陳杏燦，程漢湘

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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晶閘管投切電容器的盲區(qū)及減小盲區(qū)的控制策略

陳杏燦，程漢湘

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

摘要：晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor，TSC)的補(bǔ)償效果取決于電容器的容量與電容器組的編碼方式，為了減小TSC的控制盲區(qū)，防止投切振蕩，提高TSC系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，比較了不同的電容器編碼方式的優(yōu)缺點(diǎn)，研究使用等差編碼方式減小控制盲區(qū)的最優(yōu)電容器組的編碼方式。結(jié)果表明等差制編碼式的控制盲區(qū)小于等比制編碼式(二進(jìn)制編碼)的控制盲區(qū)。因此，采用合理的等差編碼方式能有效提高TSC系統(tǒng)的性能，有利于降低投切振蕩的可能性，提高無功補(bǔ)償?shù)木扰c可靠性。

關(guān)鍵詞：晶閘管投切電容器；無功補(bǔ)償；等差制編碼；投切振蕩

近年來，因電壓失穩(wěn)而導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解的事故在國(guó)內(nèi)外一些大電網(wǎng)中多次發(fā)生，造成長(zhǎng)時(shí)間大面積的停電和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的電力系統(tǒng)一直是全社會(huì)追求的目標(biāo)，進(jìn)行合理的無功補(bǔ)償可以在節(jié)約能源、提高電能質(zhì)量乃至整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都有著非常重要的作用[2-3]。并聯(lián)電容器是廣泛使用的無功補(bǔ)償設(shè)備，其本身功耗很小，裝設(shè)靈活，節(jié)省投資。由其向系統(tǒng)提供無功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機(jī)提供的無功功率[4-6]。

然而，在實(shí)際配電網(wǎng)的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor，TSC)[7-8]的設(shè)計(jì)存在許多問題。由于TSC的補(bǔ)償方式是有級(jí)補(bǔ)償，無法達(dá)到無級(jí)的無功補(bǔ)償。因此，在進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，就存在如何保證在總補(bǔ)償容量確定的情況下，提供盡可能多的無功補(bǔ)償級(jí)數(shù)，并且應(yīng)盡量減少控制盲區(qū)，提高設(shè)備的控制精度。常規(guī)的TSC控制器以功率因數(shù)為基本的控制量，在電容器容量選擇與編碼方式不當(dāng)?shù)那闆r下，在輕負(fù)荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)電容器頻繁投切的現(xiàn)象，即投切振蕩。因此，了解不同的電容器編碼方式，及每種編碼方式下存在的控制盲區(qū)，減小這些控制盲區(qū)與避免投切振蕩，有利于提高TSC控制系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

本文比較了不同的電容器編碼方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了使用等差編碼方式減小控制盲區(qū)的最優(yōu)電容器組的編碼方式，并通過MATLAB仿真，比較不同編碼方式下控制盲區(qū)的大小。

1TSC編碼方式

在380 V的低壓無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用中，等值編碼方式和不等值編碼方式是最常用的電容器編碼方式。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，等值編碼方式因?yàn)楦鹘M電容器的補(bǔ)償容量均相等，其優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且易實(shí)現(xiàn)遵守循環(huán)投切的原則，使各個(gè)電容器投入時(shí)間均相等；缺點(diǎn)是由于各組電容器的補(bǔ)償容量均相等，無功補(bǔ)償級(jí)差較大，補(bǔ)償精度較低，容易出現(xiàn)投切振蕩的現(xiàn)象；在電容組數(shù)確定的情況下，補(bǔ)償精度與補(bǔ)償容量會(huì)相對(duì)矛盾，若均以較小的補(bǔ)償級(jí)差進(jìn)行設(shè)計(jì)從而獲得較高補(bǔ)償精度，將會(huì)導(dǎo)致總的補(bǔ)償容量太小。相對(duì)于等值編碼，不等值的電容器編碼方式由于各個(gè)分組電容器的容量不相同，無功補(bǔ)償級(jí)差較小，容易滿足補(bǔ)償精度的要求，在電容組數(shù)確定的情況下，利用較少的電容器分組就可獲得較高的補(bǔ)償精度；缺點(diǎn)是其控制方法相對(duì)復(fù)雜，且不易實(shí)現(xiàn)循環(huán)投切[9]。

二進(jìn)制編碼是在不等值的編碼方式中是最具代表性的編碼方式，二進(jìn)制編碼方式，即按等比數(shù)列1、2、4、8、…、2n編碼方式(n為補(bǔ)償電容器的組數(shù))[10-12]。目前比較在低壓無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用中，已大量使用二進(jìn)制編碼方式進(jìn)行電容柜的容量設(shè)計(jì)。例如，在確定的無功補(bǔ)償控制柜中，設(shè)計(jì)要求總的電容補(bǔ)償容量為150 kvar，最小補(bǔ)償精度為10 kvar，則應(yīng)取的電容容量應(yīng)分別為 10 kvar、20 kvar、40 kvar、80 kvar，這樣裝置可投入的補(bǔ)償容量級(jí)差為10 kvar。從10 kvar到150 kvar的任意補(bǔ)償容量均可由這4組電容組合而成。

