新型复合开关在电能质量治理领域的典型应用

周云斌++何砚德+++李鹏+++付永生

摘 要：文章首先介绍了一种新型电力电子复合开关的设备组成、工作原理，然后针对在电能质量治理领域的两个典型应用——投切无功补偿电容器和快速电源切换进行了分析，最后并通过仿真验证了该电力电子复合开关的优越性能。

关键词：电力电子复合开关；电能质量；无功补偿；快速电源切换

引言

常规机械开关的合闸时间一般大于40ms，分闸时间一般大于100ms，且无法做到分相过零投切；晶闸管开关可以实现零电压接通和零电流关断，也比较容易做到分相控制，但它在导通时有较大（相对机械开关）的功率损耗，需要加装体积庞大的散热系统。文章介绍的新型复合开关把机械开关和晶闸管开关的优点结合起来，在开关接通或断开的几十毫秒内，由晶闸管开关工作，实现零电压接通和零电流关断，在持续导通过程中则由机械开关工作，功率损耗几乎为零，并且具有响应速度快、占地面积小、控制方式灵活等诸多优点，因此在对开关性能及响应时间要求较为严格的电能质量治理领域获得了广泛应用。

1 无冲击自动投切电容器

目前，供电公司供电可靠性虽然已经能够达到99.9%，但仍然面临着一系列电能质量问题。一方面是由于电网结构所致，另一方面是电力用户大量非线性、冲击性、低功率因数负荷例如轧机、电炉、整流设备的接入所致。使得电力系统面临着较为严重的电压偏差和电压波动等问题，影响了电力系统安全和用户生产。当前解决电压偏差与电压波动问题普遍采用的手段是有载调压变压器和机械开关投切电容器。

有载分接开关无法快速调节，且受操作寿命次数限制，无法频繁投切，投切过程也容易产生一定的过电压。机械开关投切电容器的缺点在于无法分相控制，且无法在过零点投切，因此在投切电容器时会产生几倍于电容器补偿支路额定电流的冲击涌流，投切涌流中包含了大量的谐波分量。由于电容器组的谐波阻抗小，注入电容器组的谐波电流大，使电容器过负荷而严重影响其使用寿命。分闸后，电容器放电，端口电压由机械开关端口承受，此时发生开关重燃现象会产生过电压而损害电容器。机械开关分合闸时间长，分闸时间一般在40ms左右，合闸时间一般在100ms左右，不能够频繁的投切，容易导致功率因数低下，不能满足无功补偿的需求。

随着智能电网的发展，现在对无功补偿装置提出的要求越来越多，如实时投切，无扰动投切等。鉴于此，可以采用复合开关的方式来达到上述目的。

原理图图2所示：

投入电容器时，由晶闸管阀组首先导通，导通时刻为在阀端电压过零点，实现电容器的无涌流过零投入。晶闸管导通是，同时发送机械开关闭合命令，闭合机械开关，机械开关保持投入，电流自然转移到机械开关支路，此时晶闸管阀组关断，由此完成了电容器的电压过零投入。

切除电容器时，打开机械开关，瞬间发送晶闸管触发命令，触通晶闸管阀组，电流转移到晶闸管阀组支路，机械开关自然灭弧，之后撤销晶闸管触发命令，晶闸管阀组电流过零自关断，实现了电容器的电流过零自动切除。

根据机械开关和复合开关投切电容器的工作原理，搭建两种开关投切电容器的PSCAD仿真模型。模拟仿真两种开关投入电容器的波形，仿真结果如图3、图4所示。

从仿真波形可以看出：采用机械开关投切电容器组时，电容器支路会有数倍于额定电流的冲击涌流，支路电流波形严重畸变；而采用复合开关投入电容器时，则避免了投切涌流的产生，能够保证电容器长期安全稳定运行以及频繁投切，特别适合投切大容量、投切频繁、响应时间要求高的无功补偿场合。

2 快速双电源切换

电压暂降和短时中断是对用户影响较大的暂态电能质量问题。目前的解决方案一般是采用机械开关备自投方式，但是机械开关动作时间长，投切涌流大，中间会有一个断电时间，而对敏感负荷来说，即便切换成功，一样会造成停机，如芯片生产企业或者食品加工企业。

针对敏感负荷企业，可采用文章提到的复合开关技术来实现快速电源切换可以解决上述问题，其基本原理图如图5所示。

复合开关技术实现快速电源切换可的过程如图6所示。

（1）电源切换前，负荷由主电源供电，此时主电源复合开关中的机械开关部分PS1闭合，晶闸管阀TS1关断，电流流经PS1为负荷供电；备用电源复合开关中的机械开关部分PS2断开，晶闸管阀TS2关断。

（2）当控制系统检测到需要进行线路切换时，打开主电源复合开关中的机械开关部分PS1，同时触发晶闸管阀TS1，此时负荷电流流经TS1为负荷供电；机械开关部分PS2断开，晶闸管阀TS2关断。

（3）当检測到晶闸管阀TS1中的电流过零关断后，立刻触发备用电源复合开关中的晶闸管阀TS2导通。此时负荷由备用电源供电，电流流经晶闸管阀TS2为负荷供电。

（4）闭合备用电源复合开关中的机械开关部分PS2，关断晶闸管阀TS2，此时电流流经机械开关PS2为负荷供电，完成了整个切换过程。

从复合开关快速切换双电源的过程可知，只有在切换过程的短时间内，主、备线路上的复合开关晶闸管阀组才会导通（各个晶闸管阀导通时间一般不超过100ms），因此晶闸管阀的损耗很小，一般自然冷却即可满足晶闸管的安全运行。

负荷开关技术实现了故障电源到备用电源快速切换功能，切换时间一般可达到15ms以内，从而保证了负荷的不间断供电，提高了供电可靠性。

3 结束语

文章从电能质量应用角度出发，重点分析了基于可控硅的电力电子复合开关在无功补偿和快速电源切换中的应用，并通过仿真和现场试验的波形进行验证，证明了该电力电子复合开关的快速性、无扰动、无冲击性，除文章介绍的两种典型应用外，还可以用作其他如变压器分级调压等场合，应用前景十分广阔。