晶闸管投切电容器的盲区及减小盲区的控制策略

陈杏灿，程汉湘

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)



晶闸管投切电容器的盲区及减小盲区的控制策略

陈杏灿，程汉湘

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)

摘要：晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor，TSC)的补偿效果取决于电容器的容量与电容器组的编码方式，为了减小TSC的控制盲区，防止投切振荡，提高TSC系统的稳定性与可靠性，比较了不同的电容器编码方式的优缺点，研究使用等差编码方式减小控制盲区的最优电容器组的编码方式。结果表明等差制编码式的控制盲区小于等比制编码式(二进制编码)的控制盲区。因此，采用合理的等差编码方式能有效提高TSC系统的性能，有利于降低投切振荡的可能性，提高无功补偿的精度与可靠性。

关键词：晶闸管投切电容器；无功补偿；等差制编码；投切振荡

近年来，因电压失稳而导致系统瓦解的事故在国内外一些大电网中多次发生，造成长时间大面积的停电和巨大的经济损失[1]。安全、经济、稳定的电力系统一直是全社会追求的目标，进行合理的无功补偿可以在节约能源、提高电能质量乃至整个系统稳定性方面都有着非常重要的作用[2-3]。并联电容器是广泛使用的无功补偿设备，其本身功耗很小，装设灵活，节省投资。由其向系统提供无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率[4-6]。

然而，在实际配电网的应用中发现晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor，TSC)[7-8]的设计存在许多问题。由于TSC的补偿方式是有级补偿，无法达到无级的无功补偿。因此，在进行无功补偿时，就存在如何保证在总补偿容量确定的情况下，提供尽可能多的无功补偿级数，并且应尽量减少控制盲区，提高设备的控制精度。常规的TSC控制器以功率因数为基本的控制量，在电容器容量选择与编码方式不当的情况下，在轻负荷时会出现电容器频繁投切的现象，即投切振荡。因此，了解不同的电容器编码方式，及每种编码方式下存在的控制盲区，减小这些控制盲区与避免投切振荡，有利于提高TSC控制系统的可靠性与经济性。

本文比较了不同的电容器编码方式的优缺点，提出了使用等差编码方式减小控制盲区的最优电容器组的编码方式，并通过MATLAB仿真，比较不同编码方式下控制盲区的大小。

1TSC编码方式

在380 V的低压无功补偿的应用中，等值编码方式和不等值编码方式是最常用的电容器编码方式。两种方式各有优缺点，等值编码方式因为各组电容器的补偿容量均相等，其优点是容易实现自动控制，且易实现遵守循环投切的原则，使各个电容器投入时间均相等；缺点是由于各组电容器的补偿容量均相等，无功补偿级差较大，补偿精度较低，容易出现投切振荡的现象；在电容组数确定的情况下，补偿精度与补偿容量会相对矛盾，若均以较小的补偿级差进行设计从而获得较高补偿精度，将会导致总的补偿容量太小。相对于等值编码，不等值的电容器编码方式由于各个分组电容器的容量不相同，无功补偿级差较小，容易满足补偿精度的要求，在电容组数确定的情况下，利用较少的电容器分组就可获得较高的补偿精度；缺点是其控制方法相对复杂，且不易实现循环投切[9]。

二进制编码是在不等值的编码方式中是最具代表性的编码方式，二进制编码方式，即按等比数列1、2、4、8、…、2n编码方式(n为补偿电容器的组数)[10-12]。目前比较在低压无功补偿的应用中，已大量使用二进制编码方式进行电容柜的容量设计。例如，在确定的无功补偿控制柜中，设计要求总的电容补偿容量为150 kvar，最小补偿精度为10 kvar，则应取的电容容量应分别为 10 kvar、20 kvar、40 kvar、80 kvar，这样装置可投入的补偿容量级差为10 kvar。从10 kvar到150 kvar的任意补偿容量均可由这4组电容组合而成。

2不同编码方式的控制盲区

由于TSC系统的电容器容量存在补偿容量级差，即各个补偿容量是离散的，通过非连续的方式调节负载的功率因数，所以使用电容器进行无功补偿必然存在控制盲区，无法实现无级调节无功功率，难以实现理想的功率因数。为了说明不同编码方式投切电容器的控制盲区这个问题，假设设计的无功补偿电容柜是应用于800 kVA的变压器，按经验应取变压器30%左右的设计容量作为无功补偿总容量，即设计该电容柜的总的无功补偿容量在240 kvar左右。电容组数设计为10组共补电容，以下将具体对这10组电容器组进行不同编码，对比不同的编码方式下的控制盲区的不同。

图1　电容器分组为等值编码方式的控制盲区

图1中，用以上假设的等值编码方式与最小容量为25 kvar的设计，对于该种TSC的设计无法达到目标功率因数区间的盲区用黑点表示。由图1可知，采用等值编码方式的电容器分组，控制盲区较多，图中扫描的无功功率点为201×201=40 401个，而盲点占了19 220个，为所有无功功率点数的47.57%。盲区主要包括两个方面，一方面是当系统不满足目标功率因数时，将所有电容器投入亦无法满足目标功率因数的控制盲区；另一方面，当系统有功负荷较小且功率因数在未达到目标功率因数的时候，投入电容后功率因数要么滞后，切除电容后功率因数又不达标的盲区[13]。