2不同編碼方式的控制盲區(qū)

由于TSC系統(tǒng)的電容器容量存在補(bǔ)償容量級(jí)差，即各個(gè)補(bǔ)償容量是離散的，通過非連續(xù)的方式調(diào)節(jié)負(fù)載的功率因數(shù)，所以使用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償必然存在控制盲區(qū)，無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)無功功率，難以實(shí)現(xiàn)理想的功率因數(shù)。為了說明不同編碼方式投切電容器的控制盲區(qū)這個(gè)問題，假設(shè)設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償電容柜是應(yīng)用于800 kVA的變壓器，按經(jīng)驗(yàn)應(yīng)取變壓器30%左右的設(shè)計(jì)容量作為無功補(bǔ)償總?cè)萘浚丛O(shè)計(jì)該電容柜的總的無功補(bǔ)償容量在240 kvar左右。電容組數(shù)設(shè)計(jì)為10組共補(bǔ)電容，以下將具體對(duì)這10組電容器組進(jìn)行不同編碼，對(duì)比不同的編碼方式下的控制盲區(qū)的不同。

圖1　電容器分組為等值編碼方式的控制盲區(qū)

圖1中，用以上假設(shè)的等值編碼方式與最小容量為25 kvar的設(shè)計(jì)，對(duì)于該種TSC的設(shè)計(jì)無法達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)區(qū)間的盲區(qū)用黑點(diǎn)表示。由圖1可知，采用等值編碼方式的電容器分組，控制盲區(qū)較多，圖中掃描的無功功率點(diǎn)為201×201=40 401個(gè)，而盲點(diǎn)占了19 220個(gè)，為所有無功功率點(diǎn)數(shù)的47.57%。盲區(qū)主要包括兩個(gè)方面，一方面是當(dāng)系統(tǒng)不滿足目標(biāo)功率因數(shù)時(shí)，將所有電容器投入亦無法滿足目標(biāo)功率因數(shù)的控制盲區(qū)；另一方面，當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷較小且功率因數(shù)在未達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)的時(shí)候，投入電容后功率因數(shù)要么滯后，切除電容后功率因數(shù)又不達(dá)標(biāo)的盲區(qū)[13]。

而采用二進(jìn)制編碼方式的電容器分組，若需要補(bǔ)償?shù)目偟臒o功量仍按經(jīng)驗(yàn)取變壓器30%左右的設(shè)計(jì)容量，根據(jù)實(shí)際市場(chǎng)上現(xiàn)有的電容器規(guī)格，最小容量取5 kvar，則如果采用二進(jìn)制進(jìn)行編碼，應(yīng)分別取5 kvar、10 kvar、20 kvar、40 kvar、80 kvar、160 kvar，可知，在低壓配電網(wǎng)中，80 kvar和160 kvar如此大的電容器，如果在投入過程無法準(zhǔn)確過零，或因晶閘管誤觸發(fā)而投入電網(wǎng)，將產(chǎn)生極大的沖擊電流。為此，在實(shí)際的380 V配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償中，不是直接采用二進(jìn)制對(duì)電容器組進(jìn)行編碼，而是采用二進(jìn)制與等值編碼混合的混合式編碼。所以，同樣設(shè)計(jì)電容組數(shù)是10，總電容器補(bǔ)償容量為245 kvar，編碼方式按8∶4∶2∶1，則最小的電容器組容量為5 kvar，其中包括2組10 kvar的電容器，3組20 kvar的電容器和4組40 kvar的電容器。仍然取目標(biāo)功率因數(shù)區(qū)間為0.95～1，最大有功功率為標(biāo)幺值1，掃描方式仍然按無功功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)是否滿足目標(biāo)功率因數(shù)的方式，此時(shí)TSC的投切盲區(qū)如圖2所示。

圖2　電容器分組為等比制(二進(jìn)制)編碼方式的控制盲區(qū)

由圖2可知，采用二進(jìn)制編碼方式的電容器分組，相比起等值編碼方式的電容器組，控制盲區(qū)較少，圖中掃描的有功功率點(diǎn)為201個(gè)，功率因數(shù)點(diǎn)也為201個(gè)，而盲點(diǎn)只占了11 813個(gè)，為所有點(diǎn)數(shù)的29.24%。比等值編碼方式的電容器組的控制盲區(qū)少了18個(gè)百分點(diǎn)。盲區(qū)同樣包括兩個(gè)方面：一方面是當(dāng)系統(tǒng)不滿足目標(biāo)功率因數(shù)時(shí)，將所有電容器投入亦無法滿足目標(biāo)功率因數(shù)的控制盲區(qū)；另一方面，當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷較小且功率因數(shù)在未達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)的時(shí)候，投入電容后功率因數(shù)要么滯后，切除電容后功率因數(shù)又不達(dá)標(biāo)的控制盲區(qū)。

