晶闸管投切滤波器_TSF_参数设计

第Y期
王
奇， 陈柏超： 晶闸管投切滤波器 （ＴＳＦ） 参数设计
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作用， 甚至可能会引起 G 次谐波谐振。因此， 这个电抗率 只适用基本无 G 次及以下谐波的变电站。有 G 次谐波变 电站的电容器组则需配置 HIJ"HGJ电抗率的串联电抗器， 这个电抗率的串联电抗器不仅可限制涌流， 而且可使电容 器支路具有抑制 G 次以上次数的谐波放大作用。例如， 有 容量为 MNNNKL,4 的并联电容 一额定电压为 HI ! G KL， 器， 假设系统没有谐波， 可以只选用 HJ的电抗器， 电抗器 的容量就为 MNKL,4， 这时电容器只需选用 MNMNKL,4。 此外A电抗器的电抗率既不是电抗器的参数也不是与 之串联的电容器的参数， 而是它们两者串联在一起， 一起 构成并联电容器组后的参数。同一台电抗器与不同电压、 不同容量的并联电容器串联时，其电抗率通常也是不同 的。在串联电抗器铭脾上的额定电抗率， 实际上是指该电 抗器与指定配套电容器时的该并联电容器 # 串联电抗器 组的电抗率， 而不是该串联电抗器的电抗率。 还是用上面的例子A有一台与这台并联电容器配套的 假如把它和一台额定电压 电抗器， 其额定电抗率为 MJ ， 为 HI ! G KL、 容量为 HNNNKL,4 的电容器串联， 其电抗 率就为 $ #$" %!" *+, ! - ） ・ +... $%%% !!"! ’() # &+) , %" &!$ (... /+, +... ・ !- ） " 电抗率就由原来额定的 MJ变为 HJ，如果是要抑制 O 次谐波放大这样就不会起不到预期的效果， 还有可能引起 谐波放大。也正是由于这个原因， 当需要投切几组电容器 是不能共用一台电抗器的， 这是实际应用中是要注意的。
收稿日期： ２００５－ ０５－ ０９ 作者简介： 王奇 （１９８０－） ， 男， 湖北武汉人， 硕士研究生， 研究方向： 电力电子在电力系统中的应用．
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江西电力职业技术学院学报
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第 *+ 卷
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电容器接法不同时， 每相电容器所需容量也不一样。 （!） 电容器组为星形联结时 )# +# $ )# $* # !!" ! # $%& "’( " ! # $ ! "’( "!&" # %’( ’*!&" （"） 式中 #—装设点电网电压 —— （$） ； %& —电容器组的线电流 —— （’） ； —— （(） 。 &" —每相电容器组的电容量 !! 的单位为 考虑到电网线电压的单位常用 )$， )*!+， 则星形联结时每相电容器组的容量为 )# !!%’( &’ (&" （,） !#$ 式中 -. 的单位为 /(。 （0） 电容器组为三角联结时 )# )# $ )# $ !!" ! # $%& %’( ")$ %’( ")!&" # %’( （1） ’,!&" 若线电压 2 的单位为 )$， 则每相电容器的容量 （/3） 为 # !!%’( &"( （4） #!#$
图- 中 （.） 、 （/） 为单组的电路图。在工作实际中一般将电 容器组分成几组， 如图 （&） 所示， 每组都可由晶闸管投 切。这样， 可以根据电网的无功需求进行投切， 因此 )*+ 可以可调的发出容性无功功率。当 )*+ 用于三相电路时 可以是!接法， 也可以是 3 接法， 每一相都可以设计成如 图所示的那样分组投切。 对于电感与电容的配置则需要根 据实际情况来确定， 根据谐波源发出的谐波含量， 分析出 主要的谐波， 把 )*+ 配置为滤除主要谐波的滤波器， 这样 )*+ 即可以补偿无功， 也可以滤除谐波。
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王
奇， 陈柏超
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（武汉大学电气工程学院， 湖北 武汉
摘 要 !介绍了 Ｔ ＳＦ 基本原理及两种电路比较， 以及在不同的接线方式下的电容器容量的选择， 并根据 系统中谐波的情况， 合理选择串联电抗器的参数， 使其达到抑制涌流和滤除谐波， 防止谐波放大的目的。 关键词 !晶闸管投切滤波器； 无功补偿； 串联电抗器 中图分类号： ＴＭ ４７７ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７３－００９７ （２００５） ０４－０００１－ （０３）
图!
