低电压无功补偿投切电容器装置研究

0引言

在工业低电压系统中,感性负载电动机作为生产的主要动力使用数量巨大,使得低压电网的功率因数大大降低,低压电网中存在较大的无功功率,无功功率的存在会引起电路损耗增加、线路温升过高或投资增加、用电设备电压下降等问题,系统的稳定性、经济性都受到影响,所以必须对系统进行无功补偿,提升系统的功率因数。

在工业低电压系统中进行无功补偿的方法有在变配电室集中补偿,或在大功率负载旁边加装电力电容器等方式。

电力电容器在投入或切除时由于其电压不能突变,会在系统中出现涌流i=C·du/dt，接通单组电容器时涌流可达50倍额定电流,接通一组电容器时涌流可超过160倍^[1],这样大的电流会对电容器本身、线路中的其他电器或线路造成冲击,甚至损坏设备。因此,抑制电力电容器投入时的涌流显得非常重要。

1无功补偿投切电容器装置的分类

在工业低电压系统中,常用的有效抑制涌流的电力电容器投切装置一般有三类。

1.1 切换电容器接触器

切换电容器接触器是传统的低压电力电容器的投切装置,是在三相交流接触器的基础上每极加装了一组限流电阻和先通型的切换触点,其原理图如图1所示^[2]。

具体工作原理是当切换电容器接触器线圈得电时,衔铁带动所有动触头支架动作,首先先通型触点闭合,将限流电阻串入回路,电力电容器在限制涌流的情况下投入系统。随着触头支架运动,接触器的主触点闭合,完全将电力电容器投入系统。此时触头支架继续前行,先通型触点的锁扣装置被打开,从触头支架上脱离被反力簧弹出电力电容器运行回路。接触器吸合结束后由主触头为电力电容器正常供电运行。切除电力电容器时接触器线圈断电,主触头断开电路。

尽管切换电容器接触器在投切时能够限制涌流,保持在投切电容器装置要求的20倍额定电流以内^[3],但依然存在由于投切时机的不确定而可能产生较大涌流的现象。这样的涌流也有将限流电阻丝烧断的风险,限流电阻烧断后切换电容器接触器则成为普通交流接触器,进而出现涌流会烧毁电容、熔焊触点等更大的运行故障。

1.2晶闸管投切电容器装置(TSC)

晶闸管投切电容器装置能够很好地限制涌流的产生,其主要结构包括晶闸管\检测电路\驱动电路和控制器等,基本工作原理图如图2所示^[4]。

其工作原理是利用晶闸管导通时间可控的优势,当晶闸管两端电压基本相同时触发其导通。在控制器接到需要投入该组电容器组的指令时,控制器依据检测电路获取的晶闸管两端的电压判断投切时机,当检测到晶闸管两端电压为零时控制器给驱动电路导通信息,驱动电路触发晶闸管导通回路。

当电源电压和电容器两端电压基本相同时投入电容器,电压过零投入时能很好地抑制涌流。但晶闸管的管压降在1~3.5 V,存在功率损耗大、散热器体积大等缺陷,在高压场合较为适用。

1.3 复合开关投切电容器装置

结合交流接触器的触头接触电阻小和晶闸管能精确无涌流投入电容器的优点,复合开关投切电容器装置应运而生,克服了前述主要缺点,该装置先后产生过两种形式的产品^[5]。

一种是用三个磁保持继电器和三组正反并联的晶闸管(也可以是一只晶闸管和一只二极管)组合成三相共补式复合开关投切装置。该复合开关的动作时序为:晶闸管在其两端电压接近零时被触发导通,电力电容器接入电网电路,磁保持继电器线圈得电触头闭合,晶闸管停止触发和磁保持继电器断电,电力电容器投入完成进入正常运行;晶闸管被触发导通,磁保持继电器线圈反向得电,触头分断,晶闸管在电流过零时被关断,电容器被切换停止运行,磁保持继电器线圈断电。该结构的复合开关投切装置具有电容器正常运行时线圈不通电而节能的优点,但有磁保持继电器机械寿命短和可能被卡住而不动作等缺点。

