【文章內(nèi)容簡介】 投切，從技術(shù)原理上講它不適合作為投切電容器的開關(guān)，因為交流接觸器無法實現(xiàn)按相位角瞬時投入、切除電容器，同時交流接觸器的觸頭動作次數(shù)有限，不適合頻繁投切電容。往往存在不足，如下：（1）接觸器或空氣開關(guān)固有的缺陷會在合閘過程中存在彈跳、涌流沖擊、電弧重燃及開閘過壓等危險，從而造成開關(guān)損壞和電容器擊穿等情況；（2）無法實現(xiàn)按相位角瞬時投入、切除電容器，當(dāng)電容器上的殘壓與電網(wǎng)電壓不一致時，投切將產(chǎn)生很大的沖擊電流、拉弧過電壓等；（3）觸頭動作時間有限，不適于頻繁投切電容；（4）機(jī)械開關(guān)動作速度慢，難以實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償。（5）無法實現(xiàn)分相投切，無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化運(yùn)行，在三相不平衡時達(dá)不到補(bǔ)償效果，可能出現(xiàn)過補(bǔ)償，尤其是在午夜后電壓較高時向電網(wǎng)返送無功功率，引起電壓質(zhì)量問題。（6）電容器投切判據(jù)單一，常根據(jù)以下五種方法之一來對電容器投切：電網(wǎng)電壓高低、無功功率方向、功率因數(shù)大小、負(fù)荷電流大小、晝夜時間劃分。這些投切方式無法實現(xiàn)最優(yōu)化補(bǔ)償，有時出現(xiàn)過補(bǔ)償。以功率因數(shù)作為投切判據(jù)的無功補(bǔ)償裝置，在小負(fù)荷情況下會出現(xiàn)投切振蕩。 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展 新型無功補(bǔ)償技術(shù)晶閘管可作為理想的無觸點(diǎn)投切開關(guān)，利用先進(jìn)的相位觸發(fā)技術(shù)通過晶閘管可實現(xiàn)對電容器的無過度過程快速投切，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率晶閘管器件性能價格比有較大的提高，特別是晶閘管器件生產(chǎn)技術(shù)條件的國產(chǎn)化日益成熟，為晶閘管投切電容器在我國的實用化推廣應(yīng)用提供了器件上的可靠保障，采用電力電子開關(guān)技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可實現(xiàn)零電壓投切，從而克服用機(jī)械開關(guān)所無法解決的巨大涌流沖擊問題，無開閘過電壓，無電弧重燃，不受投切次數(shù)限制，可以頻繁投切。（2）可實現(xiàn)分相投切，以改善低壓電網(wǎng)三相不平衡性，實現(xiàn)優(yōu)化補(bǔ)償。（3）可實現(xiàn)缺相、過電壓、欠電壓、過電流、短路等微機(jī)保護(hù)功能。（4）能實時跟蹤無功負(fù)荷的變化，通過連續(xù)快速地投切電容器，獲得最佳補(bǔ)償效果。 新型無功補(bǔ)償裝置低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置是一種用晶閘管作為無觸點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行電容器投切的快速動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。適用于電力、冶金、化工、交通等行業(yè)中三相平衡負(fù)載的場合，對于電動機(jī)等電感性設(shè)備進(jìn)行無功功率的實時監(jiān)測和瞬時就地補(bǔ)償。特別是該裝置可良好的適用于軋鋼、吊車等沖擊性負(fù)載系統(tǒng)當(dāng)中。早期的無功補(bǔ)償裝置的典型代表是同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)能進(jìn)行動態(tài)的無功補(bǔ)償，至今在無功補(bǔ)償領(lǐng)域中還在使用，而且隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，其控制性能還有所改善。但同步調(diào)相機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，其損耗、噪聲都很大，它正被靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC ）所取代。靜止無功補(bǔ)償裝置是以電力電子器件為無功器件的控制或開關(guān)器件的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。