CN115313412A - 基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法 - Google Patents

基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法，包括以下步骤：S1、并联电容器投入前对电容器进行快速预充电，通过检测电路，选取电网电压正向且处于下降处，通过对晶闸管施加触发脉冲，对待投入的电容器预充电到电网电压峰值；预充电完成后，选择在电压峰值点附近进行投入；S2、并联电容器切除后快速放电，检测电容器在电流过零时切除，通过检测电路，选取电网电压正向且处于上升处，通过对晶闸管施加触发脉冲，使电容器向电网进行快速放电至低电压水平。本发明无需外加并联电容器的预充电回路，实现直接利用电网能量，投入前对电容器进行快速预充电；电容器退出后也无需外接放电回路，直接向电网快速安全放电。

Description

基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法
技术领域
本发明涉及电力系统无功补偿技术领域，尤其涉及基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法。
背景技术
电力系统中，变压器、用电设备等不仅消耗有功功率，还需要大量的无功功率。当系统中的无功功率不足时，就会大大增加线路损耗，功率因数也随之下降，影响电网的电能质量及系统运行的稳定性和经济性。因此，就需要通过一定的手段对电力系统无功缺额进行合理的补偿，其中采用并联电容器组进行就地补偿因其成本低、易于安装且补偿效果明显的优点，得到了广泛的使用。
当前变电站中并联电容器的投切开关以机械开关为主，投切过程具有随机性，可能产生超过正常额定电流几倍到十几倍的浪涌电流和瞬态过电压，危及电网及电容器本体，长此以往对电容器产生的不可逆转的危害。根据电网数据统计，并联无功补偿电容器是电网中最容易发生损坏的设备之一，常是未达到预期使用寿命便进行更换，这就极大地增加了电网的运行管理费用。此外，传统的投切开关也不宜频繁的进行开合操作，否则极易导致开关损坏。
在并联的无功补偿电容器需退出运行时，若电流过大会在开关触点处产生极高的电弧，导致难以切除。为了避免上述情况发生，选择在并联电容器电流过零时切除，切除后的电容器两端电压接近与电网峰值电压。为保护现场运行维护人员的安全，电容器(组)应装设放电装置，使电容器(组)两端的电压从峰值降至50V所需的时间要低于5s。为满足要求，常在电力电容器两端并联一放电线圈回路，让电容器存储的能量通过放电线圈回路上的电阻消耗，以达到放电的目的。通过放电线圈消耗掉的能量实际上是被白白浪费的，这与电网绿色节能运行的理念背道而驰。
随着电力电子技术的迅猛发展，基于晶闸管的电容器投切开关也在无功补偿领域得到了应用。相比于机械式触点开关投切技术，通过晶闸管控制电容器投切技术取得了极大的进步。通过晶闸管控制策略，实现电容器在电压过零点投入，大大降低了合闸过程中的涌流；在电流过零时切除，有效避免了瞬态过电压。相比于传统的机械开关投入方式在控制涌流和过电压上已有明显的改进，但其并非真正的无差投切技术，即使在电压过零时投入并联电容器，在某些情况下仍会产生较大的涌流。据此，有学者提出通过外加预充电电路，在投入前以直流电源预先对电容器充电使其达到电网电压，并选择在电网电压峰值处进行投入，实现真正的并联电容器无差投入。这种方法本质上是可行的，但由于需要额外增加直流的电容器预充电回路，使得投资大大增加，不利于工程上推广。
发明内容
为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法，该方法无需外加并联电容器的预充电回路，实现直接利用电网能量，投入前对电容器进行快速预充电；电容器退出后也无需外接放电回路，直接向电网快速安全放电。
本发明采用以下技术方案来实现：基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法，包括以下步骤：
S1、并联电容器投入前对电容器进行快速预充电，通过检测电路获取电容电压初始值UC0，选取电网电压正向且处于下降处的晶闸管导通时刻，在短时充电电流ICmax小于电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管SCR1施加触发脉冲，在一个周波内对电容器进行一次短时预充电，使电容电压上升；每个周波内重复该短时充电过程，经过若干个周期，逐级对待投入的电容器预充电到电网电压峰值；当预充电完成后，选择在电压峰值点附近进行投入；
