专利名称：晶闸管投切电容器组补偿装置的制作方法
技术领域：
晶闸管投切电容器组补偿装置属于电力系统无功补偿技术领域。
由于输电线路和负荷多呈现感性，无功功率补偿从整体而言，需要的是容性无功功率，因此电力系统中多采用电容进行补偿。TSC的基本原理是通过控制主电路中的晶闸管阀，实现对电容器组的投切，从而控制了接入系统的作为无功功率补偿的电容器容量。由于电容上的电压不能突变，所以为了减轻在系统电压和电容器残存电压不相等时，开通晶闸管所可能引起的电流冲击，必须尽可能选择一个晶闸管两端电压为零(或最小)，且电容中的电流为零的时刻，使晶闸管开通。因此，选择适当的时刻触发晶闸管，使电容器的投入不会对系统造成冲击，是设计TSC控制电路中最为关键的技术。如
图1所示，传统TSC主回路结构多采用两只反并联晶闸管、或用一只晶闸管和一只反并联二极管构成电子开关，连接在交流电源上进行分相控制。这两种主电路结构都有各自的不足之处。晶闸管和其它功率器件以及相应的触发控制电路是TSC设备中最为昂贵的部分。前者电路(如图1(a)所示)使用的晶闸管元件较多，相应的触发电路多，结构复杂，投资大。后者电路(如图1(b)和(c)所示)的晶闸管数目虽为前者的一半，但却由于增加了功率二极管，功率器件的数目并没有变化。由于二极管的存在，为了保证后者第一次投切时实现无过渡过程，需利用充电设备事先将电容充电到峰值，但这增加了系统的复杂性，所以在实际中多不采用。因此，在后者第一次投入电容器组时，投入瞬间功率二极管上电压最大值为一倍峰值，可能会产生较大的电流冲击。
在此之前，本专利发明人之一(杨建宁)开发出一种“2+1”型主电路结构(专利号ZL9921656.9)。“2+1”型主电路由电容器组接成星型电路，星点处用一只二极管和两只晶闸管组成三角形连接的电子开关。
在TSC装置中，晶闸管是最为昂贵的部分，相应的触发电路及控制器是最为复杂的部分。晶闸管器件的造价至少是相同容量功率二极管器件的造价的三倍以上，因此，尽量降低电路中采用的晶闸管的数目是降低TSC设备成本最有效的措施。因为无需为功率二极管设计相应的触发电路和控制电路，采用功率二极管器件取代晶闸管另一个优势是降低了触发电路及控制器的复杂性，从而进一步降低了TSC控制电路的成本，提高了控制电路的可靠性和效率。相对于传统TSC主电路结构，如前所述，本专利所提出的“1T+2D”型主电路结构大大减少功率器件和晶闸管的数目，降低产品成本和控制的复杂性，简化了控制器的设计使之更为可靠；相对于“2+1”型主电路，性能相近，但每一个电容器组节省了一个晶闸管及其相应的触发控制电路，从而降低了产品价格和设计复杂性，虽然TSC投入瞬间冲击略大，对晶闸管要求略高，但性能更加稳定，考虑到价格因素，基于“1T+2D”型主电路结构开发的TSC性价比更高。因此，“1T+2D”型晶闸管投切电容器组补偿装置的主电路结构在TSC家族里具有巨大的竞争优势。
在常规的电容器组三相补偿装置中，有相当一部分是将电容器接成星形；此时如将开关放在星点处，由于对称运行时星点为系统的中性点，所以导通的开关将运行在低压状态，具有较高的安全性；一个典型的利用在中性点三角形连接的晶闸管电子开关所构成的三相TSC的电路如图2(a)所示。
由于晶闸管的单相导电性，和电容作为储能元件其两端的电压不能突变的特点，其中一组晶闸管实际上是冗余的。图2(b)所示结构仅保留一组同向连接成三角形的三个晶闸管，该电路将具有与采用三个反并联晶闸管开关时具有同样的功能。为了说明这一点，我们首先利用图2(c)的三个二极管构成的等效电路对其导通工作机理加以说明。以AB支路为例，如不考虑Uc的影响，当Uab＞0时线电压Uab通过D1对C1、C2正向充电；而Uab＜0时，线电压则通过D2、D3对电容C1、C2反向充电，因此上述同向角接的二极管完全可以实现连通上述补偿电路的功能。在理想条件下，一个周期中每一个瞬间均有两个二极管导通，三个二极管按序号每隔120°顺序导通，每个器件的导通角为240°；在忽略限流电抗所引起的相移的条件下，器件的自然转换点出现在相应的相电压的正峰值；在Ub达到正峰值的瞬间，D1进入正向偏置而开通，与之同时D2被反偏置而关断；同理，D2和D3的将分别在Uc和Ua达到正峰值时开通，导通240°后被自然关断。由于上述自然换相过程是在电流为零时实现的，所以整个电路相当于一个三相的零电流开关。
