接方式的带来很大优势，包括工艺简单、检查容易、单机容量更大，平均成本减少等[4]。但是在实际工程应用中，在负载变化比较频繁时，投切电容器出现不同步导通现象，即其中一相滞后另外两相5～30 s左右导通，严重影响了补偿效果[5]。

2 原 理

假设电网线电压为：

因为负载为容性（电抗率较小，可忽略），则流过晶闸管的电流超前相电压90度，又线电压超前相电压30度，所以导通后流过晶闸管的电流应为：

由于晶闸管关断条件为给出关断信号，并出现反向电流后关断。将三相晶闸管电流进行矢量分区如图2所示，将其分为6个连续的区间，对应6种不同的关断顺序。在此，如选择区域I作为关断区域时，及在区域I期间内给出关断信号，关断顺序为 C、B、A。

图2 晶闸管电流矢量原理图Fig.2 Principle diagram of thyristor current vector

当C相晶闸管关断时，即ithc=0ithc=0，结合图2分析可知，该过零点为下降中的过零点， 则可令ωt=3π/2+2kπ，k=0、1、2…，此时：

电容电压：

参考图1主电路，C相晶闸管关断后，回路改变，电容器C2与C3串联后，与C1并联，电容器C1保持原有状态继续充放电，而电容器C2与电容器C3串联后容抗增大一倍，充电电流减小一半。A相和B相形成回路，在该回路上电流出现零点时，A相和B相上晶闸管才关断。

在 C 相关断时刻，uab=Umcos（3π/2+2kπ）=0，上升中的零点。

所以，电流从最大值到零点还需1/4周期，即到三相全部关掉还需1/4周期。最后各个电容器残压为：

在电流矢量第一区域内关断时，各电容器上出现以上残压值，不难观察得到，C相晶闸管两端电压被电容器C2残压＞Um抬升后，短时间内是不存在零点的，如果严格按照三相过零触发条件，B相晶闸管端电压在A相和C相晶闸管导通后，其两端电压出现抬升而没有零点，在未放电前提下是不会导通的。而在B相先导通后，接着A相晶闸管导通，C相晶闸管端电压由于B相的导通对C2电压放电后出现零点导通。

3 解决方案

在不同区域关断，各电容残压不同，对应适当顺序才能正常同步导通。以上只分析了一种情况，其他情况可类似分析。通过上述原理性分析，提出以下开通和关断策略：

关断策略：选择区域I作为关断区域时，及在区域I期间内给出关断信号，因而关断顺序为C、B、A。也可选择图2中给出的其他区域，对应推导出能够同步开通的开通顺序即可。

开通策略：在上述条件下，只要B相晶闸管能导通，其余两相是可以过零导通的。为此，分析外三角共补特点，先直接导通B相，无需过零检测。在B相完全导通后，在过零判断开通A相和C相，实现三相同步导通。

整个投切过程中，关断时刻决定了关断后各电容的残压大小，从而决定了对应的开通顺序。所以，对应一个关断顺序，只有一种可行的开通顺序。而上述分析仅仅只对一种关断区域进行了分析，其余5个区域也有类似结论。

4 仿真实验

仿真条件：

电源相电压：Ua=220 V；负载：阻感性负载 P=200 kW、QL=100 kVar；单相电容：450 V 10 kVar；串连电抗：L=1.298 mH 电抗率（6%）。主电路采用角外连接方式，具体如图3、图4所示。

传统触发方案：正常过零开通三相，三相开通信号和关断信号同步，周期为1 s，其中0～0.557 s发出导通信号，且在0.557～1 s发出关断信号，（0.557 s处于第 I区域），重复通断。仿真结果如下所示。

图3 TSC系统仿真电路模型图Fig.3 TSC circuit model simulational system

图4 TSC主电路仿真模型Fig.4 TSC main circuit simulational system

当晶闸管导通时，晶闸管端电压为零，对应晶闸管未导通时，其端电压不为零，由电容残压和电网电压决定。此种情况下，在第一周期时，电容上无残压，三相可同步导通。第二周期开始，A相和C相能正常导通，B相晶闸管无法连续导通，两端电压波形如图5所示。

图5 传统触发下晶闸管端电压波形图Fig.5 Voltage waveform of the traditional triggering thyristor tube

改进触发方案：A和C相过零触发，B相为强制触发，三相开通信号不同步，关断信号同步，周期为1 s，其中0～0.557 s发出导通信号，且在0.557～1 s发出关断信号，（0.557 s处于第I区域），重复通断。在发出导通信号时，要求先给出B想强制开通信号，待其导通后，在给出A相和C的过零触发导通信号，仿真结果如下所示。

此种情况下，三相晶闸管能同步导通，两端电压波形如图6所示。

图6 改进触发下晶闸管端电压波形图Fig.6 Voltage waveform of improve the trigger thyristor tube

对比改进前后晶闸管端电压波形图可知，改进触发方式后，三相晶闸管能实现同步导通。并在实验平台上也验证了该控制策略的有效性。

5 结 论

目前，角外连接的动态无功补偿装置应用十分广泛，而文中提出的投切策略，对其在需快速投切工况下的正常运行有着重要意义[6]。此种策略不仅仅适用于角外连接的TSC，同样在晶闸管投切滤波器（TSF）和二控三结构的TSC中也同样适用。并且该策略简单易行，控制效果明显，在保证触发可靠性的同时，能有效的提高补偿效果，并减小对电力系统的负面影响。

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[3]黄显华.TSC无功功率动态补偿方式 [J].煤矿电机，1996，17（6）：38-39.

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