摘　要:介紹一種適合于低壓（400 V）配電網分散進行無功補償的低成本晶閘管開關電容器（TSC）裝置,它通過檢測晶閘管式無觸點開關（SCR）兩端電壓為零作為SCR觸發的必備條件,實現了硬件閉鎖保護,避免了誤觸發造成的沖擊電流損壞元件,不會發生無功過補償現象,而且簡化了設計,降低了成本 關鍵詞:零電壓開關;無功補償;晶閘管 1 引　言 　　近些年來,電力系統的迅速發展已逐漸改變了我國電力供應緊張的局面,有些地區出現了供大于求的現象,使得我們有條件考慮電力系統的經濟運行和啟動電力市場,用戶也對供電質量提出了更高的要求｡全國范圍內的配電網改造正在全面開展,可以預期,城鄉工業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居民特別是廣大農民的用電積極性｡為了配合電網的改造工程,實現電壓控制和就地分散無功補償的需求,開發了一種新型的低成本晶閘管開關電容器（TSC）式快速動態無功補償裝置,在控制上采用單片微機作為主控制器,實現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cosφ不低于0.9,響應時間最快可達0.02～0.04 s,并且投切平穩無電流沖擊和無功反送現象｡與有觸點開關操作電容器補償方式相比,可以解決開關過程中常發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損壞現象｡ 　　隨著電力電子技術的推廣和大量整流負載的出現,電網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生過負荷甚至損壞｡為此,設計的串聯電抗器可以對流過電容器的諧波電流加以限制,經過選擇主接線方式和選用兩相無觸點開關控制方式,可以有效地降低成本和選擇任何內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控制的電容器（TSC）無功補償裝置具有響應速度快､開關可以頻繁動作､壽命長､無功容量按4∶2∶1分組可實現7級階梯式調節等優點,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）,晶閘管無觸點開關由2只反并聯的普通晶閘管構成｡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）,并且由于電容器內部裝設的放電電阻的自放電現象,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投入的觸發點｡否則由于電容器兩端電壓不能突變,系統電壓和電容殘壓的差值較大時觸發SCR會產生很大的電流沖擊（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｡電流沖擊主要體現在開關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為電源內電感;L為串聯的電感;UL（t）為晶閘管觸發時的電網電壓;UC（t）為晶閘管觸發時的電容電壓｡ 　　通常電源內電感L0都很小,為限制諧波電流而串聯的電感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｡在晶閘管剛被觸發的瞬間,由于晶閘管門極附近的開關區域還來不及使導電區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｡最嚴重的情況是在UL（t）與UC（t）反相最大值的時刻觸發晶閘管,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,設變壓器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晶閘管開關,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法解決問題｡為了確定觸發的合適時刻,需要預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｡每次觸發晶閘管時選擇其承受反電壓的時刻作為觸發脈沖序列的開始,這樣當晶閘管由反向轉為正向偏置時就自動進入平穩導通狀態,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）,這樣晶閘管開關投入時只要脈沖列從系統電壓最大值開始觸發就可以保證平穩過渡,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,同時投入時會產生短時不平衡中線電流｡ 　　（4）沒有B相晶閘管開關､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,所以具有優越性,本文選擇了圖1（d）的結線方式,又研制了零電壓觸發電路,使得這種接線方式的控制成為經濟可行的方案｡ 3 晶閘管電壓過零觸發電路 　　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電源電壓計算的值,因此本文設計了一種晶閘管電壓過零觸發電路,電路示意圖見圖2｡ 　　晶閘管無觸點開關兩端電壓經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,然后經過功率放大和隔離電路去觸發相應的晶閘管｡晶閘管一經觸發就保持導通,相應的電容器便投入運行｡由于晶閘管導通后端電壓接近為零,只要TSC投入指令存在,觸發脈沖串就一直輸出,保證了晶閘管可靠導通｡當TSC投入指令撤消時,觸發脈沖便停發,晶閘管在電流過零時斷開,直到單片機下次發出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（例如交流系統遠方短路故障）誤發觸發脈沖｡ 　　對于三相對稱補償裝置,只需要在兩相上裝設這種零電壓觸發無觸點開關;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｡為了調節靈活,一般須按不同容量分別裝設3組電容器,達到7級無功容量階梯調節的目的｡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 無功補償的模糊控制 　　低壓無功補償設備一般分為網絡型和用戶型,前者的作用主要是降低網絡損耗和改善電壓質量;后者的作用主要是提高功率因數,減少無功損耗,兼有改善電壓質量｡由于電網電壓水平決定于全系統的無功平衡狀況,而不僅僅取決于某臺無功裝置,因此不能用一條函數曲線表示某運行點電壓與無功補償容量之間的關系｡當以系統運行工況為參數時,并聯電容器設備端電壓與無功功率的關系是一簇曲線,這給無功補償電容器設備的自動控制帶來了困難｡在有些運行工況下,電壓質量與功率因數的要求會發生矛盾,當電壓值在額定值附近時,功率因數可能比較低,當提高功率因數后,電壓又可能偏高,這相當于系統無功功率過剩的狀況｡對于用戶型的無功補償設備,無功補償功率與負荷的功率因數也呈非線性關系,在相同的負荷條件下,功率因數越接近于1,調節同樣功率因數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備的選型和運行控制,即使功率因數補償到1,從經濟角度來看也許并不合算｡在負荷較小時,盡管功率因數很低,但這時投入1組小容量的電容器也許會發生過補償的結果,這就有可能使電容補償設備產生往復投切的振蕩現象｡開關的頻繁動作會降低開關和電容器的使用壽命,即使使用無觸點開關可以大大延長開關壽命,但開關的頻繁動作也會帶來對系統的干擾沖擊,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節無功功率的,不能連續調節,調節量不必分得太細,這恰好適應了模糊控制的特點｡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當投入補償的容量級差｡ 　　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｡模糊控制器的設計分為輸入量模糊化､模糊控制規律的推導和模糊輸出量的判決3個過程｡并聯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､結點電壓､功率因數｡根據專家控制策略,將輸入量的取值范圍劃分為若干區域,確定各區域的隸屬度,以獲得滿意的控制效果｡例如系統負荷無功功率按比例分為8檔,系統電壓參考電壓合格率分為高､中､低3檔,系統負荷的功率因數也分為高､中､低3檔｡ 　　并聯電容補償裝置投入容量是負荷無功功率､結點電壓和功率因數的三維函數,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域;Y為輸出變量;C為輸出變量的取值區域｡ 　　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速度并簡化編程,根據電容器補償控制裝置非連續控制的特點,將各輸入變量的模糊區域進行歸類,然后根據對電容補償控制規律的分析,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:輸配電設備網 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果只有投入（ON）和切除（OFF）2種狀態,采用計算機語言可以很方便地實現式（6）表示的模糊算法｡為避免開關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,同時考慮功率因數和系統電壓進行補償校正｡按照本文設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.模糊數學及其應用[M].天津:天津科學技術出版社,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｡