S2、并联电容器切除后快速放电，检测电容器在电流过零时切除，电容器两端电压接近电网峰值电压；通过检测电路获取电容电压初始值UC0，选取电网电压正向且处于上升处晶闸管导通时刻，在短时放电电流ICmax小于电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管SCR2施加触发脉冲，在一个周波内对电容器进行一次短时放电，令电容电压下降；每个周波内重复该短时放电过程，经过若干个周期，令电容器逐级向电网进行快速放电至低电压水平。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明方法无需外加并联电容器的预充电回路，实现直接利用电网能量，投入前对电容器进行快速预充电；电容器退出后也无需外接放电回路，直接向电网快速安全放电。
2、本发明通过检测电路获取电容电压初始值UC0，选取电网电压正向且处于下降处进行电容器短时预充电，在保证短时充电电流ICmax小于电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管SCR1施加触发脉冲，在一个周波内对电容器进行一次短时预充电，使电容电压上升；每个周波内重复该短时充电过程，经过数个周期，逐级对待投入的电容器预充电到电网电压峰值，当预充电完成后，选择在电压峰值点附近进行投入，真正实现电容器与电网之间电压差和电流为零时的无差投入，从根本上避免了合闸涌流，有利于电网安全稳定运行。
3、本发明通过检测电路获取电容电压初始值UC0，选取电网电压正向且处于上升处进行电容器切除后对残余电压的短时放电。在保证短时放电电流ICmax小于电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管SCR2施加触发脉冲，在一个周波内对电容器进行一次短时放电，使电容电压下降。每个周波内重复该短时放电过程，经过数个周期，使电容器逐级向电网进行快速放电至低电压水平，这种安全放电策略不仅省去了额外的放电线圈，也让放电时间也大大缩短，有利于实现电容器的快速频繁投切，在一定程度上保护了现场操作人员的安全。
附图说明
图1是本发明的并联电容器投切时的等效电路图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是本发明投入前分级对电容器进行快速预充电的过程示意图；
图4是本发明切除后电容器分级快速放电的过程示意图；
图5(a)是本发明基于晶闸管控制策略的并联电容器快速预充投入过程电容器电压示意图；
图5(b)是本发明基于晶闸管控制策略的并联电容器快速预充投入过程电容器电流示意图；
图6(a)是本发明基于晶闸管控制策略的并联电容器安全放电过程电容器电压示意图；
图6(b)是本发明基于晶闸管控制策略的并联电容器安全放电过程电容器电流示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例中，对三相对称的电力系统，取单相进行分析，实际需投切的并联电容器组进行无功补偿的系统等效电路如图1所示。其中，US为电网电压；RL和XL为负荷电阻和电抗；A点为无功补偿设备的投入点；虚框部分为无功补偿并联支路部分，包括并联电容器C及其串接的电抗器L；SCR1和SCR2为反并联的晶闸管，用以控制无功补偿电容器的充放电过程；S1为并联电容器机械式投切开关，用以实现并联电容的投入后切换，降低运行损耗。
如图2所示，本实施例基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法，包括以下步骤：
S1、并联电容器投入前对电容器进行快速预充电，通过检测电路获取电容电压初始值UC0，选取电网电压正向且处于下降处的晶闸管导通时刻，在保证短时充电电流ICmax小于电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管SCR1施加触发脉冲，在一个周波内对电容器进行一次短时预充电，使电容电压上升；每个周波内重复该短时充电过程，经过若干个周期，可逐级对待投入的电容器预充电到电网电压峰值；当预充电完成后，选择在电压峰值点附近进行投入，实现电容器与电网之间电压差和电流为零时的无差投入，从根本上避免了合闸涌流，有利于电网安全稳定运行；
