评“二控三型TSC快速重复投切晶闸管闭锁问题研究”

龚学长

评“二控三型TSC快速重复

投切晶闸管闭锁问题研究”

龚学长

“二控三型TSC快速重复投切晶闸管闭锁问题研究”一文，严重地忽略了并联电容补偿装置中必须串联电感这一关建参数，因此得出的结论没有适用意义。与现有的“三控三”方式相比，存在着可控硅和电容的耐压要求高，可控硅的热损耗大，电容器利用率低，在后关断相还要产生很大地谐波电流，没有达到零过渡要求等缺点。

一、并联电容补偿装置中要串联电感：

并联电容补偿装置中为什么要串入电感呢？电感的作用是：

1、当电源中出现操作过电压和雷电波过电压时，如果没有电感，由于电容器两端的电压不能突变，而这些过电压的上升率（dv/dt）又非常大，造成过电流损坏电容的事故。串联电感后，因为电感中的电流不能突变，从而抑制了过电流的发生，使操作过电压和雷电波过电压全部施加于电抗器上。虽然正常运行时电抗器两端的电压很低，但是电抗器的耐压与相同电源等级变压器的耐压标准相同。

2、由于电源系统中有许多的谐波源，如果没有电感，电容器组对谐波具有放大作用。因此电感大小的匹配是根据电容器组所在电源系统的主要谐波次数设计的。

图1中XLd为电源系统等效电抗，Xc为电容器容抗，i5为系统的5次谐波电流。由图1(a)知道，谐波电流i5形成的谐波电压ui5引前iC5的角度为л/2， iLd5又滞后ui5的角度为л/2，即iC5与iLd5方向相反。而

iXLd5=i5-(-iC5)

= i 5+iC5

设在电源系统频率下，电源系统感抗XLd为0.2Ω，电容器容抗Xc为10Ω，在5次谐波下，XLd= j 1Ω，Xc= -j 2Ω，并联后的5次谐小波阻抗为X=j2Ω，Ui5=j2*i5，流入电源系统中的谐波电流为：

XLdi5= Ui5/XLd

=2*i5

即流入电源系统中的谐波电流被放大了一倍。

　　当在电容器组中串入电感后，如图1(b)。设XL是容抗的6%为0.6Ω，在5次谐波下为3Ω，与电容串联后电容支路5次谐波为感性阻抗j1。这时电容支路与电源支路的5次谐波电流相位相同，即

i5= iXLd5+iC5

iXLd5= i5/２

iC5= i5/２

即流入电源系统中的谐波电流为50%，相当于电容支路吸收了50%的5次谐波电流。

二、并联电容器中串联电感后投切晶闸管问题：

在电容补偿装置中串联电感后，TSC“二控三”的原理如图2（a），TSC“三控三”的原理如图2（b）。三相电容分别接于线电压uAB、uBC、uCA上。TSC“二控三”是控制的uA和uB两相的线电流，TSC“三控三”是三相电容器的三个相电流。

　　电容支路中串入电感后，电容上的电压要相应地升高。以感抗是容抗的6%计算，电容上的电压要升高6%。

当电容器切除运行时，设TSC“二控三”UTB先关断，UTA后关断，电容器全部切除运行后，在无串联电感的并联电容组中，电容电压如“二控三型TSC快速重复投切晶闸管闭锁问题研究”一文中的（8）式为：

　　当电容支路中串入电感后，TSC“二控三”全关断后电容器上的电压均要比（1）式增加6%为

　　图3（a）是以90kvar电容器组为例，电容503.26uF，电感1.2096mH，Um=330V，UTB先关断，UTA后关断后的仿真运行电容电压波形图。在不考虑电容放电的情况下，电容电压均比无电感时高6%。

图3b是两只可控硅承受电压波形图。由图3b可以看出，在不考虑电容放电的情况下，由（3）式可知，UTA在负峰值电压时的电压要高出零值19.8V，因此UTA是无法先投入运行的。由“二控三”一文知道，在先投入UTB时，UTA的电压还要向上偏移（图4），因此在UTB先关断的情况下，是无法做到零过渡投入电容器组运行的。

