專利名稱：晶閘管投切電容器組補(bǔ)償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
晶閘管投切電容器組補(bǔ)償裝置屬于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域。
由于輸電線路和負(fù)荷多呈現(xiàn)感性，無功功率補(bǔ)償從整體而言，需要的是容性無功功率，因此電力系統(tǒng)中多采用電容進(jìn)行補(bǔ)償。TSC的基本原理是通過控制主電路中的晶閘管閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器組的投切，從而控制了接入系統(tǒng)的作為無功功率補(bǔ)償?shù)碾娙萜魅萘?。由于電容上的電壓不能突變，所以為了減輕在系統(tǒng)電壓和電容器殘存電壓不相等時(shí)，開通晶閘管所可能引起的電流沖擊，必須盡可能選擇一個(gè)晶閘管兩端電壓為零(或最小)，且電容中的電流為零的時(shí)刻，使晶閘管開通。因此，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻觸發(fā)晶閘管，使電容器的投入不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，是設(shè)計(jì)TSC控制電路中最為關(guān)鍵的技術(shù)。如

圖1所示，傳統(tǒng)TSC主回路結(jié)構(gòu)多采用兩只反并聯(lián)晶閘管、或用一只晶閘管和一只反并聯(lián)二極管構(gòu)成電子開關(guān)，連接在交流電源上進(jìn)行分相控制。這兩種主電路結(jié)構(gòu)都有各自的不足之處。晶閘管和其它功率器件以及相應(yīng)的觸發(fā)控制電路是TSC設(shè)備中最為昂貴的部分。前者電路(如圖1(a)所示)使用的晶閘管元件較多，相應(yīng)的觸發(fā)電路多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大。后者電路(如圖1(b)和(c)所示)的晶閘管數(shù)目雖為前者的一半，但卻由于增加了功率二極管，功率器件的數(shù)目并沒有變化。由于二極管的存在，為了保證后者第一次投切時(shí)實(shí)現(xiàn)無過渡過程，需利用充電設(shè)備事先將電容充電到峰值，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，所以在實(shí)際中多不采用。因此，在后者第一次投入電容器組時(shí)，投入瞬間功率二極管上電壓最大值為一倍峰值，可能會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊。
在此之前，本專利發(fā)明人之一(楊建寧)開發(fā)出一種“2+1”型主電路結(jié)構(gòu)(專利號(hào)ZL9921656.9)。“2+1”型主電路由電容器組接成星型電路，星點(diǎn)處用一只二極管和兩只晶閘管組成三角形連接的電子開關(guān)。
在TSC裝置中，晶閘管是最為昂貴的部分，相應(yīng)的觸發(fā)電路及控制器是最為復(fù)雜的部分。晶閘管器件的造價(jià)至少是相同容量功率二極管器件的造價(jià)的三倍以上，因此，盡量降低電路中采用的晶閘管的數(shù)目是降低TSC設(shè)備成本最有效的措施。因?yàn)闊o需為功率二極管設(shè)計(jì)相應(yīng)的觸發(fā)電路和控制電路，采用功率二極管器件取代晶閘管另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是降低了觸發(fā)電路及控制器的復(fù)雜性，從而進(jìn)一步降低了TSC控制電路的成本，提高了控制電路的可靠性和效率。相對(duì)于傳統(tǒng)TSC主電路結(jié)構(gòu)，如前所述，本專利所提出的“1T+2D”型主電路結(jié)構(gòu)大大減少功率器件和晶閘管的數(shù)目，降低產(chǎn)品成本和控制的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)使之更為可靠；相對(duì)于“2+1”型主電路，性能相近，但每一個(gè)電容器組節(jié)省了一個(gè)晶閘管及其相應(yīng)的觸發(fā)控制電路，從而降低了產(chǎn)品價(jià)格和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，雖然TSC投入瞬間沖擊略大，對(duì)晶閘管要求略高，但性能更加穩(wěn)定，考慮到價(jià)格因素，基于“1T+2D”型主電路結(jié)構(gòu)開發(fā)的TSC性價(jià)比更高。因此，“1T+2D”型晶閘管投切電容器組補(bǔ)償裝置的主電路結(jié)構(gòu)在TSC家族里具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
