專利名稱：晶閘管投切電容器組補償裝置的制作方法
技術領域：
晶閘管投切電容器組補償裝置屬于電力系統無功補償技術領域。
由于輸電線路和負荷多呈現感性，無功功率補償從整體而言，需要的是容性無功功率，因此電力系統中多采用電容進行補償。TSC的基本原理是通過控制主電路中的晶閘管閥，實現對電容器組的投切，從而控制了接入系統的作為無功功率補償的電容器容量。由于電容上的電壓不能突變，所以為了減輕在系統電壓和電容器殘存電壓不相等時，開通晶閘管所可能引起的電流沖擊，必須盡可能選擇一個晶閘管兩端電壓為零(或最小)，且電容中的電流為零的時刻，使晶閘管開通。因此，選擇適當的時刻觸發晶閘管，使電容器的投入不會對系統造成沖擊，是設計TSC控制電路中最為關鍵的技術。如

圖1所示，傳統TSC主回路結構多采用兩只反并聯晶閘管、或用一只晶閘管和一只反并聯二極管構成電子開關，連接在交流電源上進行分相控制。這兩種主電路結構都有各自的不足之處。晶閘管和其它功率器件以及相應的觸發控制電路是TSC設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，相應的觸發電路多，結構復雜，投資大。后者電路(如圖1(b)和(c)所示)的晶閘管數目雖為前者的一半，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實現無過渡過程，需利用充電設備事先將電容充電到峰值，但這增加了系統的復雜性，所以在實際中多不采用。因此，在后者第一次投入電容器組時，投入瞬間功率二極管上電壓最大值為一倍峰值，可能會產生較大的電流沖擊。
在此之前，本專利發明人之一(楊建寧)開發出一種“2+1”型主電路結構(專利號ZL9921656.9)。“2+1”型主電路由電容器組接成星型電路，星點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。
在TSC裝置中，晶閘管是最為昂貴的部分，相應的觸發電路及控制器是最為復雜的部分。晶閘管器件的造價至少是相同容量功率二極管器件的造價的三倍以上，因此，盡量降低電路中采用的晶閘管的數目是降低TSC設備成本最有效的措施。因為無需為功率二極管設計相應的觸發電路和控制電路，采用功率二極管器件取代晶閘管另一個優勢是降低了觸發電路及控制器的復雜性，從而進一步降低了TSC控制電路的成本，提高了控制電路的可靠性和效率。相對于傳統TSC主電路結構，如前所述，本專利所提出的“1T+2D”型主電路結構大大減少功率器件和晶閘管的數目，降低產品成本和控制的復雜性，簡化了控制器的設計使之更為可靠；相對于“2+1”型主電路，性能相近，但每一個電容器組節省了一個晶閘管及其相應的觸發控制電路，從而降低了產品價格和設計復雜性，雖然TSC投入瞬間沖擊略大，對晶閘管要求略高，但性能更加穩定，考慮到價格因素，基于“1T+2D”型主電路結構開發的TSC性價比更高。因此，“1T+2D”型晶閘管投切電容器組補償裝置的主電路結構在TSC家族里具有巨大的競爭優勢。
在常規的電容器組三相補償裝置中，有相當一部分是將電容器接成星形；此時如將開關放在星點處，由于對稱運行時星點為系統的中性點，所以導通的開關將運行在低壓狀態，具有較高的安全性；一個典型的利用在中性點三角形連接的晶閘管電子開關所構成的三相TSC的電路如圖2(a)所示。
由于晶閘管的單相導電性，和電容作為儲能元件其兩端的電壓不能突變的特點，其中一組晶閘管實際上是冗余的。圖2(b)所示結構僅保留一組同向連接成三角形的三個晶閘管，該電路將具有與采用三個反并聯晶閘管開關時具有同樣的功能。為了說明這一點，我們首先利用圖2(c)的三個二極管構成的等效電路對其導通工作機理加以說明。以AB支路為例，如不考慮Uc的影響，當Uab＞0時線電壓Uab通過D1對C1、C2正向充電；而Uab＜0時，線電壓則通過D2、D3對電容C1、C2反向充電，因此上述同向角接的二極管完全可以實現連通上述補償電路的功能。在理想條件下，一個周期中每一個瞬間均有兩個二極管導通，三個二極管按序號每隔120°順序導通，每個器件的導通角為240°；在忽略限流電抗所引起的相移的條件下，器件的自然轉換點出現在相應的相電壓的正峰值；在Ub達到正峰值的瞬間，D1進入正向偏置而開通，與之同時D2被反偏置而關斷；同理，D2和D3的將分別在Uc和Ua達到正峰值時開通，導通240°后被自然關斷。由于上述自然換相過程是在電流為零時實現的，所以整個電路相當于一個三相的零電流開關。
為了對開關時刻進行控制，從而實現TSC的投入和切除，需將電路中二極管以晶閘管替代。將其中兩個二極管換為晶閘管，這就是圖2(d)所示的結構，即發明人之一(楊建寧)所提出的“2+1”型主電路結構。將其中一個二極管換為晶閘管，這就是圖2(e)所示的結構，即“1T+2D”型主電路結構。基于這種主電路結構設計的TSC，在晶閘管沒有觸發時，電容不被投入，當晶閘管按一定方式觸發時，晶閘管的開關狀態和圖2(c)中對應位置的二極管狀態相同，三相電容被全部投入系統中。停止觸發晶閘管，三相電容從系統中切除。通過控制晶閘管的觸發，實現對電容器組投切的控制。