为了对开关时刻进行控制，从而实现TSC的投入和切除，需将电路中二极管以晶闸管替代。将其中两个二极管换为晶闸管，这就是图2(d)所示的结构，即发明人之一(杨建宁)所提出的“2+1”型主电路结构。将其中一个二极管换为晶闸管，这就是图2(e)所示的结构，即“1T+2D”型主电路结构。基于这种主电路结构设计的TSC，在晶闸管没有触发时，电容不被投入，当晶闸管按一定方式触发时，晶闸管的开关状态和图2(c)中对应位置的二极管状态相同，三相电容被全部投入系统中。停止触发晶闸管，三相电容从系统中切除。通过控制晶闸管的触发，实现对电容器组投切的控制。
假如晶闸管的门极上一直有连续的触发脉冲，从晶闸管的工作原理可知，此时可将晶闸管视为功率二极管，即具有阳极和阴极之间加正压导通，加负压关断的特性。上面的分析指出，在TSC投入时，“1T+2D”型主电路晶闸管的开关状态和图2(c)中对应位置的二极管状态相同，因此，在TSC投入时，晶闸管门极上可加有连续的触发脉冲，由晶闸管根据阳极和阴极之间的电压自动开通和关断，直至TSC从系统切除为止。这样，在TSC运行时，晶闸管的开关状态一定和图2(c)中对应位置的二极管状态相同。因此，我们只需关心触发脉冲的初始时刻和结束时刻，而不需考虑TSC处于投入状态时的触发，从而简化了控制器的设计。在以下所提到的“1T+2D”型电路的触发脉冲，都采用了如上的设计思想。
在TSC电路中，在忽略线路电阻的条件下，通过电容的电流的瞬时值可以表示为[1]i(t)=I1mcos(ω1t+α)-I1mcosαcosωnt-nBc[Vco-n2n2-1Vssinα]sinωnt..[1]]]>式中ω1是系统电压角频率；ωn=1/LC=nω0,]]>是电路的自然频率；n=XC/XL,]]>是自然频率的标么值；α为触发角；BC＝ω0C，是电容器的基波电纳；I1m=VBCn2n2-1,]]>是电流基波分量的幅值，即稳态电流的幅值；VC0是电容电压初值。
上式右侧后两项代表预期的电流振荡分量，如果希望投入电容器时完全没有过渡过程，必须同时满足以下两个条件第一，α＝±90°即系统电压达到峰值的时刻触发晶闸管；第二，开通时刻电容器的电压VC0=±n2n2-1Vs,]]>此时晶闸管两端电压为零，从而保证换路前后电路的状态不变。但这两个条件在实际中很难同时达到，所以一个可行的方案是选择在晶闸管两端所承受的电压为零时，对其进行触发；并在其后通过在门极施加连续的触发脉冲列，或在前述自然换相点令相应的晶闸管触发导通，使得晶闸管的工作模拟二极管模式(即一旦晶闸管进入正向偏置器件即自然导通，而当通过器件的电流小于维持电流时器件自然关断)。如果晶闸管始终处于正向偏置状态，即晶闸管阳极和阴极之间的电压始终为正，不存在过零压，这种情况下一个可行的方案是在晶闸管两端所承受的电压最小时对其进行触发，这样做会尽量减少晶闸管导通对系统产生的冲击。
本实用新型的特征在于所述的电容器组接成星形电路，星点处用一只晶闸管和两只功率二极管组成三角形连接的电子开关，形成“1T+2D”型星点式补偿装置。
仿真以及实验证明之可达到预期目的。
