TSC无功补偿控制系统的设计
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652010年4月刊软件开发与设计信息与电脑 China Computer&Communication
1. 引言
在工业和生活用电负载中,阻感负载占有很大的比例。对于较普
遍的阻感性负载,电阻消耗有功功率,而电感则在一周期的一部分时
间把从电网吸收的能量存储起来,另一部分时间再把储存的能量向电源和负载释放,其本身并不消耗能量[1]。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的,负荷也以阻感性负荷
为主,因而补偿以并联电容器为主要手段,通常将电容器分为若干组
投切。固定并联电容器补偿方式的优点在于不产生谐波、运行维护简
单、可靠性高,但无法解决过补偿和欠补偿的问题。
自动投切电容器装置根据控制开关的不同,可分为断路器、接
触器投切电容器装置和晶闸管投切电容器装置。断路器、接触器投切
电容器装置的结构简单、控制方便、性能稳定等优点,但其响应速度
慢、不能频繁投切,主要应用于性能要求不高的场合。晶闸管是无触
点开关,其使用寿命可以很长,而且晶闸管的投入时刻可以精确控
制,能做到快速无冲击的将补偿电容器接入电网,大大降低了对电网
的冲击,保护了电容器,可以频繁投切[2]。2. TSC装置基本原理
TSC的基本原理如图1所示,其中的两个晶闸管只是起将电容器
并入电网或从电网断开的作用,而串联的小电感只是用来抑制电容器
投入电网时可能造成的冲击电流。当电容器投入时,TSC的电压—电
流特性曲线就是该电容器的伏安特性,一般将电容器分成几组,可根
据电网无功需求量来投切这些电容器,其电压—电流特性曲线按照投
入电容器组数的不同而变化。当TSC用于三相电路时,可以三角形联
结,也可以星形联结,每一相都可以设计成分组投切。
电容器分组的具体方案比较灵活,一般希望能组合产生的电容值
级数越多越好,但综合考虑系统复杂性以及经济性问题,可以采用二
进制的方案,即采用k-1个电容值均位C的电容,和一个电容值为C/2
的电容,这样的分组法可使组合成的电容值有2k级。
TSC只有两个工作状态,即投入、断开状态。投入状态下,反并
联晶闸管之一导通,电容器起
作用,TSC发出无功功率;断
开状态下,反并联晶闸管均阻
断,TSC支路不起作用,不输
出无功功率。
3. TSC投入时刻的选取
选取TSC投入时刻总原则
是,TSC投入电容的时刻,也
就是晶闸管开通时刻,必须是
电源电压与电容器预先充电电
压相等的时刻。根据电容器的
特性,当加在电容器上的电压
有跃变时(电容器投入时电源
电压与电容器充电电压不相
等),将会产生冲击电流,很可能损坏晶闸管或给电源带来振荡。
3.1 理想投入时刻选取
理想情况下,希望电容器预先充电至电源电压峰值处,而且将晶
闸管的触发相位也固定在电源电压的峰值点[3]。如果在导通前电容器
充电电压也等于电源峰值电压,则在电源峰值点投入电容器时,在这
一点电源电压的变化率为零,因此,ic为零,随后,电源电压的变化
率才按正弦规律变化,电流ic也按正弦规律变化。整个投入过程不会
产生冲击电流,而且电流也无阶跃变化。
3.2 实际投入时刻选取
实际中,当TSC支路断开后,由于电容上的漏电效应,电容的电
压不能维持在极值,当再次投入时,电容上的残留电压将在零到峰值
之间。要实现无暂态的TSC投切,即每次投入时对电容器进行充电,
该条件很难得到满足且延长了电容器的投入时间。
另一种方案是每次投入之前对电容器充分放电,使两端电压为
零,此时就可以在系统电压过零点进行触发。电容器一旦从电网中切
除,必须放电完毕后才能再次投入运行,限制了再次投入的时间,难
以满足快速投切和重复投切的要求。采用晶闸管与二极管反并联方
式,电容器投入前其电压总是维持在电网电压的峰值,一旦电容器电
压比电网电压峰值有所降低,二极管都会将其电压充电至电网峰值电
压。只要在电网电压峰值时触发晶闸管,就可避免电流冲击。
以晶闸管端电压过零作为TSC投入时机,即在系统电压和电容端
电压相等时进行投切动作。这样,首次投切时冲击电流同样为零,晶
闸管开通后,电容电压随系统电压而变化,满足零电压切换的条件。
该状态一直持续至电源电压达到峰值点,晶闸管由于电容电流下降到
