摘　要:介紹一種適合于低壓（400 V）配電網(wǎng)分散進行無功補償?shù)牡统杀揪чl管開關(guān)電容器（TSC）裝置,它通過檢測晶閘管式無觸點開關(guān)（SCR）兩端電壓為零作為SCR觸發(fā)的必備條件,實現(xiàn)了硬件閉鎖保護,避免了誤觸發(fā)造成的沖擊電流損壞元件,不會發(fā)生無功過補償現(xiàn)象,而且簡化了設(shè)計,降低了成本 關(guān)鍵詞:零電壓開關(guān);無功補償;晶閘管 1 引　言 　　近些年來,電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展已逐漸改變了我國電力供應(yīng)緊張的局面,有些地區(qū)出現(xiàn)了供大于求的現(xiàn)象,使得我們有條件考慮電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行和啟動電力市場,用戶也對供電質(zhì)量提出了更高的要求｡全國范圍內(nèi)的配電網(wǎng)改造正在全面開展,可以預(yù)期,城鄉(xiāng)工業(yè)和居民用戶的供電狀況會得到很大改善,電壓合格率的提高將增強城鄉(xiāng)居民特別是廣大農(nóng)民的用電積極性｡為了配合電網(wǎng)的改造工程,實現(xiàn)電壓控制和就地分散無功補償?shù)男枨?開發(fā)了一種新型的低成本晶閘管開關(guān)電容器（TSC）式快速動態(tài)無功補償裝置,在控制上采用單片微機作為主控制器,實現(xiàn)了模糊控制和多種不同類型的控制方法,包括對稱補償和分相補償,多級無功投切一次到位和電壓參考控制等｡在合理配置補償容量的情況下,可以保證負荷綜合功率因數(shù)cosφ不低于0.9,響應(yīng)時間最快可達0.02～0.04 s,并且投切平穩(wěn)無電流沖擊和無功反送現(xiàn)象｡與有觸點開關(guān)操作電容器補償方式相比,可以解決開關(guān)過程中常發(fā)生的過電壓震蕩和電弧重燃問題,避免了電弧燒傷觸點和頻繁操作造成的開關(guān)損壞現(xiàn)象｡ 　　隨著電力電子技術(shù)的推廣和大量整流負載的出現(xiàn),電網(wǎng)中的諧波污染越來越嚴重,諧波流入無功補償電容器會使其發(fā)生過負荷甚至損壞｡為此,設(shè)計的串聯(lián)電抗器可以對流過電容器的諧波電流加以限制,經(jīng)過選擇主接線方式和選用兩相無觸點開關(guān)控制方式,可以有效地降低成本和選擇任何內(nèi)部接線方式的三相電容器組｡ 2 主接線的選擇 　　晶閘管電力電子開關(guān)控制的電容器（TSC）無功補償裝置具有響應(yīng)速度快､開關(guān)可以頻繁動作､壽命長､無功容量按4∶2∶1分組可實現(xiàn)7級階梯式調(diào)節(jié)等優(yōu)點,屬于靜止補償器的一種,因此比固定電容器或者交流接觸器控制的電容柜特性要優(yōu)越｡常見的接線方式有以下幾種（見圖1）｡ 　　（1）三相控制的△形接線方式（圖1a）｡這種接線的特點是線電壓是已知量（端電壓固定）,晶閘管無觸點開關(guān)由2只反并聯(lián)的普通晶閘管構(gòu)成｡晶閘管總是在電流過零時斷開,所以斷開的電容器上的電壓一般處于最大值（或正或負）,并且由于電容器內(nèi)部裝設(shè)的放電電阻的自放電現(xiàn)象,電容器上的電壓逐漸降低｡在晶閘管重投時,需要考慮電容器的剩余電壓,當系統(tǒng)電壓和電容器殘壓相等時（允許有一個小范圍差值）,就是晶閘管無觸點開關(guān)投入的觸發(fā)點｡否則由于電容器兩端電壓不能突變,系統(tǒng)電壓和電容殘壓的差值較大時觸發(fā)SCR會產(chǎn)生很大的電流沖擊（這在有觸點投切的電容器是不可避免的）,這一沖擊會直接損壞晶閘管｡