(a)中性点角接电路(b)“3T”型星点式补偿装置电路结构(c)等效3D电路(d)“2+1”型星点式补偿装置电路结构(e)“1T+2D”型星点式补偿装置电路结构图3“1T+2D”型主电路TSC装置投入时的仿真波形图(a)电容C1、C2、C3的电压波形图(b)电容C1、C2、C3的电流波形图(c)晶闸管VT1、二极管D1、D2的电压波形图(d)晶闸管VT1、二极管D1、D2的电流波形图图4“1T+2D”型主电路TSC装置切除时的仿真波形图(a)电容C1、C2、C3的电压波形图(b)电容C1、C2、C3的电流波形图(c)晶闸管VT1、二极管D1、D2的电压波形图(d)晶闸管VT1、二极管D1、D2的电流波形图图5 TSC投入过程晶闸管的电流电压波形图图6 TSC投入过程功率二极管D2电流电压的波形图图7 TSC切除过程晶闸管的电流电压波形图图8 TSC切除过程功率二极管D2的电流电压波形图如前所述，要使“1T+2D”电路工作，且尽量减少晶闸管导通对系统的冲击，可以在线电压Uab达到负峰值时触发VT1管，此时加在晶闸管VT1的两端电压最小，从而晶闸管导通对系统的冲击也最小，并且在其后向门极施加连续的触发脉冲列。VT1导通后，电路处于单相运行状态(单相是指线电压Uab对电容C1、C2工作)。随后UC1电位下降，引起D1管导通，此时“1T+2D”电路离开单相工作，进入三相工作状态，TSC被投入系统中。Uab达到负峰值之后90°，Uc达到正峰值，此时D2导通，晶闸管VT1导通，二极管D1自然截止。经120°Ua达到正峰值，二极管D1自然导通，D2继续导通，由于D2和D1导通，晶闸管VT1自然截止。然后再经过120°，在Ub达到正峰值时，晶闸管VT1又一次导通，二极管D1又一次截止，随后重复以上过程。
“1T+2D”电路的晶闸管和二极管在TSC投入过程中的任意时刻均有两只管子处在导通状态，即在每个电周期里，每只管子交替导通/关断，各导通240°，关断120°。晶闸管和二极管导通时流过的电流是电路的线电流，也就是流过相应电容器的电流。
关断电子开关电路前，假设D2、D1导通，VT1关断，D2导通240°后，承受反压停止工作，此时停止触发VT1，电容进入充电状态。经过330°充电过程停止，TSC被从系统中切除。假设关断电子开关电路前VT1、D1/D2导通，此时停止触发VT1，电路过渡到D2、D1导通，VT1关断的状态，随后的过程如上所述。
停止过程中电容器电压是这样的。当D2停止时，电容C2上电压为相电压Ub的正峰值。电容C1、C3为相电压负峰值的1/2。电路通过二极管D1、D2实现对电容器C1、C2、C3充电。在线电压Uca的作用下，C1、C3充电，经过90°，二极管D1关断在线电压Uca的正峰值。在线电压Ubc作用下，电容C2、C3充电，经过330°，二极管D2关断在Ubc的正峰值。最后，电容器C1充电到负的线电压Uca的正峰值，电容器C2充电到正的线电压Ubc的正峰值，电容器C3上的电压为0。这又回到了上面讨论的预充电状态。
如果不考虑电容的放电作用，电容电压将不会变化，在Uab的负峰值触发VT1，TSC将再次被投入，以后过程如前所述。
由上分析，由于充电过程的存在，在TSC每次投入前，“1T+2D”电路电容上的电压都是一样的。
在TSC投入的过程中，如前所述，会产生一定的冲击电流，为了减少冲击，需要在三相电容中和每相电容串联一个阻抗值相当于电容器0％到13％的电抗器。
为了更好的说明“1T+2D”型主电路结构的基本原理，采用ORCAD/PSPICE V9对“1T+2D”型主电路结构的TSC装置进行了仿真。图3和图4给出了仿真结果。
仿真参数如下系统电压三相正序，线电压有效值为380V，TSC只有一个电容器组，包括接到系统A、B、C三相的三个相同容量的电容，每相电容为2mF，电容电压初始值为0。为了减少冲击电流对系统的影响，每相电容串联一个相当于其容量6％的电感，为300uH。
