CN112510721A - 一种适用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置（hvtsf） - Google Patents

Abstract

本专利所描述的一种应用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置(HVTSF)由PT1、PT2、CT1、CT2、主控制器MCP、分光器、光纤、滤波电抗器L、高压晶闸管阀组V、滤波电容器C组成。滤波电抗器L和滤波电抗器C在吸收谐波频率点形成串联谐振，对谐波电流进行有效吸收。高压晶闸管阀组V由两个晶闸管阀串正反逆并联组成，投切时刻可以精确控制。主控制器MCP通过PT1、CT1采信号，并发出投切动作指令。分光器则在合适的位置触发晶闸管导通。HVTSF能快速跟踪冲击负荷的突变，实现动态无功补偿，提高电能质量。

Description

一种适用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装 置（HVTSF）

技术领域

本发明涉及一种适用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置，同时涉及触发策略、取能电路、电气接线及控制方法。用于电网电能质量治理工程中，可以实现对高压滤波电容器组的快速无冲击电流投入和电流过零时切除，技术指标先进，无需预充电和放电，投切时间间隔无限制，且省去了笨重的放电线圈和送能变压器，属于电力***的动态无功补偿、谐波滤波、电能质量综合治理等技术领域。

背景技术

现代工业领域中高压大功率电力电子装置应用日益广泛，使得谐波和无功补偿问题日益突出，补偿工业负载无功功率的同时，必须考虑负载产生的谐波影响。TSC (晶闸管投切电容)装置只能解决无功功率不足和功率因数偏低的问题，不能用于谐波治理，因此，目前TSC装置多数用于电网，在工业领域应用较少。TSF（晶闸管投切滤波器）虽然能够同时解决无功和谐波问题，但是，该装置主要应用于低压领域，目前尚未扩展到高电压应用场合。

当前TSC装置常用的投切器大多采用晶闸管交流电压过零投切策略，即在晶闸管两端交流电压过零时刻使晶闸管导通，从而使补偿电容连接到电网两端，实现对电网的无功功率补偿。但晶闸管在电流过零后将自动关断，必须采用长脉冲触发模式，即脉冲持续宽度应和TSC导通时间长度相同，对于长期导通的TSC装置，触发脉冲也要长期存在，增大了装置的损耗，降低了***运行效率。另一种方案是晶闸管阀端出现电压时补发一个触发窄脉冲，但是由于电压检测回路存在延时，晶闸管两端出现电压后再触发会出现较大的冲击电流，使TSC装置电流波形变差，产生较大畸变甚至震荡。

限制现有的TSC或者TSF装置应用于高电压等级电网（如常见的6kV,10kV，35kV电压等级）的一个主要因素就是晶闸管串联数量多，每只晶闸管配套一块触发板，每套装置的触发板数量达到几十块，甚至上百块，接线非常复杂。采用晶闸管和二极管并联的接线方式虽然能够减少触发板卡数量，简化二次接线，但是，由于二极管的不可控性，首次上电时仍然会出现非常大冲击电流，对电容器尤其是二极管产生较大危害，在某些场合上，甚至会导致功率二极管选型困难。

为了保证晶闸管触发一致性，触发方式不能采用电磁触发，而必须采取光电触发，目前处于高电位的触发TCU板（晶闸管门极触发单元）必须配合采用笨重的送能变压器，进一步增加了产品的造价和阀体的重量，限制了其工程应用。针对现有TSC或TSF技术在高压电网应用时存在的种种问题，本专利发明了一种适用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置（简称“HVTSF”），本装置可直挂于6kV,10kV或35kV，既可以用于无功补偿，也可以用于谐波治理。采用特殊设计的TCU触发方式，使触发板数量减少近50%，简化了接线，提高了装置运行的可靠性；同时采用一种基于电压过零区间、电流过零区间组合式窄脉冲触发策略，消除了传统的电压过零投切方式采用持续宽触发脉冲的不足；另外，本发明提出的适用于HVTSF的电压、电流混合式高电位取能电路，避免了笨重的送能变压器，减轻了阀体重量，降低了产品成本。

附图说明

图1为晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF主接线图；

图2基于电压过零区间、电流过零区间的组合式窄脉冲触发策略示意图；

图3为基于电压过零区间、电流过零区间的组合式窄脉冲触发策略对应的触发脉冲、母线电压及工作电流波形；

图4为晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF触发板精简接线示意图；

图5为适用于HVTSF的电压、电流混合式高电位取能电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，是本实施例一种晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF主接线图，由电压互感器PT1、电压互感器PT2、电流互感器CT1、电流互感器CT2、主控制器MCP、分光器、光纤、滤波电抗器L、高压晶闸管阀组V、滤波电容器C组成。