S2、并联电容器切除后快速放电，检测电容器在电流过零时切除，此时电容器两端电压接近电网峰值电压；为保证安全，通过检测电路获取电容电压初始值UC0，选取电网电压正向且处于上升处晶闸管导通时刻，在保证短时放电电流ICmax小于电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管SCR2施加触发脉冲，在一个周波内对电容器进行一次短时放电，令电容电压下降；每个周波内重复该短时放电过程，经过若干个周期，令电容器逐级向电网进行快速放电至低电压水平；这种安全放电策略不仅省去了额外的放电线圈，也让放电时间也大大缩短，有利于实现电容器的快速频繁投切，在一定程度上保护了现场操作人员的安全。
如图3所示，本实施例中，步骤S1的具体过程如下：
S11、获取晶闸管导通后电容器电流；设电网电压US＝Um sin(ω0t+α)，若投切开关闭合时，根据KVL，由拉氏变换可得：
Figure BDA0003851825500000041
其中，Um为电网峰值电压，t为时域时间，s为复频域拉氏算子，C为电容器的电容值，L为串联电抗的电感值，IC(S)为流过电容器电流的频域值，US(S)为电网电压经拉氏变换后得到的频域值，具体地，
Figure BDA0003851825500000042
ω0和α分别为电网电压的角频率和初始相角；经过等式变换及拉氏反变换，晶闸管闭合时流过电容器电流的具体计算公式如下：
Figure BDA0003851825500000051
其中：
Figure BDA0003851825500000052
其中，C为电容器的电容值，L为串联电抗的电感值，XC和XL分别为并联电容器支路的容抗和感抗，ω为引起合闸涌流的暂态电流分量的角频率，n为暂态电流分量和稳态电流分量角频率的比值；
S12、根据电容器电压与电流之间的关系
Figure BDA0003851825500000053
可获得导通过程并联电容器电压为：
Figure BDA0003851825500000054
S13、并联电容器正常运行时允许的最大电流为ICmax，根据所检测的当前电容电压初始值UC0，联立公式(2)和(4)，利用晶闸管导通时流过电容器电流和晶闸管导通时并联电容器电压表达式，求得每级预充电过程在电网电压为正向且下降处中最合适的触发时刻K点，如图3所示的K1、K2和K3点；
S14、在确定的晶闸管触发时刻K点对反并联的晶闸管SCR1施加触发脉冲，反并联的晶闸管SCR1导通后，电网对电容器进行一次短时充电，电容器电压逐渐上升；随着电容器电压上升，当反并联的晶闸管SCR1为反向电压时，由于电流仍存在，能继续对电容器进行充电，直到电流下降为零时，由反并联的晶闸管SCR1电流过零关断的特性自然关断，完成一次短时充电过程；在每一次充电过程中，另一个反并联的晶闸管SCR2始终不施加触发脉冲，充电过程中反并联的晶闸管SCR2始终保持关断，这样一次充电时电容器所获得的能量就能存储于其中而不会反向放电；
S15、重复步骤S11～S14，每次根据检测到的当前电容电压初始值UC0，确定新的导通时刻K点，每个周波内对电容器进行一次短时充电；经过若干个周波的时间，可将电容电压逐级充电到接近电网电压峰值；
S16、当电容器接近电压峰值时，最后一次充电过程在电网电压上升方向上控制晶闸管导通，使得并联电容器最后的预充电结果能实现达到峰值电压，从而满足并联电容器的理想投切条件；
S17、电容器经过步骤S11～S16的预充电过程电压为峰值电压，满足并联电容器的理想投切条件；当检测电路检测到下一次的正向电压峰值时，此时投切开关两端电压相等，且电压变化率较小，同时电网电流也接近零点，并联电容器机械式投切开关S1投入并联电容器进行无功补偿，整个预充电及投入过程无涌流。
如图4所示，本实施例中，步骤S2的具体过程如下：
S21、当并联无功补偿电容器需要退出运行后，检测电路检测电流过零点时，断开并联电容器机械式投切开关S1，此时电容器两端电压接近电网电压，需要对电容器进行放电以保证工程运行人员和电容器本身的安全，通过控制反并联晶闸管的导通对电容器向电网放电；
S22、获取晶闸管导通后电容器电流；设电网电压US＝Um sin(ω0t+α)，若投切开关闭合时，根据KVL，由拉氏变换可得：
Figure BDA0003851825500000061