電流沖擊主要體現(xiàn)在開關(guān)投入時的電流突變率和沖擊電流最大值上,有 （L0+L）di/dt=UL（t）-UC（t） （1） 　　式中 L0為電源內(nèi)電感;L為串聯(lián)的電感;UL（t）為晶閘管觸發(fā)時的電網(wǎng)電壓;UC（t）為晶閘管觸發(fā)時的電容電壓｡ 　　通常電源內(nèi)電感L0都很小,為限制諧波電流而串聯(lián)的電感L也不很大,所以當電壓差較大時開通SCR的電流變化率di/dt就很大｡在晶閘管剛被觸發(fā)的瞬間,由于晶閘管門極附近的開關(guān)區(qū)域還來不及使導(dǎo)電區(qū)域擴散到整個晶體芯片,因此這時過大的di/dt便極易損傷晶閘管開關(guān)｡最嚴重的情況是在UL（t）與UC（t）反相最大值的時刻觸發(fā)晶閘管,由此形成的沖擊電流非常危險｡以400 V電壓為例,最大電壓差UL（t）-UC（t）可達到1 130 V｡如果以一組△接法的50 kvar的電容器裝于400 kVA變壓器的低壓側(cè),設(shè)變壓器Uk=4%,則 　　C=Qc/3ωU2×106=332μF （2） 　　L0=U2×Uk（%）/ω×S×10=51μH （3） 　　式中 C為補償電容;U為線電壓;QC為補償電容的無功容量;S為變壓器容量;Uk（%）為變壓器短路電壓百分值｡ 　　計及串聯(lián)電感L=50μH,忽略電阻,則沖擊電流周期T為 　　式中 Im為沖擊電流峰值｡ 　　式（4）說明,忽略電阻,在最大電壓差時觸發(fā)晶閘管開關(guān),大約0.287 ms后電流達到最大值2048A｡按照正常負載電流選擇的晶閘管電流應(yīng)為55 A,晶閘管具有短時承受8～10倍過電流的能力,但是難以承受這樣大的過電流｡增大串聯(lián)電抗器可以降低電流沖擊,或者選擇大的晶閘管,但都需要增加投資,因此只有在控制上設(shè)法解決問題｡為了確定觸發(fā)的合適時刻,需要預(yù)先測知電容器的殘壓,這通常不太容易做到,為解決這一問題,選擇脈沖序列做為晶閘管的觸發(fā)信號｡另外,無論電容器殘壓多高,它總是小于等于電源幅值的｡在1個周期中,晶閘管總有處于零壓或反壓的時刻｡每次觸發(fā)晶閘管時選擇其承受反電壓的時刻作為觸發(fā)脈沖序列的開始,這樣當晶閘管由反向轉(zhuǎn)為正向偏置時就自動進入平穩(wěn)導(dǎo)通狀態(tài),也就解決了電容殘壓測量的難題｡ 　?。?）采用二極管代替部分晶閘管組成的半控開關(guān)式接線方式（圖1b）｡其特點是每次切除電容（晶閘管阻斷）時,電容器總保持一定的電壓（正的最大值）,這樣晶閘管開關(guān)投入時只要脈沖列從系統(tǒng)電壓最大值開始觸發(fā)就可以保證平穩(wěn)過渡,而且可以少用晶閘管以降低成本,控制也可簡單些｡其缺點是第一次送電時仍會發(fā)生電流沖擊,另外由于電容器組不推薦三角接線,所以圖1（a）和（b）需要定制電容器,增加了接線的復(fù)雜程度｡ 　　（3）是采用Y0型接線方式（圖1c）｡這種接線晶閘管電壓定額可以降低,但電流定額增大了｡電容器電壓降低會提高其單位價格,同時投入時會產(chǎn)生短時不平衡中線電流｡ 　?。?）沒有B相晶閘管開關(guān)､只控制A､C兩相的接線方式（圖1d）｡由于電容器剩余電壓的不確定性,晶閘管承受的最大電壓和圖1（a）相同｡這種方式可采用最普通的三相電容器組,又可少用價格昂貴的晶閘管,所以具有優(yōu)越性,本文選擇了圖1（d）的結(jié)線方式,又研制了零電壓觸發(fā)電路,使得這種接線方式的控制成為經(jīng)濟可行的方案｡ 