另一种是把上述复合开关投切装置中的三个磁保持继电器更换为一个交流接触器,动作时序的不同是投入电容器后交流接触器线圈不断电;在切除电容器时,晶闸管被触发导通后交流接触器线圈断电,触头分断,其余均与前述复合开关投切装置相同。其优点除了磁保持继电器是复合开关投切装置,还有交流接触器的机械寿命次数多,运行可靠。

对比以上三种类型投切电容器装置,投切性能和稳定运行性能都在逐步提高,在电气控制柜智能化和小型化发展的趋势下,更加小型化、智能化、高可靠性、低价格的投切电容器装置更受关注。本文展开新型材料SiC电力电子器件用于投切电容器装置的相关探讨。

2碳化硅器件的无功补偿电容投切装置研究及仿真

2.1 主电路设计及工作原理

主电路方案设计的首要任务是抑制电容器投切时的涌流,其次是最大程度满足体积小、价格低廉等要素。总体设计采用交流斩波开关和交流接触器相结合的思路,原理图如图3所示。

一组交流斩波开关采用MOSFET和二极管串联后再反向并联的模式;一组交流斩波开关和交流接触器一相触头并联,共三相。下面以星型连接的电容器组为例,说明投切工作流程。电容器投切装置的检测电路、控制电路和触发电路等同交流接触器线圈共用一路电源,该回路得电,就是电容器投切装置接到投入电容器组的信号,此时零电压检测电路检测两相(如A、B相)交流斩波开关的线电压,该值为0 V时MOSFET同时被触发导通,电容器投入,再过π/2时,最后一相的MOSFET被触发导通,此时电容器组全部投入。MOSFET的触发电路处于持续触发状态。在电容器组全部投入后的一个工频周期内,控制电路发出交流接触器线圈接通的信号,交流接触器线圈得电闭合,主触头旁路了交流斩波开关,系统正常运行。可以在交流接触器闭合后关断交流斩波开关,但由于MOSFET的触发电路功耗很小,为了运行的可靠性,本方案选择不关断的运行模式。当交流接触器线圈回路失电,电容器投切装置停止运行, MOSFET关断。

2.2 器件的选择

本文中交流斩波开关是采用MOSFET和二极管为半导体功率器件。第三代半导体材料Sic禁带宽度大(3.2 eV)、热导率高(硅材料3倍)、电子饱和迁移速率大(硅材料3倍)、电子密度高、临界击穿电场强度高^[6]、导通阻抗低(1 mΩ/cm2)^[7],特别是在较高的击穿电压条件下,单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/300。目前,用Sic制作的二极管和MOSFET具有导通电阻小、击穿电压高、体积小等高性能指标。

低电压无功补偿系统中,当功率开关管未打开时可能承受2倍峰值电压的电压值,接近1 200 V。系统在运行时,开关管处于打开状态,一旦需要持续通流就要求导通电阻小。同时,要尽可能减小产品的体积,因此功率器件选用SiC二极管和MOSFET。

一般情况下,交流接触器型号中标称的额定电流为AC—3负载类别,但交流接触器可以承受的最大电流为约定发热电流。在低电压无功补偿系统,电容器组投入时由交流斩波开关先导通,切除时交流接触器触头基本无电弧产生,因此触头的电气磨损很少。所以,交流接触器选择时,一是保证电容器组运行电流不超过交流接触器的约定发热电流为宜,二是选用非频繁动作场合使用的节银型交流接触器。

2.3 电容器投入时刻的选取

要避免电容器投入时产生涌流,投入时刻的选取非常重要。设电网电压为标准电压u=U_msinwt,其中U_m为电压幅值,w为工频电压角频率,电容器投入瞬间的电流为^[8]:

式中:I_m为稳态时电流幅值;α为电容器投入时刻的相位角;Bc=wC为电容器的基波电纳,其中C为电容;

u_c0为电 容 器 投入 时刻 的 剩 余电压 ;wn=1/√LC=√X_c/X_L·w=nw为电路固有角频率,其中n表示固有频率标准值,L为回路电感,Xc、X_L为回路容抗和感抗。

i(t)中的第一项为正常运行时的稳态电流,第二项为投入瞬间电源电压和电容器电压差引起的电流振动分量,第三项为电源电压变化率引起的电流振荡分量,最大为2I_m。

当cos α=0时,第三项就为0 A。满足该条件的投入时刻是电容器电流过零的时刻,也就是电源电压在峰值时刻。

当u_c0=n²/n²-1·U_msinα时,第二项就为0 A,满足该条件的投入时刻以uc0初始值计算。根据国标,“每一电容器单元或电容器组应具备足以在3 min内从最初的电压un放电到75 V或更低的放电器件”。实际运行中,电容器在切除后会采取放电措施。所以在确定投入时刻时,假定电容器放电完毕,不带剩余电压,选择电源电压过零时刻。电源电压和电容器上电压都为0 V,满足第二项值为0 A的条件。

无法做到第二、三项同时满足,所以选择满足第二项为0 A的投入时刻,接受在投入时具有因电源电压自然变化而产生的涌流。总体限制涌流的效果非常明显。

2.4 仿真分析

对设计的低电压无功补偿投切电容器装置进行仿真验证。为较为清晰地对比出抑制涌流的效果,使用了单组电容器在电压非过零情况下投入、过零情况下投入和三相电容器在电压过零情况下投入三组仿真结果。仿真中所有器件都用了理想模型。

单组电容器投切过程的仿真,使用晶闸管投切电容器装置其中一相的斩波开关投入电容器。仿真模型如图4所示。用示波器从上到下依次监测电源电压、电容器电流、电容器电压。

图5是选择在电源电压的相位角为5o时投入的情形,从仿真图可以看出涌流是正常电流的约42倍(图中最高点被图框限制了),说明随机投入电容器时涌流非常大。

从图6的仿真结果可以看出,选择电源电压过零时投入电容器时,电路中没有涌流产生,抑制涌流效果非常明显。本设计选择的开关器件MOSFET开关速度快,可以精准控制,完全可以实现过零投入的控制。

三相电容器投切过程的仿真模型中,仅使用了三相斩波开关和电容器,用于旁路的交流接触器的投入和切除相对简单,本模型不予仿真,原理图如图7所示。其中电源电压为400V/50Hz,电容器为450 V/60 kvar/50 Hz。设电源电压表达式为:

对于三角形连接的电容器的投入时刻,选择线压过零时刻触发该两相的MOSFET, 如选择触发A、B 两相 , 则 需 要 u_ab= u_a-u_b=327sin wt—327sin(wt—120°)=0时触发M0SFET,即在wt=150°时触发即可。当C相的电压过零,即wt=240O时触发C相斩波开关,C相无涌流接通,电容器投入完成。仿真效果如图8所示。

3 结束语

本文通过对现有三种投切电容器装置进行分析,提出了一种低电压无功补偿投切电容器装置的解决思路,主要是用Sic材料的MOSFET和二极管各2个组成斩波开关,3组斩波开关和节银型交流接触器并联组成投切装置。该方案具有使用Sic材料器件而减小装置体积和使用节银型交流接触器而降低成本的优点。对方案用MATLAB进行了仿真,尤其是通过随机闭合和电压过零闭合两种对比仿真了对涌流抑制的作用,抑制涌流的效果明显。本文还提供了三角形连接的电容器投入时刻的选择方式。在仿真的基础上,本方案还需要通过实物的调试和试验。

[参考文献]

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[4]王兆安,刘进军,王跃,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].3版.北京:机械工业出版社,2018.

[5]刘建新.低压无功补偿电容投切装置的性能比较及选型[J].电力设备,2003(2):100.

[6]麦玉冰,谢欣荣.第三代半导体材料碳化硅(SiC)研究进展[J].广东化工,2021,48(9):151-152.

[7]潘三博,黄军成,刘建民.碳化硅功率器件在电力电子中的应用[J].上海电机学院学报,2013,16(3):107-112.

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2024年第14期第3篇