在常規(guī)的電容器組三相補(bǔ)償裝置中，有相當(dāng)一部分是將電容器接成星形；此時(shí)如將開關(guān)放在星點(diǎn)處，由于對(duì)稱運(yùn)行時(shí)星點(diǎn)為系統(tǒng)的中性點(diǎn)，所以導(dǎo)通的開關(guān)將運(yùn)行在低壓狀態(tài)，具有較高的安全性；一個(gè)典型的利用在中性點(diǎn)三角形連接的晶閘管電子開關(guān)所構(gòu)成的三相TSC的電路如圖2(a)所示。
由于晶閘管的單相導(dǎo)電性，和電容作為儲(chǔ)能元件其兩端的電壓不能突變的特點(diǎn)，其中一組晶閘管實(shí)際上是冗余的。圖2(b)所示結(jié)構(gòu)僅保留一組同向連接成三角形的三個(gè)晶閘管，該電路將具有與采用三個(gè)反并聯(lián)晶閘管開關(guān)時(shí)具有同樣的功能。為了說明這一點(diǎn)，我們首先利用圖2(c)的三個(gè)二極管構(gòu)成的等效電路對(duì)其導(dǎo)通工作機(jī)理加以說明。以AB支路為例，如不考慮Uc的影響，當(dāng)Uab＞0時(shí)線電壓Uab通過D1對(duì)C1、C2正向充電；而Uab＜0時(shí)，線電壓則通過D2、D3對(duì)電容C1、C2反向充電，因此上述同向角接的二極管完全可以實(shí)現(xiàn)連通上述補(bǔ)償電路的功能。在理想條件下，一個(gè)周期中每一個(gè)瞬間均有兩個(gè)二極管導(dǎo)通，三個(gè)二極管按序號(hào)每隔120°順序?qū)ǎ總€(gè)器件的導(dǎo)通角為240°；在忽略限流電抗所引起的相移的條件下，器件的自然轉(zhuǎn)換點(diǎn)出現(xiàn)在相應(yīng)的相電壓的正峰值；在Ub達(dá)到正峰值的瞬間，D1進(jìn)入正向偏置而開通，與之同時(shí)D2被反偏置而關(guān)斷；同理，D2和D3的將分別在Uc和Ua達(dá)到正峰值時(shí)開通，導(dǎo)通240°后被自然關(guān)斷。由于上述自然換相過程是在電流為零時(shí)實(shí)現(xiàn)的，所以整個(gè)電路相當(dāng)于一個(gè)三相的零電流開關(guān)。
為了對(duì)開關(guān)時(shí)刻進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)TSC的投入和切除，需將電路中二極管以晶閘管替代。將其中兩個(gè)二極管換為晶閘管，這就是圖2(d)所示的結(jié)構(gòu)，即發(fā)明人之一(楊建寧)所提出的“2+1”型主電路結(jié)構(gòu)。將其中一個(gè)二極管換為晶閘管，這就是圖2(e)所示的結(jié)構(gòu)，即“1T+2D”型主電路結(jié)構(gòu)?；谶@種主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的TSC，在晶閘管沒有觸發(fā)時(shí)，電容不被投入，當(dāng)晶閘管按一定方式觸發(fā)時(shí)，晶閘管的開關(guān)狀態(tài)和圖2(c)中對(duì)應(yīng)位置的二極管狀態(tài)相同，三相電容被全部投入系統(tǒng)中。停止觸發(fā)晶閘管，三相電容從系統(tǒng)中切除。通過控制晶閘管的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器組投切的控制。
假如晶閘管的門極上一直有連續(xù)的觸發(fā)脈沖，從晶閘管的工作原理可知，此時(shí)可將晶閘管視為功率二極管，即具有陽極和陰極之間加正壓導(dǎo)通，加負(fù)壓關(guān)斷的特性。上面的分析指出，在TSC投入時(shí)，“1T+2D”型主電路晶閘管的開關(guān)狀態(tài)和圖2(c)中對(duì)應(yīng)位置的二極管狀態(tài)相同，因此，在TSC投入時(shí)，晶閘管門極上可加有連續(xù)的觸發(fā)脈沖，由晶閘管根據(jù)陽極和陰極之間的電壓自動(dòng)開通和關(guān)斷，直至TSC從系統(tǒng)切除為止。這樣，在TSC運(yùn)行時(shí)，晶閘管的開關(guān)狀態(tài)一定和圖2(c)中對(duì)應(yīng)位置的二極管狀態(tài)相同。因此，我們只需關(guān)心觸發(fā)脈沖的初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，而不需考慮TSC處于投入狀態(tài)時(shí)的觸發(fā)，從而簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)。在以下所提到的“1T+2D”型電路的觸發(fā)脈沖，都采用了如上的設(shè)計(jì)思想。