3 晶閘管電壓過零觸發(fā)電路 　　由于電容器剩余電壓的變化,晶閘管上的電壓是一個不能根據(jù)電源電壓計算的值,因此本文設(shè)計了一種晶閘管電壓過零觸發(fā)電路,電路示意圖見圖2｡ 　　晶閘管無觸點開關(guān)兩端電壓經(jīng)電阻降壓送到光電耦合器,當交流電壓瞬時值與電容器的殘壓相等時晶閘管上電壓為零,這時光電耦合器上輸出1個負脈沖｡此脈沖寬度大約150μs,脈沖反相后與TSC投入指令相“與”后啟動多諧震蕩器輸出脈沖串,然后經(jīng)過功率放大和隔離電路去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管｡晶閘管一經(jīng)觸發(fā)就保持導(dǎo)通,相應(yīng)的電容器便投入運行｡由于晶閘管導(dǎo)通后端電壓接近為零,只要TSC投入指令存在,觸發(fā)脈沖串就一直輸出,保證了晶閘管可靠導(dǎo)通｡當TSC投入指令撤消時,觸發(fā)脈沖便停發(fā),晶閘管在電流過零時斷開,直到單片機下次發(fā)出TSC投入指令才選擇在零電壓點重新投入｡這樣的硬件閉鎖電路比較可靠,可以避免軟件閉鎖方式在電源大干擾時（例如交流系統(tǒng)遠方短路故障）誤發(fā)觸發(fā)脈沖｡ 　　對于三相對稱補償裝置,只需要在兩相上裝設(shè)這種零電壓觸發(fā)無觸點開關(guān);而對于分相操作的無功補償裝置,則需要三相都裝這種無觸點開關(guān)｡為了調(diào)節(jié)靈活,一般須按不同容量分別裝設(shè)3組電容器,達到7級無功容量階梯調(diào)節(jié)的目的｡例如100 kvar的無功補償裝置電容器分組容量為60､30和15 kvar（105 kvar無功補償裝置）｡ 4 無功補償?shù)哪：刂?/b> 　　低壓無功補償設(shè)備一般分為網(wǎng)絡(luò)型和用戶型,前者的作用主要是降低網(wǎng)絡(luò)損耗和改善電壓質(zhì)量;后者的作用主要是提高功率因數(shù),減少無功損耗,兼有改善電壓質(zhì)量｡由于電網(wǎng)電壓水平?jīng)Q定于全系統(tǒng)的無功平衡狀況,而不僅僅取決于某臺無功裝置,因此不能用一條函數(shù)曲線表示某運行點電壓與無功補償容量之間的關(guān)系｡當以系統(tǒng)運行工況為參數(shù)時,并聯(lián)電容器設(shè)備端電壓與無功功率的關(guān)系是一簇曲線,這給無功補償電容器設(shè)備的自動控制帶來了困難｡在有些運行工況下,電壓質(zhì)量與功率因數(shù)的要求會發(fā)生矛盾,當電壓值在額定值附近時,功率因數(shù)可能比較低,當提高功率因數(shù)后,電壓又可能偏高,這相當于系統(tǒng)無功功率過剩的狀況｡對于用戶型的無功補償設(shè)備,無功補償功率與負荷的功率因數(shù)也呈非線性關(guān)系,在相同的負荷條件下,功率因數(shù)越接近于1,調(diào)節(jié)同樣功率因數(shù)所需的補償容量越大,投入相同容量電容器的補償效果也越差｡所以對于用戶型無功補償設(shè)備的選型和運行控制,即使功率因數(shù)補償?shù)?,從經(jīng)濟角度來看也許并不合算｡在負荷較小時,盡管功率因數(shù)很低,但這時投入1組小容量的電容器也許會發(fā)生過補償?shù)慕Y(jié)果,這就有可能使電容補償設(shè)備產(chǎn)生往復(fù)投切的振蕩現(xiàn)象｡開關(guān)的頻繁動作會降低開關(guān)和電容器的使用壽命,即使使用無觸點開關(guān)可以大大延長開關(guān)壽命,但開關(guān)的頻繁動作也會帶來對系統(tǒng)的干擾沖擊,這是目前電容補償裝置的一個突出問題｡