假如晶閘管的門極上一直有連續的觸發脈沖，從晶閘管的工作原理可知，此時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通，加負壓關斷的特性。上面的分析指出，在TSC投入時，“1T+2D”型主電路晶閘管的開關狀態和圖2(c)中對應位置的二極管狀態相同，因此，在TSC投入時，晶閘管門極上可加有連續的觸發脈沖，由晶閘管根據陽極和陰極之間的電壓自動開通和關斷，直至TSC從系統切除為止。這樣，在TSC運行時，晶閘管的開關狀態一定和圖2(c)中對應位置的二極管狀態相同。因此，我們只需關心觸發脈沖的初始時刻和結束時刻，而不需考慮TSC處于投入狀態時的觸發，從而簡化了控制器的設計。在以下所提到的“1T+2D”型電路的觸發脈沖，都采用了如上的設計思想。
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,]]>是自然頻率的標么值；α為觸發角；BC＝ω0C，是電容器的基波電納；I1m=VBCn2n2-1,]]>是電流基波分量的幅值，即穩態電流的幅值；VC0是電容電壓初值。
上式右側后兩項代表預期的電流振蕩分量，如果希望投入電容器時完全沒有過渡過程，必須同時滿足以下兩個條件第一，α＝±90°即系統電壓達到峰值的時刻觸發晶閘管；第二，開通時刻電容器的電壓VC0=±n2n2-1Vs,]]>此時晶閘管兩端電壓為零，從而保證換路前后電路的狀態不變。但這兩個條件在實際中很難同時達到，所以一個可行的方案是選擇在晶閘管兩端所承受的電壓為零時，對其進行觸發；并在其后通過在門極施加連續的觸發脈沖列，或在前述自然換相點令相應的晶閘管觸發導通，使得晶閘管的工作模擬二極管模式(即一旦晶閘管進入正向偏置器件即自然導通，而當通過器件的電流小于維持電流時器件自然關斷)。如果晶閘管始終處于正向偏置狀態，即晶閘管陽極和陰極之間的電壓始終為正，不存在過零壓，這種情況下一個可行的方案是在晶閘管兩端所承受的電壓最小時對其進行觸發，這樣做會盡量減少晶閘管導通對系統產生的沖擊。
本發明的特征在于所述的電容器組接成星形電路，星點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，形成“1T+2D”型星點式補償裝置。
仿真以及實驗證明之可達到預期目的。
圖2補償裝置拓撲結構(a)中性點角接電路(b)“3T”型星點式補償裝置電路結構(c)等效3D電路(d)“2+1”型星點式補償裝置電路結構(e)“1T+2D”型星點式補償裝置電路結構圖3“1T+2D”型主電路TSC裝置投入時的仿真波形圖(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4“1T+2D”型主電路TSC裝置切除時的仿真波形圖(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5TSC投入過程晶閘管的電流電壓波形6TSC投入過程功率二極管D2電流電壓的波形7TSC切除過程晶閘管的電流電壓波形8TSC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通對系統的沖擊，可以在線電壓Uab達到負峰值時觸發VT1管，此時加在晶閘管VT1的兩端電壓最小，從而晶閘管導通對系統的沖擊也最小，并且在其后向門極施加連續的觸發脈沖列。VT1導通后，電路處于單相運行狀態(單相是指線電壓Uab對電容C1、C2工作)。隨后UC1電位下降，引起D1管導通，此時“1T+2D”電路離開單相工作，進入三相工作狀態，TSC被投入系統中。Uab達到負峰值之后90°，Uc達到正峰值，此時D2導通，晶閘管VT1導通，二極管D1自然截止。經120°Ua達到正峰值，二極管D1自然導通，D2繼續導通，由于D2和D1導通，晶閘管VT1自然截止。然后再經過120°，在Ub達到正峰值時，晶閘管VT1又一次導通，二極管D1又一次截止，隨后重復以上過程。
“1T+2D”電路的晶閘管和二極管在TSC投入過程中的任意時刻均有兩只管子處在導通狀態，即在每個電周期里，每只管子交替導通/關斷，各導通240°，關斷120°。晶閘管和二極管導通時流過的電流是電路的線電流，也就是流過相應電容器的電流。
關斷電子開關電路前，假設D2、D1導通，VT1關斷，D2導通240°后，承受反壓停止工作，此時停止觸發VT1，電容進入充電狀態。經過330°充電過程停止，TSC被從系統中切除。假設關斷電子開關電路前VT1、D1/D2導通，此時停止觸發VT1，電路過渡到D2、D1導通，VT1關斷的狀態，隨后的過程如上所述。
