电能质量控制技术之晶闸管投切电容器TSC

电能质量控制技术之晶闸管投切电容器TSC第一页，共40页。研究背景1大量非线性随机电源（分布式电源）接入主网以风能、太阳能等可再生能源为一次能源的分布式发电系统的输出具有不可控性、间歇性及随机波动，其渗透率的提高使供电系统电能质量（如电压波形、负序及功率因数）产生负面影响。2大量非线性随机负荷接入电网以电气化机车,变频器,电弧炉等大功率非线性随机负荷接入电网使供电系统电能质量（如电压波形、负序、功率因数及电压暂降等）恶化。3电力系统中大量对电能质量敏感性负荷的接入电子负荷易受电压暂态、跌落、瞬间中断及其他扰动的影响。例如：（1）PLC:在工业生产中，PLC的某些部分对电压暂降非常敏感；（2）可调速装置：电压暂降可能引起可调速驱动装置跳闸；第二页，共40页。研究背景4低压配电网基波无功补偿存在的问题以交流接触器作电力电容器的投切执行元件，投入时冲击电流大，切除时会产生过电压，自身触头易损甚至熔焊，噪声大，而且投切时间长。在控制环节上基本不能满足分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。5解决问题的思路基于上述问题，低压配电网应采用动态补偿。以晶闸管作为执行元件，用工业计算机进行控制，通过跟踪检测负荷的无功电流或无功功率，对多级电容器组进行分相投切。补偿效果快速、准确、安全、洁净及易于控制。与静态无功发生器（SVG）比较，简单、可靠、成本低。第三页，共40页。晶闸管投切电容器(TSC)晶闸管投切电容器（thyristor-switchedcapacitor，TSC）

1TSC主电路

主电路设计除了满足分相、分级和快速补偿要求外，还应考虑限制并联电容器组的合闸涌流和抑制高次谐波等问题。(1)三相电力电容器接成星形以满足分相补偿的要求;(2)星形联接电容器组的每相电容器按二进制1∶2∶4∶8关系分四组进行补偿，以提高静态补偿精度。(3)晶闸管作为开关元件以满足快速补偿的要求，它还作为无触点开关，能快速通断，不存在电弧及噪声等现象，安全可靠，使用寿命长.(4)主电路中应加装串联电抗器。限制并联电容器组中的合闸涌流，抑制高次谐波。第四页，共40页。图1TSC的主电路结构示意图

第五页，共40页。TSC投入时最小冲击电流的控制方法第六页，共40页。图2串联电感元件的晶闸管投切电容器的单相电路

图3L、C串联电路的复频域模型

根据KVL，回路方程为：（1）取拉普拉斯反变换，并经整理得：（2）式中：设电源电压为，电感元件的初始电流，电容器的初始电压，应用复频域分析法，L，C串联电路的复频域模型如图3第七页，共40页。（3）在晶闸管开通之前，电容器已通过二极管充电到电源电压的正峰值，满足预充电条件，所以，只要电容器在电源电压正峰值时投入(即控制在电压90度角时刻合闸)，可使冲击电流最小。只要电容器在电源电压正峰值时投入（即控制在电压90度角时刻合闸），并在晶闸管电流（即电容器电流）为零时切断。无论电容器的投或切，其电流都为零，不会产生电流冲击，波形图见图4。晶闸管投切电容器时，要使暂态过程为零，必须同时满足以下两个条件：第八页，共40页。图4晶闸管投切电容器波形图其中，为电容器投切时刻；为电容器切断时刻；为晶闸管触发脉冲。第九页，共40页。

TSC补偿对谐波的放大及其抑制措施电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振,电容器引起的谐波电流放大的基本原理和等值电路:

图5原理接线图6谐波等值电路设谐波源h次谐波电流为，进入主系统的电流为，进入电容器的电流为在时，称作系统谐波电流放大；在时，称作电容器谐波电流放大；在和同时发生时，称为谐波电流严重放大。第十页，共40页。设电容器、电抗器和主系统的基波电抗分别为，，和，再设，，S和k分别是以为基值的系统电抗率和电抗器电抗率。电容器和主系统的谐波电流和谐波电压为：(4)(5)(6)（一）谐波电流放大倍数曲线电容装置的谐波电流放大倍数和系统谐波电流放大倍数为两者并联时的谐波电流和分别与谐波源电流之比

。（7）不计电阻时的放大倍数由式（6）求得，并用比值表示为：

第十一页，共40页。（8）式中：图7-9为对于注入3、5、7、9次谐波，k=0、k=6%和k=12%的放大倍数曲线。电容器的额定电压为，与母线额定电压的关系为

母线的短路容量为：电容器输出的实际无功功率为：第十二页，共40页。图7k=0时谐波电流放大曲线图8k=6%时谐波电流放大曲线第十三页，共40页。图9k=13%时谐波电流放大曲线（二）谐波电流的抑制令或，即令式（8）中的分母为零

（9）得出产生并联谐振的为（10)令或得第一临界点的计算式为

第十四页，共40页。（11）令或得第二临界点的计算式为

（12）其值如下表2所示表1特征点的值

由表1和图7-图9可知，加强串联电抗器是抑制谐波放大的有效措施，其参数应根据实际存在的谐波进行选择。并联电容器之所以能够引起谐波放大，是因为电容器回路在谐波频率范围内呈现出容性。若在电容器回路串接电抗器，通过选择电抗值使电容器回路在最低次谐波频率下呈现出感性，则可消除谐波放大现象。为此，串联电抗器的电抗值应满足下式：第十五页，共40页。（13）考虑到电抗器和电容器的制造误差，通常取（14）

目前，国内并联电容器配置的电抗器的电抗率主要有以下四种类型：<0.5%、4.5%、6%和12%，配置<0.5%电抗率的电抗器的主要目的是限制电容器的合闸涌流；当采用基波感抗为容抗的4.5%或6%的串联电抗器时，可抑制5次以上的谐波电流；当采用基波感抗为容抗的12%的串联电抗器时，可抑制3次以上的谐波电流。

第十六页，共40页。控制器原理控制器的设计应考虑检测量的检测方法简单、快速，以满足跟踪补偿的要求；同时还应考虑晶闸管的可靠触发、抗干扰和装置闭锁等问题，以提高装置的可靠性。1硬件电路图

电容器组的投切控制是由工业PC机、I/O模块（包括数据采集模块A/D板、光电隔离数字量输入模块IDI板、光电隔离数字量输出模块IDO板、串行通信模块)、取样电路和晶闸管触发电路组成的工业控制系统。由于控制器采用了工业PC机,软硬件丰富，通信功能强，电磁兼容性好，提高了无功补偿装置的可靠性，缩短了研制的周期，并可实现与其他自动控制系统联网，使无功补偿系统化控制。

电压、电流取样电路与I/O模块的联接见图10。触发电路与主电路及I/O模块的联接见图11。第十七页，共40页。图10电压、电流取样电路与I/O模块的联接图第十八页，共40页。图11触发电路与主电路及I/O模块的联接图