"#$ 装置运行系统等效电路
系统支路谐波电流为 5<- + ,-5 ! 电容器支路谐波电流为 ,&5 ! 5<. 5<’ 165<- + <& 8 5 %5 （HB） <& 5 <& 8 5 %5 （H5）
5<’ 165<- +
图5
67( 投入等效电路
89: 电路的微分方程为： ./ - 1/213!"!"4/56701!8 .0 ’ $!" # /.01$( （W） & ! 为接通时的闭合角； 2 为闭合瞬间电容 - 上 式中： 的初始充电电压。 若 ; 值很小， 则在 <!=， >!=， 2=!= 的初始条件下， 近似地可得涌流的表达式 $ （?） /9"%: ( ;+"!4/5$# 0 $ 式中： $( "’ !-& 为振荡角频率； " 为衰减系数， "!@ 5A。 由上式可知回路的振荡角频率 $( 越高、 涌流越大。 因 此， 为了抑制涌流， 可以如图 B 在回路中接入串联电抗器， 使回路的 $( 下降到要求值。 根据 CDBE?BF5—?E8G:关于过渡过程电流的要求， 涌流 最大峰值不应大于稳态电流的方均根的 H== 倍， 即 # "# $ $H==I （IJIK ! 5 ） # $( $H== ! 5 $ 可得 （)） 只要回路振荡角频率控制在 H== ! 5 $ 以下， 回路涌流 就不会超过 H==I。在 $( 时， 回路发生谐振， 有 $( （"%L=） M H ， 通常 LNNL=， 可以忽略 $( &
随着科学技术的发展， 电力电子器件在公众电网中的 广泛应用， 电网中的谐波污染也日趋严重。另外， 大多数 电力电子装置功率因数很低，也给电网带来额外负担， 并 影响供电质量。因此谐波抑制和提高功率因数已成为电 力系统研究领域所面临的一个重大课题， 正受到越来越多 的关注’"(。目前国内广泛使用的晶闸管投切滤波器 （)*+） 装置 ’#(， 可以快速跟踪冲击负荷的突变， 随时保持最佳功 率因数， 实现动态无功补偿， 减小电压波动， 提高电能质 )*+ 还可以滤除系统中谐波源发出的 量， 节约电能。 另外， 谐波， 减小谐波对电网的损害。由于晶闸管投切电抗器具 有优良的动态无功功率补偿性能和滤波特性， 近年来得到 了较大的发展’,(。
U.V投入 O 次后的波形 U7V投入 S 次后的波形 图 ? 仿真实验波形
（5） 串联电抗器参数选择。
把 （H=） 式代入 （E） 式， 有 H H H ， 即 <"& （HH） $"& # # O& *+++ $& *+++ 由式 （HH） 可知只要在回路中串入大于 =F5P$Q 的工频 感抗， 就可以抑制涌流。 %防止谐波危害。 IR& 标准按照其作用分为阻尼电抗 器和调谐电抗器。阻尼电抗器的作用是限制并联电容器 组的合闸涌流， 其电抗率可选择得比较小， 一般为 =FSPT HPU调谐电抗器的作用是抑制谐波。当电网中存在的谐波 不可忽视时， 则应考虑使用调谐电抗器。供电系统的谐波 源主要是电流源。电流源的内阻抗很大， 在外阻抗发生变 化时， 其电流基本不变。 谐波源的负荷是整个供电系统， 它 包括所有用户的电力设备。其系统简化接线图和等效原 理图如图 B：
串联电抗器在整个装置中有两个方面作用， 一是抑制 浪涌电流， 二是防止谐波危害， 实际就是滤除谐波源发出的 有害谐波。串联电抗器在整个装置中的作用是非常重要 的， 若参数选择不当不仅不能滤除谐波， 还有可能引起谐波 放大， 对系统产生严重的危害。因此在配置串联电抗器的 参数时必须考虑到上述两个方面， 使装置能够正常运行。 #抑制涌流。图 5 是 67( 投入时的等效电路。
（&）分组投切 )*+ 图 - )*+ 基本原理图
（!"#） 的工作原理 6 晶闸管投切滤波器