停止過程中電容器電壓是這樣的。當D2停止時，電容C2上電壓為相電壓Ub的正峰值。電容C1、C3為相電壓負峰值的1/2。電路通過二極管D1、D2實現對電容器C1、C2、C3充電。在線電壓Uca的作用下，C1、C3充電，經過90°，二極管D1關斷在線電壓Uca的正峰值。在線電壓Ubc作用下，電容C2、C3充電，經過330°，二極管D2關斷在Ubc的正峰值。最后，電容器C1充電到負的線電壓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充電狀態。
如果不考慮電容的放電作用，電容電壓將不會變化，在Uab的負峰值觸發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，會產生一定的沖擊電流，為了減少沖擊，需要在三相電容中和每相電容串聯一個阻抗值相當于電容器0％到13％的電抗器。
為了更好的說明“1T+2D”型主電路結構的基本原理，采用ORCAD/PSPICE V9對“1T+2D”型主電路結構的TSC裝置進行了仿真。圖3和圖4給出了仿真結果。
仿真參數如下系統電壓三相正序，線電壓有效值為380V，TSC只有一個電容器組，包括接到系統A、B、C三相的三個相同容量的電容，每相電容為2mF，電容電壓初始值為0。為了減少沖擊電流對系統的影響，每相電容串聯一個相當于其容量6％的電感，為300uH。
對“1T+2D”型主電路結構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，電容通過二極管D1、D2充電。充電過程結束后，電容器C1充電到負的線電壓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，充電結果并不嚴格等于上述值，而是略有偏差。晶閘管VT1承受的電壓最大值為3倍的系統線電壓的峰值，最低為1倍的系統線電壓峰值，沒有過零壓。
在0.1017秒處，即線電壓Uab達到負峰值時，在晶閘管VT1門極上加觸發脈沖。此時晶閘管VT1陽極和陰極之間的電壓為最小(1倍線電壓峰值)，晶閘管導通產生的沖擊也最小。過渡過程如前所述，TSC被投入系統中。
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，會產生一定的沖擊電流，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。經過大概3個周波，諧波衰減為零。
當TSC被投入到系統中，如前所述，晶閘管VT1、二極管D1和D2交替導通，在一個電周期內各導通240°。如果忽略導通壓降，晶閘管和二極管上的電壓則為零，導通時電流為系統線電流。
大約投入TSC10個周期后，在Ub達到正峰值前停止觸發晶閘管VT1。停止觸發脈沖后，電容開始充電，過渡過程如前所述。至少要經歷一個周波，過渡過程方能結束，TSC從系統中切除。電容器C1充電到負的線電壓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從系統中切除時的初始狀態。
圖5至圖6給出了基于“1T+2D”型電路開發的TSC模擬裝置的實驗波形圖。實驗參數如下，經三相降壓變壓器，將系統線電壓有效值設定為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的負峰值作為投入時刻，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(標注為1)是電流波形，位于下方的波形曲線(標注為2)是電壓波形。波形圖橫軸為時間，每一格為10ms。縱軸為波形幅值，對于電壓波形，如圖所示，每一格為200V。實驗中用LEM模塊測電流，轉化為電壓信號輸出。經轉換計算，對于電流波形，每一格為1.92A。
權利要求
1.晶閘管投切電容器組補償裝置(的主電路結構)，含有投切電容器和由晶閘管和功率二極管構成的投切部件，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，形成“1T+2D”型星點式補償裝置。
全文摘要
晶閘管投切電容器組補償裝置屬于電力系統無功補償裝置領域，其特征在于它是一種“1T+2D”式星點式補償裝置，它的投切電容器組接成星形電路，星點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，它在保證同樣技術性能的條件下可大大地降低初期資金投入。
文檔編號H02J3/18GK1428910SQ0213084
公開日2003年7月9日 申請日期2002年10月11日 優先權日2002年10月11日
發明者陳建業, 楊建寧, 韓業輝 申請人:清華大學