周云斌++何硯德+++李鵬+++付永生

摘 要：文章首先介紹了一種新型電力電子復(fù)合開關(guān)的設(shè)備組成、工作原理，然后針對在電能質(zhì)量治理領(lǐng)域的兩個典型應(yīng)用——投切無功補償電容器和快速電源切換進行了分析，最后并通過仿真驗證了該電力電子復(fù)合開關(guān)的優(yōu)越性能。

關(guān)鍵詞：電力電子復(fù)合開關(guān)；電能質(zhì)量；無功補償；快速電源切換

引言

常規(guī)機械開關(guān)的合閘時間一般大于40ms，分閘時間一般大于100ms，且無法做到分相過零投切；晶閘管開關(guān)可以實現(xiàn)零電壓接通和零電流關(guān)斷，也比較容易做到分相控制，但它在導(dǎo)通時有較大（相對機械開關(guān)）的功率損耗，需要加裝體積龐大的散熱系統(tǒng)。文章介紹的新型復(fù)合開關(guān)把機械開關(guān)和晶閘管開關(guān)的優(yōu)點結(jié)合起來，在開關(guān)接通或斷開的幾十毫秒內(nèi)，由晶閘管開關(guān)工作，實現(xiàn)零電壓接通和零電流關(guān)斷，在持續(xù)導(dǎo)通過程中則由機械開關(guān)工作，功率損耗幾乎為零，并且具有響應(yīng)速度快、占地面積小、控制方式靈活等諸多優(yōu)點，因此在對開關(guān)性能及響應(yīng)時間要求較為嚴(yán)格的電能質(zhì)量治理領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

1 無沖擊自動投切電容器

目前，供電公司供電可靠性雖然已經(jīng)能夠達(dá)到99.9%，但仍然面臨著一系列電能質(zhì)量問題。一方面是由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)所致，另一方面是電力用戶大量非線性、沖擊性、低功率因數(shù)負(fù)荷例如軋機、電爐、整流設(shè)備的接入所致。使得電力系統(tǒng)面臨著較為嚴(yán)重的電壓偏差和電壓波動等問題，影響了電力系統(tǒng)安全和用戶生產(chǎn)。當(dāng)前解決電壓偏差與電壓波動問題普遍采用的手段是有載調(diào)壓變壓器和機械開關(guān)投切電容器。

有載分接開關(guān)無法快速調(diào)節(jié)，且受操作壽命次數(shù)限制，無法頻繁投切，投切過程也容易產(chǎn)生一定的過電壓。機械開關(guān)投切電容器的缺點在于無法分相控制，且無法在過零點投切，因此在投切電容器時會產(chǎn)生幾倍于電容器補償支路額定電流的沖擊涌流，投切涌流中包含了大量的諧波分量。由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過負(fù)荷而嚴(yán)重影響其使用壽命。分閘后，電容器放電，端口電壓由機械開關(guān)端口承受，此時發(fā)生開關(guān)重燃現(xiàn)象會產(chǎn)生過電壓而損害電容器。機械開關(guān)分合閘時間長，分閘時間一般在40ms左右，合閘時間一般在100ms左右，不能夠頻繁的投切，容易導(dǎo)致功率因數(shù)低下，不能滿足無功補償?shù)男枨蟆?/p>

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，現(xiàn)在對無功補償裝置提出的要求越來越多，如實時投切，無擾動投切等。鑒于此，可以采用復(fù)合開關(guān)的方式來達(dá)到上述目的。

原理圖圖2所示：

投入電容器時，由晶閘管閥組首先導(dǎo)通，導(dǎo)通時刻為在閥端電壓過零點，實現(xiàn)電容器的無涌流過零投入。晶閘管導(dǎo)通是，同時發(fā)送機械開關(guān)閉合命令，閉合機械開關(guān)，機械開關(guān)保持投入，電流自然轉(zhuǎn)移到機械開關(guān)支路，此時晶閘管閥組關(guān)斷，由此完成了電容器的電壓過零投入。