第十九页，共40页。实验结果及其分析

实验电路如图11所示。电容器为自愈式低压并联电容器BZMJ0.4-5-1(C＝99.5μF，tgδ＝0.0012),电源电压为220V，频率50Hz，晶闸管的控制角为90，电源电压和晶闸管触发脉冲用数字式双踪示波器观测的波形如图12所示。当电容器支路分别串联电抗率k＝0、k＝6%和k＝13%的空芯电抗器时，用数字式双踪示波器观测电源电压u和电容器电流i经变送器变换后的交流信号，同时对u和i进行同步采样。u和i的波形图见图13。主要谐波(相对值)和总谐波畸变率见表2和表3。图12晶闸管触发信号和同步信号波形图第二十页，共40页。图13电压U和电流i波形图表2电网电压主要谐波电压值(相对值)注：，为电压总谐波畸变率。实验结果分析：第二十一页，共40页。(1)由于晶闸管在开通前电容器已通过大功率二极管预充电到电源电压的正峰值，只要当晶闸管控制角在90时电容器即投入，冲击电流很小对母线电压不会产生扰动,这于延长电容器寿命有利。表3电流主要谐波值(相对值)注：，为电流总谐波畸变率。(2)当谐波电流注入系统后，谐波电流通过电网阻抗产生谐波电压，使电源电压发生畸变。当电容器支路串联电抗率k＝0时，电流波形严重畸变，总谐波畸变率较大；当串联电抗器后，除了能避免电容器支路与系统产生的并联谐振(k＝6%时，能将5次以上的谐波脱谐；k＝13%时，能将3次以上的谐波脱谐)外，由于电抗器的感抗随频率的升高而增大，从而具有抑制谐波电流的作用，使电容器支路的高次谐波电流减小，波形明显改善，总畸变率下降。第二十二页，共40页。

复杂电力系统无功功率、谐波、负序综合治理系统第二十三页，共40页。电能质量综合控制系统原理框图系统结构框图第二十四页，共40页。电力系统无功功率、谐波、负序综合治理系统有源部分——并联型有源电力滤波器（APF）

有源部分装置侧视图和内视图第二十五页，共40页。电力系统无功功率、谐波、负序综合治理系统有源部分——并联型有源电力滤波器（APF）

有源电力滤波器的主电路连接示意图第二十六页，共40页。三相三线制并联型有源滤波器第二十七页，共40页。并联型有源滤波器（ActivePowerFilter）iF完全可控第二十八页，共40页。有源滤波器的电流补偿第二十九页，共40页。

电力系统无功功率、谐波、负序综合治理

系统无源部分——晶闸管投切电容器（TSC）

无源部分装置全视图无源部分主电路接线图第三十页，共40页。控制器结构框图第三十一页，共40页。控制部分各器件功能数据交换器件CY7C007V可编程逻辑器件EPM7128SA/D转换芯片ADS7864双DSP结构的控制器：TMS320F2407TMS320VC33人机接口电路rabbit2000第三十二页，共40页。控制器的软件设计

该系统主要由三个CPU组成，按照各个CPU的特点将系统功能划分给不同的CPU。VC33负责数据采集和PWM脉宽计算；F2407负责控制PWM产生、IGBT保护、继电器的开合；Rabbit2000负责控制人机界面中的键盘扫描和液晶显示。VC33与F2407通过双口RAM交换数据，而F2407与Rabbit2000则通过串口通讯联系。软件的设计主要采用C语言和汇编语言的混合编程方法来实现。系统工作过程和要求大致如下：(1)开机自检，若无错，在液晶显示屏上显示自检通过，操作人员按显示屏上的操作提示合上开关，开始对直流侧电压整流充电，使直流电压达到稳定的预定值；(2)VC33启动AD并进行计算，将实时计算补偿分量换算成的PWM值，通过DRAM传给F2407，F2407则实时地发出PWM信号，实现对畸变电流的补偿；第三十三页，共40页。—VC33主程序流程图及各中断子程序流程图。VC33主要是进行A/D和计算，将F2407所需的数据放在DRAM区以供随时取用第三十四页，共40页。—F2407主程序流程图及各中断子程序流程图。F2407数字系统主要实现数据采集(包括负载电流、补偿电流、直流母线电压、两个串联支撑电容间的电压差)和电流跟踪的数字控制。第三十五页，共40页。主要技术指标和测试结果序号指标（参数）名称应达到的数值（量）1补偿容量300KVA2补偿的谐波次数25次以下3对扰动的响应时间常数小于25ms4功率因数补偿后可达0.98谐波补偿率可在谐波含量为25％以下进行补偿，补偿率达80％以上