关键词:零电压开关;无功补偿;晶闸管
1 引 言
近些年来,电力系统的迅速发展已逐渐改变了我国电力供应紧张的局面,有些地区出现了供大于求的现象,使得我们有条件考虑电力系统的经济运行和启动电力市场,用户也对供电质量提出了更高的要求｡全国范围内的配电网改造正在全面开展,可以预期,城乡工业和居民用户的供电状况会得到很大改善,电压合格率的提高将增强城乡居民特别是广大农民的用电积极性｡为了配合电网的改造工程,实现电压控制和就地分散无功补偿的需求,开发了一种新型的低成本晶闸管开关电容器（TSC）式快速动态无功补偿装置,在控制上采用单片微机作为主控制器,实现了模糊控制和多种不同类型的控制方法,包括对称补偿和分相补偿,多级无功投切一次到位和电压参考控制等｡在合理配置补偿容量的情况下,可以保证负荷综合功率因数cosφ不低于0.9,响应时间最快可达0.02～0.04 s,并且投切平稳无电流冲击和无功反送现象｡与有触点开关操作电容器补偿方式相比,可以解决开关过程中常发生的过电压震荡和电弧重燃问题,避免了电弧烧伤触点和频繁操作造成的开关损坏现象｡
随着电力电子技术的推广和大量整流负载的出现,电网中的谐波污染越来越严重,谐波流入无功补偿电容器会使其发生过负荷甚至损坏｡为此,设计的串联电抗器可以对流过电容器的谐波电流加以限制,经过选择主接线方式和选用两相无触点开关控制方式,可以有效地降低成本和选择任何内部接线方式的三相电容器组｡
2 主接线的选择
晶闸管电力电子开关控制的电容器（TSC）无功补偿装置具有响应速度快､开关可以频繁动作､寿命长､无功容量按4∶2∶1分组可实现7级阶梯式调节等优点,属于静止补偿器的一种,因此比固定电容器或者交流接触器控制的电容柜特性要优越｡常见的接线方式有以下几种（见图1）｡
（1）三相控制的△形接线方式（图1a）｡这种接线的特点是线电压是已知量（端电压固定）,晶闸管无触点开关由2只反并联的普通晶闸管构成｡晶闸管总是在电流过零时断开,所以断开的电容器上的电压一般处于最大值（或正或负）,并且由于电容器内部装设的放电电阻的自放电现象,电容器上的电压逐渐降低｡在晶闸管重投时,需要考虑电容器的剩余电压,当系统电压和电容器残压相等时（允许有一个小范围差值）,就是晶闸管无触点开关投入的触发点｡否则由于电容器两端电压不能突变,系统电压和电容残压的差值较大时触发SCR会产生很大的电流冲击（这在有触点投切的电容器是不可避免的）,这一冲击会直接损坏晶闸管｡电流冲击主要体现在开关投入时的电流突变率和冲击电流最大值上,有
（L0+L）di/dt=UL（t）-UC（t） （1）
式中 L0为电源内电感;L为串联的电感;UL（t）为晶闸管触发时的电网电压;UC（t）为晶闸管触发时的电容电压｡
通常电源内电感L0都很小,为限制谐波电流而串联的电感L也不很大,所以当电压差较大时开通SCR的电流变化率di/dt就很大｡在晶闸管刚被触发的瞬间,由于晶闸管门极附近的开关区域还来不及使导电区域扩散到整个晶体芯片,因此这时过大的di/dt便极易损伤晶闸管开关｡最严重的情况是在UL（t）与UC（t）反相最大值的时刻触发晶闸管,由此形成的冲击电流非常危险｡以400 V电压为例,最大电压差UL（t）-UC（t）可达到1 130 V｡如果以一组△接法的50 kvar的电容器装于400 kVA变压器的低压侧,设变压器Uk=4%,则
C=Qc/3ωU2×106=332μF （2）
L0=U2×Uk（%）/ω×S×10=51μH （3）
式中 C为补偿电容;U为线电压;QC为补偿电容的无功容量;S为变压器容量;Uk（%）为变压器短路电压百分值｡
计及串联电感L=50μH,忽略电阻,则冲击电流周期T为
式中 Im为冲击电流峰值｡