　　那么“二控三”在先关断UTA时，能不能做到零过渡投入电容器组呢？图5是先关断UTA仿真运行时的可控硅电压波形图。两只可控硅上电压均偏向负半轴，UTB上最高电压距零值为19.8V。因此在先关断UTA时，两可控硅均不能实现零过渡投入运行。

加入电感因素后，“二控三”在不考虑电容放电的情况下，不能实现零过渡投入运行，那么“三控三”又如何呢？“三控三”能实现零过渡投入运行吗？回答是“no”，不行的。因为“三控三”的三相是三个独立的控制单元，电容在可按控硅关断后，电容上的电压不是正电压就是负电压，幅值都是31/2Um*1.0 6，当相电源电压幅值为330V时，可控硅两端的电压最小值为34.3V。在不考虑电容放电的情况下，“三控三”同样无法实现零过渡投入运行。

　　三、在电容器上并联放电电阻后的可控硅投切：

电容器在生产制造时，已在电容器上并联了一只放电电阻，一般是按电容电压在停电后60~180秒内，电容上电压应低于50V设计。这一放电时间常数要放电20秒左右，电容上的电压值才能与电源电压峰值相等。

因此在有电抗器的电容器组中，不管是“二控三”或是“三控三”模式，均要在电容器上并联一只放电电阻，不然要依靠电容器自身的放电来进行投入，投入时间很长。表1是以180 kavr电容补偿装置为例，在各电容器两端并联放电电阻及其功耗值，总功耗为96W。

　　图6是在90kavr电容器上，每只电容上并联10kΩ放电电阻时的仿真波形图。在放电0.625秒时电容电压与电源峰值相等，电容器组可以在峰值电压处进行无过渡投入运行。如果将并联电阻选用5kΩ，放电时间在0.3秒时两电压相等，不过放电电阻的功率要增大一倍。

如果要做到GB 25839-2010标准中要求的40ms，这一放电电阻要降至600Ω左右，功耗要增大16倍，总功耗约1500W以上。一个180kavr电容器组一年就放电电阻的损耗就达13000多度电，这显然是不符合节能要求的。

由于电容补偿在进行增容和减容时，都要有一个负荷稳定的整定时间，在零点几秒的投入时间是能满足现场负荷要求的，表1所配置的放电电阻是比较实用的。

因此，不管是“二控三”或“三控三”模式，在并联电容器组中串联电感后，在不考虑电容自身放电的情况下，电容器组在可控硅自行关断后都是无法做到零过渡投入运行的。要么不考虑过电压造成电容过电流冲击和电容器组对谐波电流的放大，取消电感；要么增加放电电阻延长切除和投入周期，当然后者的经济和术效益优于前者。

　　四、“二控三”和“三控三”的技术比较：

1、可控硅功耗的比较：

（1）“三控三”可控硅的功耗：图7是ABB公司额定电压2800V，电流2430A可控硅的导通管压降图。由图可知，在额定电流时，可控硅的压降为1.2V，在20% 额定电流时可控硅的电压降为0.9V。

　　表2为180 kavr电容器组各组电容采用的可控硅额定电流和运行峰值电流参数。

　　式中：imax—峰值电流，ФK—K点时的电流相位角，VK—K点时电流值对应于图7的可控硅导通管压降。经计算“三控三”可控硅损耗如表2，总损耗为312.3W。

在“二控三”电路中，由于可控硅的线电流是相电流的3½倍。其损耗如表3。

　　当可控硅在VTB先关断，投入时VTB又先投入的情况下，根据 “二控三型TSC快速重复投切晶闸管闭锁问题研究”一文中（12）式，各电容器的电压为：

　　3、可控硅的最高工作电压：

“三控三”可控硅两端的最高峰值电压为电容器关断后的电容电压606V加上电源峰什电压560V为1166V。“二控三”可控硅在A相先关断后， C相电容电压最高为828V，A相可控硅两端电压为：