另外,無功補償電容器的功率輸出正比于電壓的平方,當電壓水平不同時每組電容器的額定功率輸出也不相同,所有這些因素都給無功補償設(shè)備的控制算法造成困難｡ 　　為此,本文提出了模糊控制方法,由于TSC無功補償裝置是采用分級投切電容器的方法來調(diào)節(jié)無功功率的,不能連續(xù)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)量不必分得太細,這恰好適應(yīng)了模糊控制的特點｡綜合考慮以上幾種非線性因素以及多值函數(shù)的影響后,運用模糊邏輯推理的方法,能夠既簡單又迅速地算出應(yīng)當投入補償?shù)娜萘考壊?#65377; 　　模糊控制是用計算機來模仿專家控制策略的一種控制方式｡模糊控制器的設(shè)計分為輸入量模糊化､模糊控制規(guī)律的推導(dǎo)和模糊輸出量的判決3個過程｡并聯(lián)電容補償裝置模糊控制器的輸入量依次為負荷的無功功率､結(jié)點電壓､功率因數(shù)｡根據(jù)專家控制策略,將輸入量的取值范圍劃分為若干區(qū)域,確定各區(qū)域的隸屬度,以獲得滿意的控制效果｡例如系統(tǒng)負荷無功功率按比例分為8檔,系統(tǒng)電壓參考電壓合格率分為高､中､低3檔,系統(tǒng)負荷的功率因數(shù)也分為高､中､低3檔｡ 　　并聯(lián)電容補償裝置投入容量是負荷無功功率､結(jié)點電壓和功率因數(shù)的三維函數(shù),它的模糊控制器有3個輸入量和1個輸出量,一般可采用1組多維模糊條件語句來描述其控制策略｡即 　　IF｛X1=A1i;X2=A2j;…Xn=Ank｝i=1,…,mi,j=1,…,mj,…,k=1,…,mk 　　THEN Y=Cl l=1,…,ml（5） 　　式中 X為輸入變量;A為各輸入變量的取值區(qū)域;Y為輸出變量;C為輸出變量的取值區(qū)域｡ 　　按照式（5）進行在線計算模糊控制策略需要消耗大量的計算時間,且不便于編制計算程序｡為了提高控制器的反應(yīng)速度并簡化編程,根據(jù)電容器補償控制裝置非連續(xù)控制的特點,將各輸入變量的模糊區(qū)域進行歸類,然后根據(jù)對電容補償控制規(guī)律的分析,將三維模糊控制條件語句,式（5）化為如下形式的一維模糊條件語句: 請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 　　IF｛X1=A1i｝ 　　THEN IF｛X2=A2j｝ 　　THEN IF｛X3=A3k｝ 　　THEN Y=C1 　　由于電容器分組的控制結(jié)果只有投入（ON）和切除（OFF）2種狀態(tài),采用計算機語言可以很方便地實現(xiàn)式（6）表示的模糊算法｡為避免開關(guān)頻繁動作造成的振蕩,進行模糊歸類分級時增加了無功分級的滯環(huán)特性｡補償裝置首先按照負載的無功功率進行分級,同時考慮功率因數(shù)和系統(tǒng)電壓進行補償校正｡按照本文設(shè)計的無功功率補償裝置已在保定風帆摩托車電池有限公司試運行18個月｡ 　　參考文獻: 　　[1] 賀仲雄.模糊數(shù)學及其應(yīng)用[M].天津:天津科學技術(shù)出版社,1983:295-312. 　　[2] 楊仁剛.微機型電壓無功綜合控制器[C].Proc,CUS-EPSA,1992. 　　[3] 馬瑞軍.運用模糊控制理論的并聯(lián)電容器投切方式[J].華北電力大學學報,1998,（7）. 　　作者簡介: 　 　　石新春（1950-）,男,教授,從事電力電子､電力系統(tǒng)自動化等方面的研究及教學工作; 　　楊梅玲（1950-）,女,高級工程師,從事電力工程及其自動化方面的研究及管理工作; 　　喻德忠（1976-）,男,碩士研究生;彭偉（1970-）,男,助教,工程碩士｡