滤波电抗器L、滤波电容器C和高压晶闸管阀组V串联使用，滤波电抗器L和滤波电抗器C在吸收谐波频率点形成串联谐振，对谐波电流进行有效吸收，改善***电能质量，同时提供容性基波无功功率，提高母线功率因数，降低无功功率在电网传输产生的附加损耗。当***谐波含量较低时，滤波电抗器可更改为限流电抗器，串抗率可设置为1%~6%。高压晶闸管阀组V由两个串联的晶闸管阀串正反逆并联组成。与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关是无触点的，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减少了投切时的冲击电流和操作困难，其动态响应时间减少至10ms~20ms，非常适合大容量、非线性的冲击性负荷的无功补偿和谐波治理。HVTSF能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，较小电压波动，提高电能质量，节约电能。

主控制器MCP通过电压互感器PT1采集母线电压、通过电流互感器CT1采集补偿负荷电流信号，通过信号处理作出滤波电容器投切判断，并发出投切动作指令，发出触发信号。分光器则在触发指令下在合适的位置触发晶闸管导通。当需要关断时，停止触发信号，则晶闸管在电流为零时自然关断。***出现紧急情况时如过温、过流等，控制器MCP能够及时关断HVTSF***以起到保护作用。

目前TSC装置常用的投切器大多采用晶闸管交流电压过零投切策略，即在晶闸管两端交流电压过零时刻使晶闸管导通，从而使补偿电容连接到电网两端，实现对电网的无功功率补偿。该投切策略要求触发信号必须长期存在，否则，晶闸管电流过零后将关断，对于采用高压取能的方式，由于取能限制，触发脉冲不能长时间存在，因此，本发明HVTSF采取了一种基于电压过零区间、电流过零区间的组合式窄脉冲触发策略，现对其触发策略说明如下。

如图2所示，是本实施例基于电压过零区间、电流过零区间的组合式窄脉冲触发策略示意图。由电压互感器PT1取得公共连接点母线电压U_pcc， 由电流互感器CT1取得补偿负荷侧电流I_load，根据上述参数计算出Q_load。然后将Q_load分别与Q_in和Q_out进行对比，当Q_load≥Q_in时，将信号S₁置位（S₁=1）；当Q_load≤Q_out时，将信号S₁复位（S₁=0），为避免投切震荡，要求Q_in应大于Q_out，且两者差值不小于HVTSF支路补偿容量。

由电压互感器PT1取得晶闸管阀组两端电压U_V，当U_V的绝对值|U_V|≤U_SET时，将信号S₂置位（S₂=1）；当U_V的绝对值|U_V|≥U_SET时，将信号S₂复位（S₂=0）。U_SET的设定值不宜过大，该数值越小，首次投入的冲击电流幅度越小。

由电流互感器CT1取得晶闸管阀组回路电流I_V，当I_V的绝对值|I_V|≤I_SET时，将信号S₃置位（S₃=1）；当I_V的绝对值|I_V|≥I_SET时，将信号S₃复位（S₃=0）。I_SET的数值大小决定了触发脉冲的宽度，为保证晶闸管可靠触发，该数值不宜过小。

当三个信号S₁、S₂、S₃同时置位（S₁=1，S₂=1且S₃=1）时，触发信号S_out置位（S_out=1）,其他情况下S_out复位（S_out=0）。

采用上述触发逻辑，首次通电后，阀组处于闭锁状态。当负荷出现较大的无功功率补偿需求，HVTSF具备投入条件后，S₁=1；由于此时晶闸管阀串无电流通过，因此，I_V的绝对值|I_V|≤I_SET，信号S₃=1；由于电容器当前电压为零，因此，当***电压达到过零点区间附近时，信号S₂=1；此时，S₁、S₂、S₃同时置位（S₁=1，S₂=1且S₃=1），触发信号S_out达到置位条件（S_out=1）,因此阀组导通。从以上分析可知，阀组第一次导通是在***电压过零点附近。

为了进一步简化触发***，采用正反向阀串同时触发的模式，即触发信号不区分正、反向晶闸管，同相内所有晶闸管采用同一触发信号。由于晶闸管的单相导通特性，处于反向耐压的晶闸管即使施加触发信号也不会导通，因此，该策略不会影响阀组性能。

当晶闸管阀组导通后，由于晶闸管自身的导通压降很低，和***电压相比近似可以忽略，因此，信号S₂处于持续有效状态（S₂=1）；只要投切信号保持有效（S₁=1），则每次电流进入过零区间时（S₃=1），满足一次触发条件（S₁=1，S₂=1，S₃=1，S_out=1），控制器MCP发出一个触发窄脉冲。从以上分析可以看出，导通过程中***电压在峰值附近，即电流过零点附近时MCP发出一个短触发脉冲。

当负荷无功功率Q_load降低至HVTSF退出限值Q_out以内后，投切信号复位（S₁=0），控制器不再发出触发脉冲，已经导通的晶闸管在电流过零点关断，HVTSF装置退出。