由于使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置具有優(yōu)良的性能，近年來發(fā)展很快，且采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償有一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而在電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償中獲得廣泛應(yīng)用。自 20 世紀(jì) 80 年代以來，在世界范圍內(nèi)其市場一直在迅速而穩(wěn)定地增長，已占據(jù)靜止無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。SVC 主要有晶閘管控制電抗器 TCR，晶閘管開關(guān)電容器 TSC。比 SVC 更先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置是靜止無功發(fā)生器。TSC 是一種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，可解決電容器組頻繁投切的問題，兩個反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時可能產(chǎn)生的沖擊電流。TSC 的關(guān)鍵技術(shù)問題是投切電容器時刻的選取，TSC 補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級數(shù)分得夠細(xì)，可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。電力負(fù)荷是隨時變化的，所需要的無功功率也是隨時變化的，為了維持無功平衡，要求無功補(bǔ)償設(shè)備實行動態(tài)補(bǔ)償。所謂“動態(tài)”是指無功補(bǔ)償裝置快速地跟綜負(fù)荷變化，即當(dāng)無功負(fù)荷增大時，將電容器投入，當(dāng)無功負(fù)荷減小時，能立即切除部分電容器，以避免過補(bǔ)償。本文設(shè)計了一種新型晶閘管投切電容器 TSC 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，采用 80196KB 單片機(jī)系統(tǒng)作為控制器的核心，新穎的快速無功功率檢測方法和獨(dú)特的晶閘管技術(shù)，實現(xiàn)了對多組電容器快速自動分級投切，達(dá)到了對沖擊負(fù)荷動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)囊蟆＞чl管投切的技術(shù)難點(diǎn)是：在實現(xiàn)快速響應(yīng)的同時保證投切無沖擊。為了限制投切時產(chǎn)生的沖擊電流，大多在主回路中加裝了限流電抗器，同時，為了實現(xiàn)所謂的過零投切，需專門的放電電阻或?qū)﹄娙萜黝A(yù)充電。第 2 章 總體方案 總體方案介紹 主要技術(shù)要求設(shè)計的 TSC 無功補(bǔ)償裝置應(yīng)達(dá)到以下要求：（1）采用更有效的，對用戶和電網(wǎng)最有利的檢測方法和控制方式； （2）設(shè)計一種經(jīng)濟(jì)有效可靠的防止電容器投入時電流沖擊的電路，嚴(yán)格保證在各種情況下都可以在晶閘管兩端電壓為零時才使之觸發(fā)。（3）控制器除基本功能外，還應(yīng)具有微機(jī)檢測功能和通信功能。 原理框圖本設(shè)計原理示意圖如下圖 所示，其電容器分為 6 組，全部采用三角形接線，容量比采用二進(jìn)制方案，控制電容器投切的無觸點(diǎn)開關(guān)采用 2 只反并聯(lián)的晶閘管，當(dāng)向主回路施加正向電壓且晶閘管的控制極有觸發(fā)脈沖時，晶閘管導(dǎo)通,把電容器投入電網(wǎng)；而當(dāng)去掉觸發(fā)脈沖后，電流過零或反相時，晶閘管截止，從電網(wǎng)上切除電容器。圖 原理框圖 概述系統(tǒng)本設(shè)計低壓 TSC 無功補(bǔ)償裝置由主電路和控制器兩部分組成。其工作原理是：控制器不斷檢測負(fù)荷的無功分量，判斷是否要投切電容器并計算投切的容量，控制器輸出投切信號，觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管以投入相應(yīng)容量的電容器，或撤除相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)信號以切除相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)信號以切除相應(yīng)容量的電容器。TSC 無功補(bǔ)償裝置的檢測量與控制目標(biāo)可以是：功率因數(shù)；無功功率；無功電流。以往的無功補(bǔ)償裝置大都以功率因數(shù)作為控制量，這種控制方式的缺點(diǎn)是：在小負(fù)荷時容易出現(xiàn)投切振蕩，干擾電網(wǎng)；而在大負(fù)荷時又不易達(dá)到充分補(bǔ)償。