经过等式变换及拉氏反变换，晶闸管闭合时流过电容器电流的具体计算公式如下：
Figure BDA0003851825500000062
其中：
Figure BDA0003851825500000071
S23、根据电容器电压与电流之间的关系
Figure BDA0003851825500000072
获得导通过程并联电容器电压为：
Figure BDA0003851825500000073
S24、并联电容器正常运行时允许的最大电流为ICmax，根据所检测的当前电容电压初始值UC0，联立公式(6)和(8)，利用晶闸管导通时流过电容器电流和导通过程并联电容器电压表达式，求得每级放电过程在电网电压为正向且上升处中最合适的触发时刻K’点，如图4所示的K'1和K'2点；
S25、在确定的晶闸管触发时刻K’点对反并联的晶闸管SCR2施加触发脉冲，反并联的晶闸管SCR2导通，使电容器向电网进行一次短时放电，电容器电压逐渐下降；随着电容器电压下降，当反并联的晶闸管SCR2为反向电压时，由于电流仍存在，能继续对电容器向电网进行放电，直到电流下降为零时，由反并联的晶闸管SCR2电流过零关断的特性自然关断，完成一次短时放电过程；在每一次放电过程中，另一个反并联的晶闸管SCR1始终不施加触发脉冲，放电过程中反并联的晶闸管SCR1始终保持关断，使得电容器所存储的能量就能快速向电网释放。
S26、重复步骤S22～S25，每次根据检测到的当前电容电压初始值UC0，确定新的导通时刻K’点，每个周波内对电容器向电网进行一次短时放电，经过若干个周波的时间，可将电容电压逐级放电到允许的安全电压范围内，从而完成整个电容器退出后快速安全放电过程。
为了验证本发明基于晶闸管控制策略的电力电容器快速预充电和安全放电的可行性，根据图1的等效电路图在Matlab/Simulink仿真平台上搭建相应的仿真模型。具体参数如下：系统电压10kV，频率为50Hz，系统电抗设置0.12Ω，负载回路有功50MW和无功负载10MW分别为，无功补偿支路为提高系统的功率因数，并联电容器补偿的无功功率为4.5MVAR，并联电容器单相电容值约48μF，最大允许电流值为41A，电容器初始电压为0V，同时串联有6％的电抗器。
仿真过程如下：0.1s时发出系统无功不足需投入并联电容器无功补偿指令，运用本发明提出的晶闸管投入控制策略，使并联电容器开始进入快速预充电过程，并实现并联电容器并入系统进行无功补偿。从仿真结果图5(a)、图5(b)可见，每次预充电过程短时冲击电流均小于电容器最大允许电流，投入时满足理想投切条件，无暂态过程，无合闸涌流冲击。
当系统无功负荷下降，0.5s发出可退出并联电容器指令。运用本发明提出的晶闸管切除控制策略，使得并联电容器退出运行，但其仍存储的能量能快速释放到国标允许的安全范围之内，仿真结果如图6(a)、图6(b)所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、并联电容器投入前对电容器进行快速预充电，通过检测电路获取电容电压初始值UC0，选取电网电压正向且处于下降处的晶闸管导通时刻，在短时充电电流ICmax小于电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管SCR1施加触发脉冲，在一个周波内对电容器进行一次短时预充电，使电容电压上升；每个周波内重复该短时充电过程，经过若干个周期，逐级对待投入的电容器预充电到电网电压峰值；当预充电完成后，选择在电压峰值点附近进行投入；
S2、并联电容器切除后快速放电，检测电容器在电流过零时切除，电容器两端电压接近电网峰值电压；通过检测电路获取电容电压初始值UC0，选取电网电压正向且处于上升处晶闸管导通时刻，在短时放电电流ICmax小于电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管SCR2施加触发脉冲，在一个周波内对电容器进行一次短时放电，令电容电压下降；每个周波内重复该短时放电过程，经过若干个周期，令电容器逐级向电网进行快速放电至低电压水平。
2.根据权利要求1所述的基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法，其特征在于，步骤S1的具体过程如下：
S11、获取晶闸管导通后电容器电流；设电网电压US＝Um sin(ω0t+α)，若投切开关闭合时，根据KVL，由拉氏变换可得：