　　4、关断时的谐波电流：

“二控三”在电流关断时有两只电容要换相，造成后关断相电流由原来的线电流变为相电流。如图2（a）中，当UBT先关断时，C1和C2由原来的uAB、UuBC过渡至uCA相上，仿真运行后关断相的电流波形见图9。对最后20ms进行谐波分析结果如表4，由表4看出谐波含量很高的，2次谐波达14%，3次谐波达10.1%，13次以后谐电流才小于1%。

　　因为零过渡方式的电容投入和切除频率很高，有关标准要求这一周期在40ms内，这样“二控三”电容补偿方式又增加了系统的谐波电流含量，又成谐波源了。

五、结论

1、在不考虑电容自身放电的情况下，不管是“二控三”或“三控三”，电容器组中串联电感后，在可控硅自行关断后都是无法做到《GBT2589-2010零过渡过程低压动态无功功率补偿装置标准》规定的40ms的切除和投入周期要求。要么不考虑过电压对电容过电流的冲击和电容器组对谐波电流的放大，要么适当增加放电电阻延长切除和投入周期，当然后者的经济和术效益优于前者。

2、“三控三”方式可控硅的损耗比“二控三”少20%，对可控硅的散热非常有利。

3、“三控三”可以根据负荷情况，进行单相投入，“二控三”侧做不到。

4、“三控三”在电容切除运行后，电容的最高电压为606V。“二控三”为828V ，在投入一相另一相末投入时最高相电压达1003V。因此“三控三”电容的额定电压为450V，“二控三”要选择600V。 “三控三”的电容利用率为94%，“二控三”侧只有71%。

5、可控硅关断后“三控三”可控硅两端的最高峰值电压为1166V；“二控三”在A相线电流先关断时，最大值电压为1400V。在可控硅选型上，“三控三”可选极间击穿电压为1800V或2000V，而“二控三”侧要选3000V型，同时额定电流也应比表2大50%以上，这样可控硅的电流和电压安全裕度才与“三控三”相同。

6，控制方式上：“二控三”只有两组可控硅，硬件上只检测两组可控硅电压和控制两相可控硅，因此接线方式要简单一些。但是在软件上要判断可控硅哪一相先截止，投入时在确定哪一相先投入，软件太复杂。

7、“二控三”在电流关断时有两只电容要换相，造成后关断相电流严重失真。因为零过渡的投入和切除频率很高，这样电容补偿又增加了系统的谐波电流含量。

总的来说，GBT2589-2010规定的40ms零过渡切除和投入周期只有“有源电容补偿装置”能够达到。但是有源电容补偿装置采用的IGBT可关断模块的管压降是可按硅的两倍以上，而有源电容补偿采用的IGBT模块每相都要用两只，因此在开通状态下的静态功耗是可控硅的4倍以上。有源电容补偿还有关断和导通时的动态损耗，动态损耗是与关断与导通的频率成正比。当这一频率在4000HZ时，动态损耗是静态损耗的2.5倍以上，总损耗是可控硅方式的14倍。如果还要考虑较好地补偿三次谐波，这一频率要高达8000HZ以上，这时动态损耗是静态损耗的5倍以上，总损耗是可控硅的24倍。

另外相控电抗器（TCR）和磁控电抗器模式在技术上都可以做到40ms的切除和投入周期，由于这两种方案要产生很大的谐波电流，又不符合GBT2589-2010中零过渡的要求。同时电抗器的容量很大，要与电容器组的容量相同。

当然，“三控三”与“二控三”模式也可以在电源电压峰值时，即电容电压比电源电压高34V（三控三）时投入电容器，来达到40ms的切投周期要求。由于是在电源电压的峰值投入可控硅，这时电源电压的变化率最小，虽然有一定的电压差，但是投入时电流失真很小。

图10是“三控三”在电源峰值投入时的电流仿真图，从图10看出，投入时的电流峰值比稳定时的电容电流大10%左右，投入时20ms的谐波分析结果见表5。从表5可以看出，三次谐波电流最大，不过也只有3.3%，其次是4次谐波为2.5。

因此在无特殊要求下，一般采应首先选用可控硅的“三控三”电容补偿方式。

2013年10于四川 广汉