基于晶闸管开关的三相星型电力电容器快速预充方法与流程

1.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开关的三相星型电力电容器快速预充方法。


背景技术：

2.无功功率是电力系统中不可或缺的因素，其对维持系统电压稳定，保证设备正常运行起到了重要的帮助。当系统无功不足时，采用并联电容器组进行无功补偿是一种行之有效的方式。
3.当前采用并联电容器进行无功补偿时，仍以传统的机械投切开关为主，开关合闸的随机性和不确定性，使得投入电力电容器进行无功补偿时常引起幅值为额定电流的几倍甚至十几倍的合闸涌流及过电压，严重危害着设备及系统的安全。近年来电力电子技术的发展，及开关制造工艺的日益成熟，并联电容器的投切开关也想着智能化控制的方向转变。现常用的电容器投入控制策略是检测电压过零点投入，该方案控制简单，但在系统阻抗较小的情况下仍会引起一定的合闸涌流。另一种方式是在系统电压峰值投入，这就要求预投入的电容器在投入前预充电至系统电压峰值。常用的手段是通过外接高压直流充电装置实现，这既增加设备的复杂程度，也增加了线路的复杂性。


技术实现要素：

4.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开关的三相星型电力电容器快速预充方法，通过合理的控制手段，以实现直接利用电网能量，投入前对三相星型电容器组进行快速预充电。
5.本发明采用以下技术方案来实现：基于晶闸管开关的三相星型电力电容器快速预充方法，包括以下步骤：
6.s1、检测电网电压及三相星型并联电容器两端电压情况，选取电网电压正向且处于下降处，在短时充电电流小于三相星型并联电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管施加触发脉冲，逐级对待投入的三相星型并联电容器预充电到三相电压预设值；
7.s2、从电网处获取能量，根据预定的充电策略选择三相中两相进行预充电过程，当三相星型并联电容器各相电压值都满足预设值时，检测电网测量点相位角，先投入两相，经四分之一周期后再投入第三相，完成整个三相星型并联电容器投切过程。
8.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
9.1、本发明提出一种直接利用电网能量，通过控制晶闸管导通角，在保证短时充电电流小于电力电容器最大允许电流的基础上，分级逐步对电容器进行预充电。
10.2、本发明每次充电过程均保证充电电流小于电容器允许通过的最大电流，不会对电容器造成损害，从而能完成对三相并联电容器快速预充到预设目标电压值的全过程。
附图说明
11.图1是本发明并联电容器组进行无功补偿的系统电路图；
12.图2是本发明方法的流程图；
13.图3是投入前分级对电容器进行快速预充电的过程示意图；
14.图4(a)是本发明快速预充电投入电压波形示意图；
15.图4(b)是本发明快速预充电投入电流波形示意图。
具体实施方式
16.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。
17.实施例
18.本实施例中，对三相星型并联电容器进行分析，实际需投入并联电容器组进行无功补偿的系统电路如图1所示。其中，us为的三相并联电容器投入的母线电压；三相星型并联电容器分别为ca、cb和cc；各相电力电容器都串接的电抗器分别为la、lb和lc；scr
a1
与scr
a2
和scr
c1
与scr
c2
为两组反并联的晶闸管，采用“二控三”的方式，用以控制无功补偿电容器的预充电和投入过程，只在其中两相：a相和c相，使用晶闸管开关控制，以节约成本。
19.如图2所示，本实施例基于晶闸管开关的三相星型电力电容器快速预充方法，包括以下步骤：
20.s1、检测电网电压及三相星型并联电容器两端电压情况，选取电网电压正向且处于下降处，在保证短时充电电流小于三相星型并联电容器额定电流的基础上，通过对晶闸管施加触发脉冲，逐级对待投入的三相星型并联电容器预充电到三相电压预设值；
21.s2、从电网处获取能量，根据预定的充电策略选择三相中两相进行预充电过程，当三相星型并联电容器各相电压值都满足预设值时，检测电网测量点相位角，先投入两相，经四分之一周期后再投入第三相，完成整个三相星型并联电容器投切过程。
22.本实施例中，步骤s1中三相星型并联电容器预充电预充值确定过程如下：
23.s11、设三相电网电压为：
[0024][0025]
式中，ua(t)、ub(t)和uc(t)分别对应三相电网电压的瞬时值；um为三相电网正弦稳态相电压峰值；ω0为稳态电压角频率；t为时域时间；
[0026]
s12、三相星型并联电容器均以电流过零时作为无功补偿电容器退出运行条件，停止对晶闸管施加触发脉冲，当a相电容器电流为零时，反并联的晶闸管scr
a1
电流过零关断，a相电容器电压为峰值电压um，b相和c相电容器电压均为-0.5um；bc两相回路有电流流过，反并联的晶闸管scr