式（4）说明,忽略电阻,在最大电压差时触发晶闸管开关,大约0.287 ms后电流达到最大值2048A｡按照正常负载电流选择的晶闸管电流应为55 A,晶闸管具有短时承受8～10倍过电流的能力,但是难以承受这样大的过电流｡增大串联电抗器可以降低电流冲击,或者选择大的晶闸管,但都需要增加投资,因此只有在控制上设法解决问题｡为了确定触发的合适时刻,需要预先测知电容器的残压,这通常不太容易做到,为解决这一问题,选择脉冲序列做为晶闸管的触发信号｡另外,无论电容器残压多高,它总是小于等于电源幅值的｡在1个周期中,晶闸管总有处于零压或反压的时刻｡每次触发晶闸管时选择其承受反电压的时刻作为触发脉冲序列的开始,这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态,也就解决了电容残压测量的难题｡
（2）采用二极管代替部分晶闸管组成的半控开关式接线方式（图1b）｡其特点是每次切除电容（晶闸管阻断）时,电容器总保持一定的电压（正的最大值）,这样晶闸管开关投入时只要脉冲列从系统电压最大值开始触发就可以保证平稳过渡,而且可以少用晶闸管以降低成本,控制也可简单些｡其缺点是第一次送电时仍会发生电流冲击,另外由于电容器组不推荐三角接线,所以图1（a）和（b）需要定制电容器,增加了接线的复杂程度｡
（3）是采用Y0型接线方式（图1c）｡这种接线晶闸管电压定额可以降低,但电流定额增大了｡电容器电压降低会提高其单位价格,同时投入时会产生短时不平衡中线电流｡
（4）没有B相晶闸管开关､只控制A､C两相的接线方式（图1d）｡由于电容器剩余电压的不确定性,晶闸管承受的最大电压和图1（a）相同｡这种方式可采用最普通的三相电容器组,又可少用价格昂贵的晶闸管,所以具有优越性,本文选择了图1（d）的结线方式,又研制了零电压触发电路,使得这种接线方式的控制成为经济可行的方案｡
3 晶闸管电压过零触发电路
由于电容器剩余电压的变化,晶闸管上的电压是一个不能根据电源电压计算的值,因此本文设计了一种晶闸管电压过零触发电路,电路示意图见图2｡
晶闸管无触点开关两端电压经电阻降压送到光电耦合器,当交流电压瞬时值与电容器的残压相等时晶闸管上电压为零,这时光电耦合器上输出1个负脉冲｡此脉冲宽度大约150μs,脉冲反相后与TSC投入指令相“与”后启动多谐震荡器输出脉冲串,然后经过功率放大和隔离电路去触发相应的晶闸管｡晶闸管一经触发就保持导通,相应的电容器便投入运行｡由于晶闸管导通后端电压接近为零,只要TSC投入指令存在,触发脉冲串就一直输出,保证了晶闸管可靠导通｡当TSC投入指令撤消时,触发脉冲便停发,晶闸管在电流过零时断开,直到单片机下次发出TSC投入指令才选择在零电压点重新投入｡这样的硬件闭锁电路比较可靠,可以避免软件闭锁方式在电源大干扰时（例如交流系统远方短路故障）误发触发脉冲｡
对于三相对称补偿装置,只需要在两相上装设这种零电压触发无触点开关;而对于分相操作的无功补偿装置,则需要三相都装这种无触点开关｡为了调节灵活,一般须按不同容量分别装设3组电容器,达到7级无功容量阶梯调节的目的｡例如100 kvar的无功补偿装置电容器分组容量为60､30和15 kvar（105 kvar无功补偿装置）｡
4 无功补偿的模糊控制
低压无功补偿设备一般分为网络型和用户型,前者的作用主要是降低网络损耗和改善电压质量;后者的作用主要是提高功率因数,减少无功损耗,兼有改善电压质量｡由于电网电压水平决定于全系统的无功平衡状况,而不仅仅取决于某台无功装置,因此不能用一条函数曲线表示某运行点电压与无功补偿容量之间的关系｡当以系统运行工况为参数时,并联电容器设备端电压与无功功率的关系是一簇曲线,这给无功补偿电容器设备的自动控制带来了困难｡在有些运行工况下,电压质量与功率因数的要求会发生矛盾,当电压值在额定值附近时,功率因数可能比较低,当提高功率因数后,电压又可能偏高,这相当于系统无功功率过剩的状况｡