3等差制編碼方式的減小控制盲區(qū)的策略

由前面論述可知，TSC的控制盲區(qū)與電容器組的編碼方式不同有關(guān)，減小電容器組的控制盲區(qū)的策略主要在于優(yōu)化電容器組的編碼方式。二進(jìn)制編碼方式明顯優(yōu)越于等值編碼方式，而在低壓配電網(wǎng)中，受實(shí)際電容器組規(guī)格的制約以及防止使用過大電容器組而造成在投切過程可能出現(xiàn)的沖擊電流。尋找適合于配電網(wǎng)的，且比二進(jìn)制編碼方式更優(yōu)的編碼方式，對(duì)減小電容器組的控制盲區(qū)有很大幫助。

等差制編碼方式，與二進(jìn)制編碼方式一樣，同屬于不等值的編碼方式。電容器組按等差為d進(jìn)行組合。與前面的假設(shè)相同，設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘渴?40 kvar左右，取目標(biāo)功率因數(shù)區(qū)間為0.95～1，負(fù)載的最大有功功率為標(biāo)幺值1，設(shè)計(jì)電容組數(shù)是10，總的電容器補(bǔ)償容量為275 kvar，編碼方式按等差10∶9∶8∶7∶6∶5∶4∶3∶2∶1的方式進(jìn)行編碼，則最小的電容器組容量為5 kvar，各個(gè)規(guī)格的電容器組均可在市面上找到，此時(shí)TSC的投切盲區(qū)如圖3所示。

圖3　電容器分組為等差制編碼方式的控制盲區(qū)

由圖3可知，采用等差制編碼方式的電容器分組，相比起等值編碼方式的電容器組，控制盲區(qū)的點(diǎn)少很多，而與二進(jìn)制編碼方式對(duì)比，盲區(qū)的點(diǎn)幾乎相同。但是，具體到盲點(diǎn)數(shù)，同樣圖中掃描的有功功率點(diǎn)為201個(gè)，功率因數(shù)點(diǎn)也為201個(gè)，用等差編碼方式進(jìn)行電容器的編碼時(shí)，控制盲點(diǎn)只占了11 622個(gè)，占所有點(diǎn)數(shù)的28.77%，比二進(jìn)制編碼方式的電容器組的控制盲區(qū)少了1%。盲區(qū)同樣包括兩個(gè)方面：一方面是當(dāng)系統(tǒng)不滿足目標(biāo)功率因數(shù)時(shí)，將所有電容器投入亦無法滿足目標(biāo)功率因數(shù)的控制盲區(qū)；另一方面，當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷較小且功率因數(shù)在未達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)的時(shí)候，投入電容后功率因數(shù)要么滯后，切除電容后功率因數(shù)又不達(dá)標(biāo)。這正反映了當(dāng)負(fù)荷太小時(shí)，有些情況下會(huì)由于找不到合適投切方案而形成投切振蕩。所以在輕負(fù)荷時(shí)，應(yīng)該閉鎖控制器投切電容。另外，增加電容器分組區(qū)間，也能夠減小死角區(qū)間。分組為等差制編碼時(shí)的盲區(qū)間小于二進(jìn)制編碼時(shí)的盲區(qū)，更小于等值編碼時(shí)的盲區(qū)。因此，在為負(fù)荷配置TSC無功補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，要綜合考慮負(fù)荷當(dāng)前容量和未來可能的擴(kuò)容，合理地確定電容器的總?cè)萘亢头纸M方案，盡量減小投切的死角區(qū)間。

4結(jié)束語

本文討論了TSC的無功補(bǔ)償裝置在進(jìn)行電容器組編碼時(shí)的幾種編碼方式，對(duì)比了等值編碼與二進(jìn)制編碼的控制盲區(qū)，并提出了在實(shí)際低壓配電網(wǎng)中，使用等差制編碼的編碼方式可優(yōu)越于二進(jìn)制編碼方式。通過MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了等差制編碼在進(jìn)行電容器編碼時(shí)的控制盲區(qū)相對(duì)較小。采用等差制編碼進(jìn)行投切電容的最佳編碼方式，有利于優(yōu)化無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)，降低投切振蕩的可能性，使無功補(bǔ)償設(shè)備更加可靠。

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陳杏燦(1990)，男，廣東汕頭人。在讀碩士研究生，主要研究方向是電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

程漢湘(1957)，男，湖北武漢人。教授，工學(xué)博士，主要研究方向是電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

(編輯王朋)

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

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)01-0079-04

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

收稿日期：2015-10-13