如图3所示，是本实施例高压晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF的触发脉冲和母线电压、阀串电流波形。从图3可以看出，触发脉冲的位置并非固定在电压峰值附近，当电容器电压为0时，第一次触发脉冲出现在***电压过零点附近；当晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF退出后，电容器的电荷未完全释放期间，***突然又出现HVTSF投入需求时，则后续的第一次触发脉冲不一定出现在***电压过零点附近，而是由电容器当前残压值决定，即***电压近似等于电容器电压的时刻。从上述说明也可以看出，晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF无投切间隔限制，滤波电容器组退出后可以直接再次投入使用，该特性非常适合于功率快速波动的补偿场合。

采用基于电压过零区间、电流过零区间的组合式窄脉冲触发策略，降低了晶闸管对触发板卡TCU脉冲长度要求，采用短脉冲即可实现连续触发。HVTSF可以实现滤波电容器组快速无冲击投入、退出，投切间隔没有限制，并且滤波电容器组不需要配置笨重的放电线圈和放电电阻，简化了滤波电容器组工程设计，也避免了加装电容器放电设备带来的损耗问题。

如图3所示，是本实施例晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF触发板精简接线示意图。由于单个晶闸管的耐压等级有限，为了满足高压场合的应用需求，需要采用多个晶闸管串联的方式提高阀组的耐压能力。用于交流电网的阀组一般采用正反晶闸管逆并联的接线方式，对于n个阀串组成的晶闸管阀组，需要2n个晶闸管。

HVTSF阀串中晶闸管采用从左至右按自然数累加的命名方法，上侧为正向阀串，以“+”符号标识，下侧为反向阀串，以“-”符号标识。图中，V1+和V2-为共阴极接线，V2+和V3-为共阴极接线，依次类推，因此，除了首段的V1-和末端的Vn+意外，共有n-1对正反逆并联晶闸管采用了共阴极接线。采用共阴极接线的一对晶闸管共用一块触发TCU板，因此，n个晶闸管阀串除了首末端各有一只晶闸管采用独立的触发TCU板意外，其余n-1对晶闸管采用n-1块触发TCU板即可。

按照本精简接线方案，每个阀串的触发板数量从原来的2n块（一对一触发）减少至n+1块（一对二触发），从而使触发TCU板数量大幅度减少。

目前大多数应用到高压***的动态无功功率补偿装置，各个厂家根据用户的电压和要求，设计出各自的晶闸管阀组和相对应的触发装置，一般高压晶闸管阀组都采用光电触发的方式，控制***通过光纤把触发信号远传给阀组单元的触发TCU板，每个触发板通过的工作电源通过送能变压器送能，或者采用高压取能。由于本发明所涉及晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF的工作状态决定了其阀组将处于全导通和截止两种状态，截止状态阀端有电压、无电流，而全导通状态下阀端有电流、无电压。因此，常见的用于SVC的高压取能方案不合适于HVTSF，而低压送能方案，由于送能变压器较为笨重，造价较高，且随着电压等级的提高，送能变压器的绝缘配合愈加困难。

为解决上述问题，本发明的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF采用了一种新式取能方式，具体组成包括：轻便式取能CT、阻尼电容Cs、阻尼电阻Rs、整流二极管D1、D2、D3、D4，快速二极管D5、D6、D7，储能电容器Cp、稳压管VT1、VT2，晶闸管SCR1、SCR2，取能电路如图5所示，图中V+和V-为主回路中一对正反逆并联的大功率晶闸管。

在高压平台上给HVTSF的触发板提供工作电压，首先要考虑的是如何设计一次回路才能保证在晶闸管阀连续导通、长时间关断时，取能电路都能够通过主回路中的电压、电流中取得能量。本发明所述的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF切除状态下，晶闸管阀端有电压、无电流，此时，电流取能模块（整流二极管D1、D2、D3、D4，二极管D6，稳压管VT2，晶闸管SCR2）不发挥作用，电压取能模块（阻尼电容C_S、阻尼电阻R_S、二极管D5，稳压管VT1，晶闸管SCR1）发挥作用。当电压处于正半周时，阻尼电容C_S和阻尼电阻R_S构成晶闸管的吸收回路，当电流流过吸收电路和D5时，就开始给储能电容Cp充电到TCU触发板所需的工作电压时，由过压旁路电路将其旁路，具体流程是：当TCU板的储能电容电压超过给稳压管VT1的稳压值时，稳压管VT1产生的电流流入晶闸管SCR1的门极，从而使闸管SCR1触发导通，进而将取能回路旁路。当电压处于负半周时，由于二极管D7的存在，电压取能模块被旁路，不发挥作用。