在TSC電路中，在忽略線路電阻的條件下，通過電容的電流的瞬時(shí)值可以表示為[1]i(t)=I1mcos(ω1t+α)-I1mcosαcosωnt-nBc[Vco-n2n2-1Vssinα]sinωnt..[1]]]>式中ω1是系統(tǒng)電壓角頻率；ωn=1/LC=nω0,]]>是電路的自然頻率；n=XC/XL,]]>是自然頻率的標(biāo)么值；α為觸發(fā)角；BC＝ω0C，是電容器的基波電納；I1m=VBCn2n2-1,]]>是電流基波分量的幅值，即穩(wěn)態(tài)電流的幅值；VC0是電容電壓初值。
上式右側(cè)后兩項(xiàng)代表預(yù)期的電流振蕩分量，如果希望投入電容器時(shí)完全沒有過渡過程，必須同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件第一，α＝±90°即系統(tǒng)電壓達(dá)到峰值的時(shí)刻觸發(fā)晶閘管；第二，開通時(shí)刻電容器的電壓VC0=±n2n2-1Vs,]]>此時(shí)晶閘管兩端電壓為零，從而保證換路前后電路的狀態(tài)不變。但這兩個(gè)條件在實(shí)際中很難同時(shí)達(dá)到，所以一個(gè)可行的方案是選擇在晶閘管兩端所承受的電壓為零時(shí)，對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)；并在其后通過在門極施加連續(xù)的觸發(fā)脈沖列，或在前述自然換相點(diǎn)令相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，使得晶閘管的工作模擬二極管模式(即一旦晶閘管進(jìn)入正向偏置器件即自然導(dǎo)通，而當(dāng)通過器件的電流小于維持電流時(shí)器件自然關(guān)斷)。如果晶閘管始終處于正向偏置狀態(tài)，即晶閘管陽極和陰極之間的電壓始終為正，不存在過零壓，這種情況下一個(gè)可行的方案是在晶閘管兩端所承受的電壓最小時(shí)對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)，這樣做會(huì)盡量減少晶閘管導(dǎo)通對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。
本實(shí)用新型的特征在于所述的電容器組接成星形電路，星點(diǎn)處用一只晶閘管和兩只功率二極管組成三角形連接的電子開關(guān)，形成“1T+2D”型星點(diǎn)式補(bǔ)償裝置。
仿真以及實(shí)驗(yàn)證明之可達(dá)到預(yù)期目的。
(a)中性點(diǎn)角接電路(b)“3T”型星點(diǎn)式補(bǔ)償裝置電路結(jié)構(gòu)(c)等效3D電路(d)“2+1”型星點(diǎn)式補(bǔ)償裝置電路結(jié)構(gòu)(e)“1T+2D”型星點(diǎn)式補(bǔ)償裝置電路結(jié)構(gòu)圖3“1T+2D”型主電路TSC裝置投入時(shí)的仿真波形圖(a)電容C1、C2、C3的電壓波形圖(b)電容C1、C2、C3的電流波形圖(c)晶閘管VT1、二極管D1、D2的電壓波形圖(d)晶閘管VT1、二極管D1、D2的電流波形圖圖4“1T+2D”型主電路TSC裝置切除時(shí)的仿真波形圖(a)電容C1、C2、C3的電壓波形圖(b)電容C1、C2、C3的電流波形圖(c)晶閘管VT1、二極管D1、D2的電壓波形圖(d)晶閘管VT1、二極管D1、D2的電流波形圖圖5 TSC投入過程晶閘管的電流電壓波形圖圖6 TSC投入過程功率二極管D2電流電壓的波形圖圖7 TSC切除過程晶閘管的電流電壓波形圖圖8 TSC切除過程功率二極管D2的電流電壓波形圖如前所述，要使“1T+2D”電路工作，且盡量減少晶閘管導(dǎo)通對(duì)系統(tǒng)的沖擊，可以在線電壓Uab達(dá)到負(fù)峰值時(shí)觸發(fā)VT1管，此時(shí)加在晶閘管VT1的兩端電壓最小，從而晶閘管導(dǎo)通對(duì)系統(tǒng)的沖擊也最小，并且在其后向門極施加連續(xù)的觸發(fā)脈沖列。