零而自然关断,电容器已被充电到电源电压的峰值点,具备理想触发
导通的条件,此时,施加脉冲将实现无过渡过程的自然换相。该方法
取消了必须在电容电压为零时进行投切的条件,实际上可以在短时间
内进行重复投切。
4. TSC控制系统设计
TSC的核心是投入时刻的选取,通过以上分析对比得出,以晶闸
管端电压是否为零作为电容器投切条件,冲击电流同样为零,过渡过
程最短。
检测晶闸管两端的电压,当有投切信号且端电压过零时,产生一
定宽度的脉冲送给晶闸管。此时,电容器投入电网,电容电压将随电
网电压而变化,以后就具备了理想投切的条件,即换相点为电网电压
的峰值点。投切信号消失时,脉冲封锁,通过晶闸管的电流过零,器
件关断,TSC从电网上切除。初始脉冲送出后,通过检测电网电压的
峰、谷值点,在该点处产生后续脉冲。在脉冲产生的时刻向反并联的
晶闸管同时通脉冲,再通过电网电压确定晶闸管导通。该方法控制部
分功耗小,电路也较简单。
控制电路主要由检测电路、脉冲产生电路、驱动电路及保护电
路组成。检测晶闸管两端电压和电网电压,将检测信号通过电压比较
器,使之在电压过零点产生脉冲,产生的脉冲作用于单稳态电路,从
而产成一定宽度的脉冲,再经过驱动电路驱动晶闸管门极。TSC无功补偿控制系统的设计
孙泽廷 天津港保税区益诚电力设备有限公司,天津 300380
摘要:本文论述了电力系统无功功率的产生及影响。从电路结构上分析了晶闸管投切电容器(TSC)的工作原理,设计并建立了TSC的主电路和控制触发系统。在TSC控制策略方面,采用初始脉冲和后续脉冲叠加的控制方法。实验系统运行结果表明,电容器投入无涌流,无暂态过程。关键词:无功补偿;晶闸管投切电容器(TSC);复杂可编程逻辑器件(CPLD);零电压触发中图分类号:TP311.52 文献标识码:A 文章编号:1003-9767(2010)04-0065-02
图1 单相TSC结构图662010年4月刊软件开发与设计信息与电脑 China Computer&Communication
采用数字电路产生脉冲,可以在过零时刻准确控制产生脉冲,且
脉冲的宽度也可以通过计数器精确控制。基于CPLD的数字控制系统不受环境影响,可靠性好。数字单稳电路如图3所示,在上升沿到来时,D触发器输出高电
平作用于计数器的清零端(CLR),计数器开始计数。进位信号(RC)取
反为高电平作用于D触发器的清零端,D触发器输出为高电平。计数
器在时钟信号下计数完毕时,进位信号取反为低电平,D触发器清
零,输出低电平;计数器清零,进位取反后使D触发器的清零端位高
电平,等待下一个上升沿到来。从而在D触发器的输出端产生一定宽
度的高电平。
本次实验取外部时钟(CLK)的频率为10kHz,计数值为10次,脉
冲宽度为1ms。
控制脉冲分为初始脉冲和后续脉冲。开关闭合后,初始脉冲送
出,后续脉冲再送出;开关断开时,初始脉冲和后续脉冲虽然产生,
但不送出。控制电路如图4所示。当开关断开后,D触发器清零。初始
脉冲和后续脉冲均被封锁。
5. 实验结果
实验中电网电压100V,电容器容量50uF,CPLD为
EPM7128SLC84-15。图5所示为CPLD同步于电网电压输出的晶闸管
脉冲序列,其中脉冲序列的宽度为1ms。图2 TSC控制系统结构图
图3 数字单稳态电路
图6、7给出了TSC系统投切的实验波形,图6为TSC投入时的电压
电流波形;图7所示为TSC切除时的波形,由实验波形可以看出,电
容器投入时暂态过程较小,电流波形超前电压波形90度。 6. 结论
TSC可以实现电容器的无冲击、反复投切。采用初始脉冲和后续
脉冲控制的方式可以减小控制电路的损耗;采用CPLD的数字控制系
统使系统紧凑,工作可靠。
参考文献:
[1]王兆安,杨君,刘进军. 谐波抑制和无功补偿[M]. 北京:机械工业出版社,1998.[2]周崐. TSC动态无功补偿应用发展趋势[J].船电技术,2009,29(7):64~66.[3]曾亚波. 低压TSC切除时承压分析和放同极性迭加控制[J]. 电力电容器与无功补偿,2009,30(5):22~25.[4]林铿. 一种TSC无功补偿装置散热系统的设计[J]. 汕头科技,2009,3:45~51.图4 TSC单相控制电路图5 CPLD产生的脉冲序列
图6 TSC投入时波形
图7 TSC切除时波形