)*+ 的晶闸管常见的接线方式如图 - 中 （.） 、 （/） 所示 两种： 晶闸管与二极管反并联接线方式和晶闸管反并联接 线方式。采用晶闸管与二极管反并联的方式0在每次二极 管承受正向电压时对电容器充电，保持电容电压为峰值0 电容器在电源电压为峰值时无电压差投入0晶闸管在电流 过零时自动切断。无论电容器投或切0都不会产生冲击电 流和过电压0， 电容器无需放电即可重新投入0从而实现电 容器的频繁投切。 这种方式控制简便0 成本较低0但由于二 极管对电容器的充电导致晶闸管承受的最大反向电压为 电源电压峰值的 1 倍， 并且由于二极管的不可控， 使其响 应速度有所降低。而采取晶闸管反并联方式0在晶闸管阀 关断时如果采取措施将电容器的残压放掉0晶闸管阀承受 的最大反向电压为电源电压的峰值。晶闸管反并联方式 响应速度快， 可靠性高0即使某相损坏一个晶闸管0也不会 导致电容器误投入2但投资较大0控制较复杂。
式中： —系统基波电抗； OH—— —串联电抗器基波电抗； OL—— —并联电容器基波电抗； O&—— V—— —谐波次数； IV—— —谐波源注入回路的谐波电流。 / 当 5<- % ! ， 并联电容器和串联电抗器整个对 V 次谐 5 波呈感性， 第 V 次谐波将不会放大。当 I7V 和 I-V 都小于 IV， /! 并联电容器和串联电抗器发生串联谐振， 由谐 5<- M 时， 5 波源发出的第 V 次谐波电流将大部分流入并联电容器和 / 串联电抗器， 就会导致谐波放大。当 5<- & ! ， 这时 %&50 5 且 %=50%5， 即流入电网的 V 次谐波比谐波源发出谐波电 %5， 流还要大， 这样系统谐波放大， 是不允许的。并 5<’15<-+ /! M=， 即当电容器串联电抗器组第 V 波阻抗与电网的第 V 5 V 次谐波将发生严重 次谐波阻抗大小相等、 方向相反时， 的并联谐振， 大量 V 次谐波电流流 V 次谐波被严重放大， 入电网、 电容器和串联电抗器， 这时， 与并联电容器相串联 的串联电抗器， 不但没有防止谐波放大’反而加剧了第 V 次谐波的放大， 对此种情况在选配串联电抗器时是必须十 /! / ’ 即 1 % > 的条件， 分注意和避免的。必须满足 5<- % ， 5 /! 5 才能有效地抑制谐波放大， 这在选用电抗器时必须要考虑 的。根据前面的分析， HP及以下电抗率的串联电抗器， 只 能限制电容器投入时合闸涌流的作用。GF9P(4P电抗率的 串联电抗器， 除了可以抑制合闸涌流以外， 还可有效地避免 电容器组投入引起对 9 次以上谐波的放大作用。但对 B 次 及以下次数的谐波， 电抗率为 GF9P(4P则可能起不到抑制
（!"#） 的参数设计 7 晶闸管投切滤波器
（１） 电容器容量的选择。
（.）单相晶闸管反并联
（/）单相晶闸管与二极管反并联
电容器的补偿容量与采用的补偿方式、 电容器的接法 )*+ 主 有关。而本文所讨论的 )*+ 属于就地补偿的范畴。 要装设在异步电动机或电感性用电设备附近。 若电动机突 然与电源断开，电容器将对电动机放电而产生自励磁现 象。如果补偿电容器容量过大， 可能因电动机惯性转动而 产生过电压， 导致电动机损坏。 为防止这种情况， 不宜使电 容器补偿容量过大， 应以电容器 （组） 在此时的放电电流不 大于电动机空载电流 45 为限， 即 !!6 " , !" #$ --57, （"） 式中8 9:—— —供电系统额定线电压 （;） ； —电动机额定空载电流 （=） 。 4<—— 需要注意，若实际运行电压与电容器额定电压不一 致， 则电容器的实际补偿容量为 >?-8 " 1 !?-6 （ . ） !,・? （1） "#・" 式中："#・" —— —电容器的额定电压； —电容器的额定补偿容量； !,・? —— ". —— —电容器实际工作电压。