切除電容器時，打開機械開關(guān)，瞬間發(fā)送晶閘管觸發(fā)命令，觸通晶閘管閥組，電流轉(zhuǎn)移到晶閘管閥組支路，機械開關(guān)自然滅弧，之后撤銷晶閘管觸發(fā)命令，晶閘管閥組電流過零自關(guān)斷，實現(xiàn)了電容器的電流過零自動切除。

根據(jù)機械開關(guān)和復(fù)合開關(guān)投切電容器的工作原理，搭建兩種開關(guān)投切電容器的PSCAD仿真模型。模擬仿真兩種開關(guān)投入電容器的波形，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

從仿真波形可以看出：采用機械開關(guān)投切電容器組時，電容器支路會有數(shù)倍于額定電流的沖擊涌流，支路電流波形嚴(yán)重畸變；而采用復(fù)合開關(guān)投入電容器時，則避免了投切涌流的產(chǎn)生，能夠保證電容器長期安全穩(wěn)定運行以及頻繁投切，特別適合投切大容量、投切頻繁、響應(yīng)時間要求高的無功補償場合。

2 快速雙電源切換

電壓暫降和短時中斷是對用戶影響較大的暫態(tài)電能質(zhì)量問題。目前的解決方案一般是采用機械開關(guān)備自投方式，但是機械開關(guān)動作時間長，投切涌流大，中間會有一個斷電時間，而對敏感負(fù)荷來說，即便切換成功，一樣會造成停機，如芯片生產(chǎn)企業(yè)或者食品加工企業(yè)。

針對敏感負(fù)荷企業(yè)，可采用文章提到的復(fù)合開關(guān)技術(shù)來實現(xiàn)快速電源切換可以解決上述問題，其基本原理圖如圖5所示。

復(fù)合開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)快速電源切換可的過程如圖6所示。

（1）電源切換前，負(fù)荷由主電源供電，此時主電源復(fù)合開關(guān)中的機械開關(guān)部分PS1閉合，晶閘管閥TS1關(guān)斷，電流流經(jīng)PS1為負(fù)荷供電；備用電源復(fù)合開關(guān)中的機械開關(guān)部分PS2斷開，晶閘管閥TS2關(guān)斷。

（2）當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到需要進行線路切換時，打開主電源復(fù)合開關(guān)中的機械開關(guān)部分PS1，同時觸發(fā)晶閘管閥TS1，此時負(fù)荷電流流經(jīng)TS1為負(fù)荷供電；機械開關(guān)部分PS2斷開，晶閘管閥TS2關(guān)斷。

（3）當(dāng)檢測到晶閘管閥TS1中的電流過零關(guān)斷后，立刻觸發(fā)備用電源復(fù)合開關(guān)中的晶閘管閥TS2導(dǎo)通。此時負(fù)荷由備用電源供電，電流流經(jīng)晶閘管閥TS2為負(fù)荷供電。

（4）閉合備用電源復(fù)合開關(guān)中的機械開關(guān)部分PS2，關(guān)斷晶閘管閥TS2，此時電流流經(jīng)機械開關(guān)PS2為負(fù)荷供電，完成了整個切換過程。

從復(fù)合開關(guān)快速切換雙電源的過程可知，只有在切換過程的短時間內(nèi)，主、備線路上的復(fù)合開關(guān)晶閘管閥組才會導(dǎo)通（各個晶閘管閥導(dǎo)通時間一般不超過100ms），因此晶閘管閥的損耗很小，一般自然冷卻即可滿足晶閘管的安全運行。

負(fù)荷開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了故障電源到備用電源快速切換功能，切換時間一般可達(dá)到15ms以內(nèi)，從而保證了負(fù)荷的不間斷供電，提高了供電可靠性。

3 結(jié)束語

文章從電能質(zhì)量應(yīng)用角度出發(fā)，重點分析了基于可控硅的電力電子復(fù)合開關(guān)在無功補償和快速電源切換中的應(yīng)用，并通過仿真和現(xiàn)場試驗的波形進行驗證，證明了該電力電子復(fù)合開關(guān)的快速性、無擾動、無沖擊性，除文章介紹的兩種典型應(yīng)用外，還可以用作其他如變壓器分級調(diào)壓等場合，應(yīng)用前景十分廣闊。