馬 誠（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,西安 710048）

基于MATLAB的無功補(bǔ)償電容器投切在礦井應(yīng)用的研究

馬 誠
（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,西安 710048）

摘 要：本文通過晶閘管投切電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償，利用MATLAB 的 Simulink 模塊搭建仿真模型，從投切時(shí)刻、分組投切、以及帶殘壓投入的情況進(jìn)行了仿真，設(shè)置了合理的投切時(shí)刻，得到了不同投切時(shí)刻電容器組的電壓和電流波形，得到了最佳投切時(shí)刻。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；晶閘管；電容器組

0 前言

隨著煤礦大功率運(yùn)輸設(shè)備與采煤機(jī)組數(shù)量的增加，大功率高性能開關(guān)器件的出現(xiàn)，由此帶來的沖擊、功率因數(shù)低、諧波含量高的問題更加嚴(yán)重.礦井大型設(shè)備多、負(fù)荷重，往往位于礦井用電的末端，正常運(yùn)行時(shí)，存在著電壓質(zhì)量低，網(wǎng)損較大，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)的問題。所以對(duì)含有大功率用電設(shè)備的供電線路實(shí)施就地的無功補(bǔ)償是十分必要的。

1　 無功功率補(bǔ)償?shù)脑砑胺椒?/h2>

無功功率補(bǔ)償是把感性功率的負(fù)荷與容性功率負(fù)荷并聯(lián)在同一電路。當(dāng)容性裝置釋放能量時(shí)，感性負(fù)荷吸收能量；當(dāng)感性負(fù)荷釋放能量時(shí)，容性裝置吸收能量，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換，在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。系統(tǒng)的無功功率是由阻感性負(fù)載產(chǎn)生的，這增加了設(shè)備容量以及輸電線路和變壓器的損耗，無功功率對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一定的不良影響，它會(huì)降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出、使電壓降低、會(huì)造成線路損耗的增加、會(huì)使功率因數(shù)降低，從而導(dǎo)致用電效率低下，直接影響自動(dòng)化設(shè)備的正常運(yùn)行。

電網(wǎng)的無功補(bǔ)償容量不是隨意的，要根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況來定，確定無功補(bǔ)償容量最直接的方法就是從提高功率因數(shù)的需要來確定補(bǔ)償容量。假設(shè)線路有功功率為P1，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為cosφ1，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為cosφ2，則補(bǔ)償容量可以用下述公式計(jì)算:

上式中Qc表示線路中需要的補(bǔ)償容量。

目前無功補(bǔ)償主要為采用靜止無功補(bǔ)償器，主要包括：磁閾控制電抗型無功補(bǔ)償器--MCR；晶閘管控制電抗型無功補(bǔ)償器--TCR、晶閘管投切電容型無功補(bǔ)償器--TSC。

TSC型無功補(bǔ)償裝置，通過晶閘管分組投切電容器進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，有可靠性高、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，目前被大范圍使用。

2　 TSC無功補(bǔ)償?shù)脑?/h2>

晶閘管投切電容器由一對(duì)相反極性的晶閘管與電容器及電抗器串聯(lián)而成。其原理圖及工作特性曲線如圖1所示。

用晶閘管投切電容器組時(shí)，通常在晶閘管兩端電壓過零點(diǎn)作為晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，大大降低了合閘過電壓和合閘涌流。在晶閘管兩端電壓為零時(shí)給予晶閘管觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通，投入電容器組電容；脈沖停止，晶閘管在電流過零時(shí)自然關(guān)斷，電容器被切除。

TSC無功補(bǔ)償結(jié)構(gòu)原理圖如圖2示，工作原理為：首先采集電網(wǎng)的電流和電壓值，并計(jì)算出有功功率、無功功率及功率因數(shù)，根據(jù)之前設(shè)定的值發(fā)出投切信號(hào)，通過晶閘管投切電容器向電網(wǎng)注入無功功率，達(dá)到補(bǔ)償目的。

3　TSC系統(tǒng)仿真

仿真原理圖如3所示，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)為：電源線電壓380V，頻率50HZ，三相負(fù)載有功功率為30kW，三相負(fù)載無功功率為22.5kVar，功率因數(shù)為0.8，補(bǔ)償電容為4.932e-4F，串聯(lián)小電阻為1Ω 。

設(shè)置導(dǎo)通時(shí)刻晶閘管的參數(shù)為：

A相： t=0.015s時(shí)刻觸發(fā)晶閘管 1， t=0.01s時(shí)刻觸發(fā)晶閘管 2，A相導(dǎo)通。

B相： t=0.02167s時(shí)刻觸發(fā)晶閘管 3， t=0.01667s時(shí)刻觸發(fā)晶閘管4， B相導(dǎo)通。

C相： t=0.02833s時(shí)刻觸發(fā)晶閘管 5， t=0.02333s時(shí)刻觸發(fā)晶閘管 6，C相導(dǎo)通。仿真波形圖如圖4、圖5所示。

在晶閘管兩端電壓為零時(shí)進(jìn)行電容器投切，雖然存在涌流，但涌流值很小，而且電容器電流波形畸變也非常小，電流與電壓的突變都很小，證明了在晶閘管兩端的電壓過零時(shí)刻進(jìn)行投切是可以大大減小沖擊電流的，既驗(yàn)證了此種方法的可行性。

4　 結(jié)論

過零點(diǎn)投切電容器裝置具有優(yōu)良的補(bǔ)償性能, 適合在礦井這種沖擊性負(fù)荷多的場(chǎng)所使用, 能穩(wěn)定系統(tǒng)電壓, 提高功率因數(shù)，減少能耗。傳統(tǒng)的機(jī)械投切產(chǎn)生了過電壓和高頻涌流，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了更多補(bǔ)償效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的方法，有效的提高了電容器組投切的穩(wěn)定性、安全性，同時(shí)提高了設(shè)備使用壽命。

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作者介紹：馬誠（1988-）男，碩士研究生，助教，研究方向：礦井安全。