本方案以無功功率為控制量。由檢測到負(fù)荷電流和電壓，計算出負(fù)荷的無功功率 Q。由 Q 的大小決定投入電容器容量。目標(biāo)是實現(xiàn)全補(bǔ)償，但實際上做不到，因為電容器只能有級調(diào)節(jié)，投入多了又會過補(bǔ)償，實際投入的電容器容量一般小于無功負(fù)荷容量 Q。 系統(tǒng)主要特點(diǎn)本文根據(jù) TSC 無功補(bǔ)償原理，設(shè)計一種智能型動態(tài)無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計，其控制器采用 80C196KB 單片機(jī)為核心的新型實時無功功率控制器，性能穩(wěn)定，功能設(shè)置簡便，無需人工干預(yù)即可自動跟蹤無功變化。主控制電路采用電力電子器件可控交流電子開關(guān)技術(shù)和先進(jìn)的過零檢測技術(shù)，實現(xiàn)電容器組的過零平滑投切、無合閘涌流沖擊、無操作過電壓、無電弧重燃，電容器無需放電即可重新投入使用，并且不受投切次數(shù)的限制。該智能型動態(tài)無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計的技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）通過只檢測任意兩相的線電壓、相電流波形上任意時刻的瞬時值，不需要檢測無功功率因數(shù)角即可檢測出無功功率的新方法，保障了響應(yīng)的快速性。（2）利用單片機(jī)同步相位控制技術(shù)和自適應(yīng)晶閘管技術(shù)，當(dāng)實時檢測到電容器兩斷電壓與電網(wǎng)電壓的大小相等，極性一致時，瞬時投入電容器，電流過零時晶閘管自然關(guān)斷，從原理上實現(xiàn)了無過渡過程投切電容器。（3）可實現(xiàn)自動監(jiān)控和通信功能，通過控制器的通信功能，可以將電容器補(bǔ)償設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)連接，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控功能。 系統(tǒng)關(guān)鍵問題低壓 TSC 無功補(bǔ)償技術(shù)是一個綜合運(yùn)用電力電子技術(shù)，微機(jī)控制技術(shù)，自動控制技術(shù)的工程技術(shù)領(lǐng)域，它要解決無功量實時檢測方法、大電流晶閘管開關(guān)技術(shù)、零電壓投入等關(guān)鍵技術(shù)，具體如下：（1）大電流晶閘管開關(guān)技術(shù)：觸發(fā)，散熱，可靠性，低成本。（2）零電壓投切技術(shù)：要做到系統(tǒng)電壓與電容器殘壓相等時投切，以避免涌流，電容器上的殘壓無法計算，很難測量。（3）無功量實時檢測技術(shù)：投切判據(jù)，如何做到最優(yōu)化補(bǔ)償，取決于控制方法以何種參量作為 投切判據(jù)。（4）操作界面：液晶顯示；輸入方式，如設(shè)計投切方式；RS458 串行通信接口。 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 無功補(bǔ)償原理及無功檢測 無功補(bǔ)償原理在三相電路中,影響功率因數(shù)的因素除了電壓和電流的相位差、波形畸變外,還有一個因素就是三相不對稱。而三相不對稱的功率因數(shù)至今沒有統(tǒng)一的定義。因此,本文只考慮三相對稱電路的功率因數(shù)及無功功率的計算。在三相對稱電路中,各相電壓、電流均為對稱,功率因數(shù)也相同。三相電路總的功率因數(shù)就等于各相功率因數(shù)。由于諧波分量的存在,相電壓和相電流只能用各諧波分量的集合來定義,即： ?????????tniiuanas21（） 其中，有效值為 ??12nU（） ???12nI（）單相有功功率為 ()nnaIUtdiuP???cos)(2110????? 則三相有功率為 nnaCOSI??13（）三相視在功率為 ???????121122coscos3nnnIUSPIIN??（）含有諧波的非正弦電路中的無功功率情況比較復(fù)雜,至今還沒有被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。這里，可以定義無功功率為 2sQP??（）上述只反映能量的流動和交換,并不反映能量在負(fù)載中的消耗。無功補(bǔ)償?shù)脑砭褪菧?zhǔn)確檢測三相電路的無功功率Ｑ,然后根據(jù)Ｑ值的大小進(jìn)行最優(yōu)投切電容器,從而減小Ｑ值達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。 無功功率檢測許多無功補(bǔ)償控制器是以功率因數(shù)作為投切判據(jù),它以電網(wǎng)中反映電壓與無功相位差的功率因 作為控制信號來控制并聯(lián)補(bǔ)償電容器的投切狀態(tài)。