电压取能模块要求晶闸管阀端具有一定的电压，而晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF导通后，阀端电压为0，此时，电压取能模块失去作用，而转由电流取能模块（整流二极管D1、D2、D3、D4，二极管D6，稳压管VT2，晶闸管SCR2）发挥作用。取能CT接入晶闸管阀串的主回路，该接线方式能够保证当阀导通时，主回路的电流流过CT，可以给取能回路提供足够的能量。每个取能CT的二次侧接有线圈，线圈接入整流二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥，变为直流，然后通过二极管D6给储能电容Cp充电。当TCU板的储能电容电压超过给稳压管VT2的稳压值时，稳压管VT2产生的电流流入晶闸管SCR2的门极，从而使闸管SCR2触发导通，进而将取能回路旁路，即将整流桥的输出短接，停止向储能电容充电。取能CT与晶闸管的阀层一一对应，每层1只，分别设置在所对应的高电位TCU触发板附近，取能CT铁芯由环形硅钢片叠加制作而成，可以充分的减小产生局部放电的可能。

为了避免电流取能模块和电压取能模块的互相影响，在电流取能模块和电压取能模块的输出端分别串入二极管，即图5中的D5和D6。

本发明所述的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置HVTSF阀端必然存在电流或者电压，因此，上述取能回路必然能够保证在装置各种运行模式下都能可靠取能，保证阀组正常触发。

以上所述之具体实施方式为本发明一种园区智慧能源物联网络拓扑结构的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置（HVTSF），其特征在于，包括由电压互感器PT1、电压互感器PT2、电流互感器CT1、电流互感器CT2、主控制器MCP、分光器、光纤、滤波电抗器L、高压晶闸管阀组V、滤波电容器C组成。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置（HVTSF），其特征在于，采用了基于电压过零区间、电流过零区间的组合式窄脉冲触发策略，由电压互感器PT1取得公共连接点母线电压U_pcc， 由电流互感器CT1取得补偿负荷侧电流I_load，根据上述参数计算出Q_load，后将Q_load分别与Q_in和Q_out进行对比，当Q_load≥Q_in时，将信号S₁置位（S₁=1）；当Q_load≤Q_out时，将信号S₁复位（S₁=0），电压互感器PT1取得晶闸管阀组两端电压U_V，当U_V的绝对值|U_V|≤U_SET时，将信号S₂置位（S₂=1）；当U_V的绝对值|U_V|≥U_SET时，将信号S₂复位（S₂=0），由电流互感器CT1取得晶闸管阀组回路电流I_V，当I_V的绝对值|I_V|≤I_SET时，将信号S₃置位（S₃=1）；当I_V的绝对值|I_V|≥I_SET时，将信号S₃复位（S₃=0），三个信号S₁、S₂、S₃同时置位（S₁=1，S₂=1且S₃=1）时，触发信号S_out置位（S_out=1）,其他情况下S_out复位（S_out=0），了进一步简化触发***，采用正反向阀串同时触发的模式，即触发信号不区分正、反向晶闸管，同相内所有晶闸管采用同一触发信号。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置（HVTSF），其特征在于，采用了一种适用于HVTSF的触发TCU板精简接线，除了首段的V1-和末端的Vn+意外，共有n-1对正反逆并联晶闸管采用了共阴极接线，采用共阴极接线的一对晶闸管共用一块触发TCU板。

4.根据权利要求1所述的一种适用于高压电网的晶闸管投切滤波器兼动态无功补偿装置（HVTSF），其特征在于，采用了适用于HVTSF的电压、电流混合式高电位取能电路，切除状态下，晶闸管阀端有电压、无电流，此时，电流取能模块（整流二极管D1、D2、D3、D4，二极管D6，稳压管VT2，晶闸管SCR2）不发挥作用，电压取能模块（阻尼电容C_S、阻尼电阻R_S、二极管D6，稳压管VT1，晶闸管SCR1）发挥作用，当电压处于正半周时，阻尼电容C_S和阻尼电阻R_S构成晶闸管的吸收回路，当电流流过吸收电路和D5时，就开始给储能电容Cp充电到TCU触发板所需的工作电压时，由过压旁路电路将其旁路，当电压处于负半周时，由于二极管D7的存在，电压取能模块被旁路，不发挥作用，当阀导通时，主回路的电流流过CT，可以给取能回路提供足够的能量，个取能CT的二次侧接有线圈，线圈接入整流二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥，变为直流，然后通过二极管D6给储能电容Cp充电，当TCU板的储能电容电压超过给稳压管VT2的稳压值时，稳压管VT2产生的电流流入晶闸管SCR2的门极，从而使闸管SCR2触发导通，进而将取能回路旁路，即将整流桥的输出短接，停止向储能电容充电，为了避免电流取能模块和电压取能模块的互相影响，在电流取能模块和电压取能模块的输出端分别串入二极管。

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