对于用户型的无功补偿设备,无功补偿功率与负荷的功率因数也呈非线性关系,在相同的负荷条件下,功率因数越接近于1,调节同样功率因数所需的补偿容量越大,投入相同容量电容器的补偿效果也越差｡所以对于用户型无功补偿设备的选型和运行控制,即使功率因数补偿到1,从经济角度来看也许并不合算｡在负荷较小时,尽管功率因数很低,但这时投入1组小容量的电容器也许会发生过补偿的结果,这就有可能使电容补偿设备产生往复投切的振荡现象｡开关的频繁动作会降低开关和电容器的使用寿命,即使使用无触点开关可以大大延长开关寿命,但开关的频繁动作也会带来对系统的干扰冲击,这是目前电容补偿装置的一个突出问题｡另外,无功补偿电容器的功率输出正比于电压的平方,当电压水平不同时每组电容器的额定功率输出也不相同,所有这些因素都给无功补偿设备的控制算法造成困难｡
为此,本文提出了模糊控制方法,由于TSC无功补偿装置是采用分级投切电容器的方法来调节无功功率的,不能连续调节,调节量不必分得太细,这恰好适应了模糊控制的特点｡综合考虑以上几种非线性因素以及多值函数的影响后,运用模糊逻辑推理的方法,能够既简单又迅速地算出应当投入补偿的容量级差｡
模糊控制是用计算机来模仿专家控制策略的一种控制方式｡模糊控制器的设计分为输入量模糊化､模糊控制规律的推导和模糊输出量的判决3个过程｡并联电容补偿装置模糊控制器的输入量依次为负荷的无功功率､结点电压､功率因数｡根据专家控制策略,将输入量的取值范围划分为若干区域,确定各区域的隶属度,以获得满意的控制效果｡例如系统负荷无功功率按比例分为8档,系统电压参考电压合格率分为高､中､低3档,系统负荷的功率因数也分为高､中､低3档｡
并联电容补偿装置投入容量是负荷无功功率､结点电压和功率因数的三维函数,它的模糊控制器有3个输入量和1个输出量,一般可采用1组多维模糊条件语句来描述其控制策略｡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为输入变量;A为各输入变量的取值区域;Y为输出变量;C为输出变量的取值区域｡
按照式（5）进行在线计算模糊控制策略需要消耗大量的计算时间,且不便于编制计算程序｡为了提高控制器的反应速度并简化编程,根据电容器补偿控制装置非连续控制的特点,将各输入变量的模糊区域进行归类,然后根据对电容补偿控制规律的分析,将三维模糊控制条件语句,式（5）化为如下形式的一维模糊条件语句: 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息
IF｛X1=A1i｝
THEN IF｛X2=A2j｝
THEN IF｛X3=A3k｝
THEN Y=C1
由于电容器分组的控制结果只有投入（ON）和切除（OFF）2种状态,采用计算机语言可以很方便地实现式（6）表示的模糊算法｡为避免开关频繁动作造成的振荡,进行模糊归类分级时增加了无功分级的滞环特性｡补偿装置首先按照负载的无功功率进行分级,同时考虑功率因数和系统电压进行补偿校正｡按照本文设计的无功功率补偿装置已在保定风帆摩托车电池有限公司试运行18个月｡
参考文献:
[1] 贺仲雄.模糊数学及其应用[M].天津:天津科学技术出版社,1983:295-312.
[2] 杨仁刚.微机型电压无功综合控制器[C].Proc,CUS-EPSA,1992.
[3] 马瑞军.运用模糊控制理论的并联电容器投切方式[J].华北电力大学学报,1998,（7）.
作者简介:
石新春（1950-）,男,教授,从事电力电子､电力系统自动化等方面的研究及教学工作;
杨梅玲（1950-）,女,高级工程师,从事电力工程及其自动化方面的研究及管理工作;
喻德忠（1976-）,男,硕士研究生;彭伟（1970-）,男,助教,工程硕士｡