然而功率?因數(shù) 并不能準(zhǔn)確反映電網(wǎng)中負(fù)荷的無功分量大小，如電網(wǎng)在重載時，負(fù)荷的無?功分量 Q 和大，點(diǎn)由于 Q 在負(fù)荷中所占的比例叫小，所測的功率因數(shù)角可能較小，甚至低于系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)闹荒苷ㄖ?，使控制裝置對電網(wǎng)不做補(bǔ)償，的整定值，使控制裝置對電網(wǎng)不做補(bǔ)償，無法做到跟蹤調(diào)節(jié)，表現(xiàn)出控制系統(tǒng)的遲鈍性，當(dāng)電網(wǎng)輕載時，功率因數(shù)角可能較大，但負(fù)荷的無功分量 Q 并不大，此時對電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，很容易造成過補(bǔ)償，補(bǔ)償裝置要切除電容，系統(tǒng)恢復(fù)到初態(tài)，如此反復(fù)，造成控制系統(tǒng)的投切振蕩。不僅影響控制系統(tǒng)的可靠性和使用性，也將影響電網(wǎng)和用戶設(shè)備的安全運(yùn)行。本文采用了檢測無功功率作為電容器投切的判據(jù)，通過只檢測任意兩相的線電壓、相電流波形上任意時刻的瞬時值，不需要檢測無功功率因數(shù)角即可檢測出無功功率的新方法，保障了響應(yīng)的快速性。在三相對稱電路中,取任意兩相電壓(本文取 UAB)和另一相電流(本文取 IA)，就可測量無功功率。相量圖如圖 所示。 圖 相量圖由相量圖推出： ， ?sinABAIUP? ABIUP/sin??（） 22)(1sin1coABIUP????（） 由于 UAB為線電壓，因此三相視在功率為： ABIUS3?（） 三相有功功率為： 2)(13cosABABIUPISP???（）三相無功功率為： （）ABPSQ32??由公式（）～（）可知，如何由信號 uＡＢ 和 IＡ 得到 UAB，I A和 P 是進(jìn)行無功檢測的關(guān)鍵。 檢測點(diǎn)的選擇控制器中檢測點(diǎn)放置有兩種選擇方案：(1)控制器輸入電壓和電流信號的檢測點(diǎn)放在補(bǔ)償器的前端，如圖 中的Ａ點(diǎn)處；(2) 控制器輸入電壓和電流信號的檢測點(diǎn)放在補(bǔ)償器的后端，如圖 中的Ｂ點(diǎn)處。圖 檢測點(diǎn)的選擇檢測點(diǎn)Ａ由于不能直接檢測負(fù)載的無功功率，不易實現(xiàn)多組電容器的一次快速投切，通常采用逐級漸進(jìn)的投切方式，較滿的達(dá)到應(yīng)補(bǔ)補(bǔ)償值，依次僅適用于負(fù)載運(yùn)行較平穩(wěn)，無大容量的沖擊電流，不需要快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)膱龊?，如接于檢測點(diǎn)Ｂ，其優(yōu)點(diǎn)是僅根據(jù)靜態(tài)補(bǔ)償?shù)木容^差。該無功功率動態(tài)補(bǔ)償裝置兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)的閉和控制，方式，即檢測點(diǎn)放點(diǎn) B 處，檢測補(bǔ)償后的無功功率 ，Q?檢測補(bǔ)償后的無功功率 ，又通過 求得負(fù)載的全部無功功率Ｑ，完全補(bǔ)償時Q?所需投入的全部電容器的無功功率，這種由變動量求總和的設(shè)想，可通過單片機(jī)來實現(xiàn)，又因可一次投入應(yīng)投的全部電容器，獲得快速的動態(tài)補(bǔ)償特性，是目前公認(rèn)比較理想的方案。 零電壓投入 零電壓投入的必要性在電容重投時，需要考慮電容器的剩余電壓，當(dāng)系統(tǒng)電壓和電容器殘壓相等時，就是晶閘管無觸點(diǎn)開關(guān)投入的觸發(fā)點(diǎn)。否則由于電容器兩端電壓不能突變，系統(tǒng)電壓和電容殘壓的差值較大時觸發(fā) SCR 會產(chǎn)生很大的沖擊，這一沖擊會直接損壞晶閘管。電流沖擊主要體現(xiàn)在開關(guān)投入時的電流突變率和沖擊電流最大值上。沖擊電流最大值可能達(dá)到正常工作電流的幾十倍，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(lián)電抗器和選擇大的晶閘管可以降低電流沖擊，但都需要增加投資。因此只有在控制上設(shè)法解決問題。為了使補(bǔ)償電容器的投入與切除過程不引發(fā)主電路的涌流沖擊，即在這一過程中當(dāng)電容器上的電流始終保持整周期流動而沒有過度過程，必須滿足以下 3 個條件：(1)即保持準(zhǔn)備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負(fù)峰值；(2)投入選擇在電網(wǎng)線電壓和電容器上的電壓極性相