对“1T+2D”型主电路结构采用上述的控制策略，得到了图3和图4所示的仿真波形图3(a)表示了在TSC投入过程中三相电容的电压波形；图3(b)表示了在TSC投入过程中三相电容的电流波形；图3(c)表示了在TSC投入过程中晶闸管VT1和功率二极管D1、D2两端的电压波形；图3(d)表示了在TSC投入过程中晶闸管VT1和功率二极管D1、D2的电流的波形；图4(a)表示了在TSC切除过程中三相电容的电压波形；图4(b)表示了在TSC切除过程中三相电容的电流波形；图4(c)表示了在TSC切除过程中晶闸管VT1和功率二极管D1、D2两端的电压波形；图4(d)表示了在TSC切除过程中晶闸管VT1和功率二极管D1、D2的电流的波形。
在TSC投入之前，晶闸管没有被触发，电容通过二极管D1、D2充电。充电过程结束后，电容器C1充电到负的线电压Uca的正峰值，电容器C2充电到正的线电压Ubc的正峰值，电容器C3上的电压为0。由于电感和线路损耗的存在，充电结果并不严格等于上述值，而是略有偏差。晶闸管VT1承受的电压最大值为3倍的系统线电压的峰值，最低为1倍的系统线电压峰值，没有过零压。
在0.1017秒处，即线电压Uab达到负峰值时，在晶闸管VT1门极上加触发脉冲。此时晶闸管VT1阳极和阴极之间的电压为最小(1倍线电压峰值)，晶闸管导通产生的冲击也最小。过渡过程如前所述，TSC被投入系统中。
理论分析可知，由于电容充电过程和电感的存在，并且由于晶闸管VT1阳极和阴极之间电压至少为1倍峰值，因此在TSC投入瞬间，会产生一定的冲击电流，引起电压电流波形的畸变，谐波频率和电容电感值的选择有关。经过大概3个周波，谐波衰减为零。
当TSC被投入到系统中，如前所述，晶闸管VT1、二极管D1和D2交替导通，在一个电周期内各导通240°。如果忽略导通压降，晶闸管和二极管上的电压则为零，导通时电流为系统线电流。
大约投入TSC10个周期后，在Ub达到正峰值前停止触发晶闸管VT1。停止触发脉冲后，电容开始充电，过渡过程如前所述。至少要经历一个周波，过渡过程方能结束，TSC从系统中切除。电容器C1充电到负的线电压Uca的正峰值，电容器C2充电到正的线电压Ubc的正峰值，电容器C3上的电压为0。这又回到了上次TSC从系统中切除时的初始状态。
图5至图6给出了基于“1T+2D”型电路开发的TSC模拟装置的实验波形图。实验参数如下，经三相降压变压器，将系统线电压有效值设定为110V，A相电容50.3uF，B相电容49.5uF，C相电容49uF。按图2(e)所示接线，线路中不串电抗器。本装置用的晶闸管是IR公司T90RIA型的，功率二极管是SEMIKRON的SKKD 115/120 8830型。
选择Uab的负峰值作为投入时刻，图5表示了在TSC投入过程中晶闸管的电流电压波形；图6表示了在TSC投入过程功率二极管D2的电流电压波形。图7表示了TSC切除过程中晶闸管的电流电压波形；图8表示了TSC切除过程中功率二极管D2的电流电压波形。各图中，位于上方的波形曲线(标注为1)是电流波形，位于下方的波形曲线(标注为2)是电压波形。波形图横轴为时间，每一格为10ms。纵轴为波形幅值，对于电压波形，如图所示，每一格为200V。实验中用LEM模块测电流，转化为电压信号输出。经转换计算，对于电流波形，每一格为1.92A。
权利要求1.晶闸管投切电容器组补偿装置(的主电路结构)，含有投切电容器和由晶闸管和功率二极管构成的投切部件，其特征在于所述的电容器组接成星形电路，星点处用一只晶闸管和两只功率二极管组成三角形连接的电子开关，形成“1T+2D”型星点式补偿装置。
专利摘要晶闸管投切电容器组补偿装置属于电力系统无功补偿装置领域，其特征在于它是一种“1T+2D”式星点式补偿装置，它的投切电容器组接成星形电路，星点式用一只晶闸管和两只功率二极管组成三角形连接的电子开关，它在保证同样技术性能的条件下可大大地降低初期资金投入。
文档编号H02J3/18GK2591838SQ0229153
公开日2003年12月10日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年12月20日
发明者陈建业, 杨建宁, 韩业辉 申请人:清华大学