而采用二进制编码方式的电容器分组，若需要补偿的总的无功量仍按经验取变压器30%左右的设计容量，根据实际市场上现有的电容器规格，最小容量取5 kvar，则如果采用二进制进行编码，应分别取5 kvar、10 kvar、20 kvar、40 kvar、80 kvar、160 kvar，可知，在低压配电网中，80 kvar和160 kvar如此大的电容器，如果在投入过程无法准确过零，或因晶闸管误触发而投入电网，将产生极大的冲击电流。为此，在实际的380 V配电网的无功补偿中，不是直接采用二进制对电容器组进行编码，而是采用二进制与等值编码混合的混合式编码。所以，同样设计电容组数是10，总电容器补偿容量为245 kvar，编码方式按8∶4∶2∶1，则最小的电容器组容量为5 kvar，其中包括2组10 kvar的电容器，3组20 kvar的电容器和4组40 kvar的电容器。仍然取目标功率因数区间为0.95～1，最大有功功率为标幺值1，扫描方式仍然按无功功率点对应的功率因数是否满足目标功率因数的方式，此时TSC的投切盲区如图2所示。

图2　电容器分组为等比制(二进制)编码方式的控制盲区

由图2可知，采用二进制编码方式的电容器分组，相比起等值编码方式的电容器组，控制盲区较少，图中扫描的有功功率点为201个，功率因数点也为201个，而盲点只占了11 813个，为所有点数的29.24%。比等值编码方式的电容器组的控制盲区少了18个百分点。盲区同样包括两个方面：一方面是当系统不满足目标功率因数时，将所有电容器投入亦无法满足目标功率因数的控制盲区；另一方面，当系统有功负荷较小且功率因数在未达到目标功率因数的时候，投入电容后功率因数要么滞后，切除电容后功率因数又不达标的控制盲区。

3等差制编码方式的减小控制盲区的策略

由前面论述可知，TSC的控制盲区与电容器组的编码方式不同有关，减小电容器组的控制盲区的策略主要在于优化电容器组的编码方式。二进制编码方式明显优越于等值编码方式，而在低压配电网中，受实际电容器组规格的制约以及防止使用过大电容器组而造成在投切过程可能出现的冲击电流。寻找适合于配电网的，且比二进制编码方式更优的编码方式，对减小电容器组的控制盲区有很大帮助。

等差制编码方式，与二进制编码方式一样，同属于不等值的编码方式。电容器组按等差为d进行组合。与前面的假设相同，设计无功补偿的总容量是240 kvar左右，取目标功率因数区间为0.95～1，负载的最大有功功率为标幺值1，设计电容组数是10，总的电容器补偿容量为275 kvar，编码方式按等差10∶9∶8∶7∶6∶5∶4∶3∶2∶1的方式进行编码，则最小的电容器组容量为5 kvar，各个规格的电容器组均可在市面上找到，此时TSC的投切盲区如图3所示。

图3　电容器分组为等差制编码方式的控制盲区

由图3可知，采用等差制编码方式的电容器分组，相比起等值编码方式的电容器组，控制盲区的点少很多，而与二进制编码方式对比，盲区的点几乎相同。但是，具体到盲点数，同样图中扫描的有功功率点为201个，功率因数点也为201个，用等差编码方式进行电容器的编码时，控制盲点只占了11 622个，占所有点数的28.77%，比二进制编码方式的电容器组的控制盲区少了1%。盲区同样包括两个方面：一方面是当系统不满足目标功率因数时，将所有电容器投入亦无法满足目标功率因数的控制盲区；另一方面，当系统有功负荷较小且功率因数在未达到目标功率因数的时候，投入电容后功率因数要么滞后，切除电容后功率因数又不达标。这正反映了当负荷太小时，有些情况下会由于找不到合适投切方案而形成投切振荡。所以在轻负荷时，应该闭锁控制器投切电容。另外，增加电容器分组区间，也能够减小死角区间。分组为等差制编码时的盲区间小于二进制编码时的盲区，更小于等值编码时的盲区。因此，在为负荷配置TSC无功补偿系统时，要综合考虑负荷当前容量和未来可能的扩容，合理地确定电容器的总容量和分组方案，尽量减小投切的死角区间。

4结束语

本文讨论了TSC的无功补偿装置在进行电容器组编码时的几种编码方式，对比了等值编码与二进制编码的控制盲区，并提出了在实际低压配电网中，使用等差制编码的编码方式可优越于二进制编码方式。通过MATLAB仿真实验，验证了等差制编码在进行电容器编码时的控制盲区相对较小。采用等差制编码进行投切电容的最佳编码方式，有利于优化无功补偿装置的设计，降低投切振荡的可能性，使无功补偿设备更加可靠。

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陈杏灿(1990)，男，广东汕头人。在读硕士研究生，主要研究方向是电力系统自动化。

程汉湘(1957)，男，湖北武汉人。教授，工学博士，主要研究方向是电力系统自动化。

(编辑王朋)

Dead Zone of Thyristor Switching Capacitor and Control Strategies

for Reducing Dead Zone

CHEN Xingcan, CHENG Hanxiang

(Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

Abstract：Compensation effect of thyristor switching capacitor (TSC) depends on capacity of the capacitor and coding mode of capacitor bank, in order to reduce controlling dead zone of TSC and improve stability and reliability of TSC system, this paper compares merits and demerits of different coding modes of capacitor banks and studies optimal coding mode for reducing controlling dead zone by using equidifferent coding mode. Results indicate that the controlling dead zone of equidifferent coding mode is smaller than that of equal ratio coding mode. Therefore, it is proved that reasonable equidifferent coding mode could effectively improve performance of TSC system, favorably reduce probability of throw-switch oscillation and improve precision and reliability of reactive power compensation.

Key words：thyristor switching capacitor; reactive power compensation; equidifferent system of arithmetic coding; throw-switch oscillation

作者简介：

中图分类号：TM76

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0079-04

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.015

收稿日期：2015-10-13