VT1導(dǎo)通后，電路處于單相運(yùn)行狀態(tài)(單相是指線電壓Uab對(duì)電容C1、C2工作)。隨后UC1電位下降，引起D1管導(dǎo)通，此時(shí)“1T+2D”電路離開單相工作，進(jìn)入三相工作狀態(tài)，TSC被投入系統(tǒng)中。Uab達(dá)到負(fù)峰值之后90°，Uc達(dá)到正峰值，此時(shí)D2導(dǎo)通，晶閘管VT1導(dǎo)通，二極管D1自然截止。經(jīng)120°Ua達(dá)到正峰值，二極管D1自然導(dǎo)通，D2繼續(xù)導(dǎo)通，由于D2和D1導(dǎo)通，晶閘管VT1自然截止。然后再經(jīng)過120°，在Ub達(dá)到正峰值時(shí)，晶閘管VT1又一次導(dǎo)通，二極管D1又一次截止，隨后重復(fù)以上過程。
“1T+2D”電路的晶閘管和二極管在TSC投入過程中的任意時(shí)刻均有兩只管子處在導(dǎo)通狀態(tài)，即在每個(gè)電周期里，每只管子交替導(dǎo)通/關(guān)斷，各導(dǎo)通240°，關(guān)斷120°。晶閘管和二極管導(dǎo)通時(shí)流過的電流是電路的線電流，也就是流過相應(yīng)電容器的電流。
關(guān)斷電子開關(guān)電路前，假設(shè)D2、D1導(dǎo)通，VT1關(guān)斷，D2導(dǎo)通240°后，承受反壓停止工作，此時(shí)停止觸發(fā)VT1，電容進(jìn)入充電狀態(tài)。經(jīng)過330°充電過程停止，TSC被從系統(tǒng)中切除。假設(shè)關(guān)斷電子開關(guān)電路前VT1、D1/D2導(dǎo)通，此時(shí)停止觸發(fā)VT1，電路過渡到D2、D1導(dǎo)通，VT1關(guān)斷的狀態(tài)，隨后的過程如上所述。
停止過程中電容器電壓是這樣的。當(dāng)D2停止時(shí)，電容C2上電壓為相電壓Ub的正峰值。電容C1、C3為相電壓負(fù)峰值的1/2。電路通過二極管D1、D2實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器C1、C2、C3充電。在線電壓Uca的作用下，C1、C3充電，經(jīng)過90°，二極管D1關(guān)斷在線電壓Uca的正峰值。在線電壓Ubc作用下，電容C2、C3充電，經(jīng)過330°，二極管D2關(guān)斷在Ubc的正峰值。最后，電容器C1充電到負(fù)的線電壓Uca的正峰值，電容器C2充電到正的線電壓Ubc的正峰值，電容器C3上的電壓為0。這又回到了上面討論的預(yù)充電狀態(tài)。
如果不考慮電容的放電作用，電容電壓將不會(huì)變化，在Uab的負(fù)峰值觸發(fā)VT1，TSC將再次被投入，以后過程如前所述。
由上分析，由于充電過程的存在，在TSC每次投入前，“1T+2D”電路電容上的電壓都是一樣的。
在TSC投入的過程中，如前所述，會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電流，為了減少?zèng)_擊，需要在三相電容中和每相電容串聯(lián)一個(gè)阻抗值相當(dāng)于電容器0％到13％的電抗器。
為了更好的說明“1T+2D”型主電路結(jié)構(gòu)的基本原理，采用ORCAD/PSPICE V9對(duì)“1T+2D”型主電路結(jié)構(gòu)的TSC裝置進(jìn)行了仿真。圖3和圖4給出了仿真結(jié)果。
仿真參數(shù)如下系統(tǒng)電壓三相正序，線電壓有效值為380V，TSC只有一個(gè)電容器組，包括接到系統(tǒng)A、B、C三相的三個(gè)相同容量的電容，每相電容為2mF，電容電壓初始值為0。為了減少?zèng)_擊電流對(duì)系統(tǒng)的影響，每相電容串聯(lián)一個(gè)相當(dāng)于其容量6％的電感，為300uH。
對(duì)“1T+2D”型主電路結(jié)構(gòu)采用上述的控制策略，得到了圖3和圖4所示的仿真波形圖3(a)表示了在TSC投入過程中三相電容的電壓波形；圖3(b)表示了在TSC投入過程中三相電容的電流波形；圖3(c)表示了在TSC投入過程中晶閘管VT1和功率二極管D1、D2兩端的電壓波形；圖3(d)表示了在TSC投入過程中晶閘管VT1和功率二極管D1、D2的電流的波形；圖4(a)表示了在TSC切除過程中三相電容的電壓波形；圖4(b)表示了在TSC切除過程中三相電容的電流波形；圖4(c)表示了在TSC切除過程中晶閘管VT1和功率二極管D1、D2兩端的電壓波形；圖4(d)表示了在TSC切除過程中晶閘管VT1和功率二極管D1、D2的電流的波形。