Figure FDA0003851825490000011
其中，Um为电网峰值电压，t为时域时间，s为复频域拉氏算子，C为电容器的电容值，L为串联电抗的电感值，IC(S)为流过电容器电流的频域值，US(S)为电网电压经拉氏变换后得到的频域值，其中，
Figure FDA0003851825490000012
ω0和α分别为电网电压的角频率和初始相角；经过等式变换及拉氏反变换，晶闸管闭合时流过电容器电流的具体计算公式如下：
Figure FDA0003851825490000013
其中：
Figure FDA0003851825490000021
其中，C为电容器的电容值，L为串联电抗的电感值，XC和XL分别为并联电容器支路的容抗和感抗，ω为引起合闸涌流的暂态电流分量的角频率，n为暂态电流分量和稳态电流分量角频率的比值；
S12、根据电容器电压与电流之间的关系
Figure FDA0003851825490000022
可获得导通过程并联电容器电压为：
Figure FDA0003851825490000023
S13、并联电容器正常运行时允许的最大电流为ICmax，根据所检测的当前电容电压初始值UC0，联立公式(2)和(4)，利用晶闸管导通时流过电容器电流和晶闸管导通时并联电容器电压表达式，求得每级预充电过程在电网电压为正向且下降处中最合适的触发时刻K点；
S14、在确定的晶闸管触发时刻K点对反并联的晶闸管SCR1施加触发脉冲，反并联的晶闸管SCR1导通后，电网对电容器进行一次短时充电，电容器电压逐渐上升；当反并联的晶闸管SCR1为反向电压时，继续对电容器进行充电，直到电流下降为零时，由反并联的晶闸管SCR1电流过零关断的特性自然关断，完成一次短时充电过程；
S15、重复步骤S11～S14，每次根据检测到的当前电容电压初始值UC0，确定新的导通时刻K点，每个周波内对电容器进行一次短时充电；经过若干个周波的时间，将电容电压逐级充电到接近电网电压峰值；
S16、当电容器接近电压峰值时，最后一次充电过程在电网电压上升方向上控制晶闸管导通，令并联电容器最后的预充电结果达到峰值电压；
S17、电容器经过步骤S11～S16的预充电过程电压为峰值电压，达到并联电容器的理想投切条件；当检测电路检测到下一次的正向电压峰值时，并联电容器机械式投切开关S1投入并联电容器进行无功补偿，令整个预充电及投入过程无涌流。
3.根据权利要求2所述的基于晶闸管控制策略的单相电力电容器快速安全投切方法，其特征在于，步骤S2的具体过程如下：
S21、当并联无功补偿电容器退出运行后，检测电路检测电流过零点时，断开并联电容器机械式投切开关S1，电容器两端电压接近电网电压，通过控制反并联晶闸管的导通对电容器向电网放电；
S22、获取晶闸管导通后电容器电流；设电网电压US＝Um sin(ω0t+α)，若投切开关闭合时，根据KVL，由拉氏变换可得：
Figure FDA0003851825490000031
经过等式变换及拉氏反变换，晶闸管闭合时流过电容器电流的具体计算公式如下：
Figure FDA0003851825490000032
其中：
Figure FDA0003851825490000033
S23、根据电容器电压与电流之间的关系
Figure FDA0003851825490000034
获得导通过程并联电容器电压为：
Figure FDA0003851825490000035
S24、并联电容器正常运行时允许的最大电流为ICmax，根据所检测的当前电容电压初始值UC0，联立公式(6)和(8)，利用晶闸管导通时流过电容器电流和导通过程并联电容器电压表达式，求得每级放电过程在电网电压为正向且上升处中最合适的触发时刻K’点；
S25、在确定的晶闸管触发时刻K’点对反并联的晶闸管SCR2施加触发脉冲，反并联的晶闸管SCR2导通，令电容器向电网进行一次短时放电，电容器电压逐渐下降；当反并联的晶闸管SCR2为反向电压时，继续对电容器向电网进行放电，直到电流下降为零时，由反并联的晶闸管SCR2电流过零关断的特性自然关断，完成一次短时放电过程；
S26、重复步骤S22～S25，每次根据检测到的当前电容电压初始值UC0，确定新的导通时刻K’点，每个周波内对电容器向电网进行一次短时放电，经过若干个周波的时间，将电容电压逐级放电到安全电压范围内，令整个电容器退出后快速安全放电。
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