c2
仍保持导通；1/4个工频周期后，bc两相线电压达到峰值，电流过零关断，则各相电容器电压为：
[0027][0028]
其中，ua、ub和uc为a相电流过零停止对晶闸管施加触发脉冲后各项电容器剩余电压值；
[0029]
s13、对电容器峰值电压抬升至其中同时，由于abc三相的相序关系，将b相和c相的预充电值互换，以达到快速充电投入的效果；以6％串抗率为例，三相星型并联电容器预充电预充值应确定为
[0030][0031]
本实施例中，步骤s2中预充电过程具体如下：
[0032]
s211、获取并联电容器正常运行时的允许的最大电流i
maxc
，设电网线电压为us＝umsin(ω0t+α)，当投切开关闭合时，根据kvl，由拉氏变换可得：
[0033][0034]
式中，u
c0
为开关闭合时电容器储存的电压初始值，i
c(s)
为流过电容器电流的频域值，u
s(s)
是电网电压经拉氏变换后得到的频域值，α为电网电压的初始相角，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，即
[0035][0036]
s212、经过等式变换并经由拉氏反变换，可求出开关闭合时流过电容器的电流为
[0037][0038]
其中：
[0039][0040]
其中，xc和x
l
为任意两相之间的等效容抗和等效感抗，n为暂态电流分量和稳态电
流分量角频率的比值，ω为引起合闸涌流的暂态电流分量的角频率；
[0041]
s213、根据电容器电压与电流之间的关系推算得合闸过程并联电容器电压为：
[0042][0043]
s214、联立式子(6)和(8)，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角α，如图3所示的k1、k2和k3点，以预充a-b两相回路为例，在该时刻只向晶闸管scr
a1
施加触发脉冲，scr
a1
导通，电网对a相电容器正向充电，b相电容器反向充电，电容器电压逐渐上升；当晶闸管scr
a1
为反向电压时，由于电流仍存在，故继续对电容器进行充电，直到电流下降为零时，由晶闸管电流过零关断特性自然关断，完成一次充电过程；每次充电过程均保证充电电流小于电容器允许通过的最大电流，不会对电容器造成损害，从而能完成对三相并联电容器快速预充到预设目标电压值的全过程。
[0044]
本实施例中，步骤s2中三相并联电容器充电路径具体如下：
[0045]
s221、反并联的晶闸管scr
a1
在线电压u
ab
正向且下降沿处导通，对a相电容器正向充电，b相电容器反向充电；
[0046]
s222、反并联的晶闸管scr
c2
在线电压u
bc
反向且上升沿处导通，对c相电容器正向充电，b相电容器反向充电；
[0047]
s223、反并联的晶闸管scr
a1
在线电压u
ac
正向且下降沿处导通，对a相电容器正向充电，c相电容器反向充电，使得a相电容器电压达到预定值1.064um；
[0048]
s224、反并联的晶闸管scr
c2
在线电压u
bc
反向且上升沿处导通，对c相电容器正向充电，b相电容器反向充电,使得b相电容器电压达到预定值-1.458um，c相电容器电压达到预定值0.394um。
[0049]
本实施例中，步骤s2中三相并联电容器投入时序具体过程如下：
[0050]
选择步骤s221～s224中的充电路径对各相电容器预充时均控制充电的冲击电流均小于电容器和晶闸管所允许的最大允许电流，对电容器无损害；当各相电容器均预充到预定的目标电压值后，检测线电压u
bc
达到反向峰值时，反并联的晶闸管scr
c1
和反并联的晶闸管scr
c2
导通，投入b相和c相电容器；再经过1/4工频周期，控制晶闸管scr
a1
和scr
a2
导通，投入a相电容器。
[0051]
为了验证本发明基于晶闸管控制的三相星型并联电力电容器快速预充的效果，在matlab/simulink仿真平台上搭建相应的仿真模型。具体参数如下：系统电压为10kv，频率为50hz，无功补偿支路为提高系统的功率因数，三相并联电容器补偿的无功功率为4.5mvar，额定电流为31.5a，同时串联有6％的电抗器。
[0052]
如图4(a)、4(b)所示，仿真过程如下：0s时发出系统无功不足需投入并联电容器无功补偿指令，并联电容器开始进入快速预充电过程。根据预设充电路径及时序选择过程，依次按ab、cb、ac和cb四个预充路径对三相电容器预充电到目标值。每次预充时检测电网电压
与电容器电压并进行比较，进而确定了控制晶闸管每次导通时机，保证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。当预充电过程结束后，检测到符合并网条件后先投入b、c两相电容器，1/4个周期后再投a相电容器。仿真表明，在0.15s内能完成整个预充电过程，投入时满足理想投切条件，无任何涌流冲击。
[0053]
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。