在TSC投入之前，晶閘管沒有被觸發(fā)，電容通過二極管D1、D2充電。充電過程結(jié)束后，電容器C1充電到負(fù)的線電壓Uca的正峰值，電容器C2充電到正的線電壓Ubc的正峰值，電容器C3上的電壓為0。由于電感和線路損耗的存在，充電結(jié)果并不嚴(yán)格等于上述值，而是略有偏差。晶閘管VT1承受的電壓最大值為3倍的系統(tǒng)線電壓的峰值，最低為1倍的系統(tǒng)線電壓峰值，沒有過零壓。
在0.1017秒處，即線電壓Uab達(dá)到負(fù)峰值時(shí)，在晶閘管VT1門極上加觸發(fā)脈沖。此時(shí)晶閘管VT1陽極和陰極之間的電壓為最小(1倍線電壓峰值)，晶閘管導(dǎo)通產(chǎn)生的沖擊也最小。過渡過程如前所述，TSC被投入系統(tǒng)中。
理論分析可知，由于電容充電過程和電感的存在，并且由于晶閘管VT1陽極和陰極之間電壓至少為1倍峰值，因此在TSC投入瞬間，會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電流，引起電壓電流波形的畸變，諧波頻率和電容電感值的選擇有關(guān)。經(jīng)過大概3個(gè)周波，諧波衰減為零。
當(dāng)TSC被投入到系統(tǒng)中，如前所述，晶閘管VT1、二極管D1和D2交替導(dǎo)通，在一個(gè)電周期內(nèi)各導(dǎo)通240°。如果忽略導(dǎo)通壓降，晶閘管和二極管上的電壓則為零，導(dǎo)通時(shí)電流為系統(tǒng)線電流。
大約投入TSC10個(gè)周期后，在Ub達(dá)到正峰值前停止觸發(fā)晶閘管VT1。停止觸發(fā)脈沖后，電容開始充電，過渡過程如前所述。至少要經(jīng)歷一個(gè)周波，過渡過程方能結(jié)束，TSC從系統(tǒng)中切除。電容器C1充電到負(fù)的線電壓Uca的正峰值，電容器C2充電到正的線電壓Ubc的正峰值，電容器C3上的電壓為0。這又回到了上次TSC從系統(tǒng)中切除時(shí)的初始狀態(tài)。
圖5至圖6給出了基于“1T+2D”型電路開發(fā)的TSC模擬裝置的實(shí)驗(yàn)波形圖。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下，經(jīng)三相降壓變壓器，將系統(tǒng)線電壓有效值設(shè)定為110V，A相電容50.3uF，B相電容49.5uF，C相電容49uF。按圖2(e)所示接線，線路中不串電抗器。本裝置用的晶閘管是IR公司T90RIA型的，功率二極管是SEMIKRON的SKKD 115/120 8830型。
選擇Uab的負(fù)峰值作為投入時(shí)刻，圖5表示了在TSC投入過程中晶閘管的電流電壓波形；圖6表示了在TSC投入過程功率二極管D2的電流電壓波形。圖7表示了TSC切除過程中晶閘管的電流電壓波形；圖8表示了TSC切除過程中功率二極管D2的電流電壓波形。各圖中，位于上方的波形曲線(標(biāo)注為1)是電流波形，位于下方的波形曲線(標(biāo)注為2)是電壓波形。波形圖橫軸為時(shí)間，每一格為10ms。縱軸為波形幅值，對(duì)于電壓波形，如圖所示，每一格為200V。實(shí)驗(yàn)中用LEM模塊測(cè)電流，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算，對(duì)于電流波形，每一格為1.92A。
權(quán)利要求1.晶閘管投切電容器組補(bǔ)償裝置(的主電路結(jié)構(gòu))，含有投切電容器和由晶閘管和功率二極管構(gòu)成的投切部件，其特征在于所述的電容器組接成星形電路，星點(diǎn)處用一只晶閘管和兩只功率二極管組成三角形連接的電子開關(guān)，形成“1T+2D”型星點(diǎn)式補(bǔ)償裝置。
專利摘要晶閘管投切電容器組補(bǔ)償裝置屬于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置領(lǐng)域，其特征在于它是一種“1T+2D”式星點(diǎn)式補(bǔ)償裝置，它的投切電容器組接成星形電路，星點(diǎn)式用一只晶閘管和兩只功率二極管組成三角形連接的電子開關(guān)，它在保證同樣技術(shù)性能的條件下可大大地降低初期資金投入。
文檔編號(hào)H02J3/18GK2591838SQ0229153
公開日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者陳建業(yè), 楊建寧, 韓業(yè)輝 申請(qǐng)人:清華大學(xué)