無功補(bǔ)償是當(dāng)前電能質(zhì)量治理最為突出、緊迫的問題。目前普遍采用的裝置主要為靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator—SVC)。它主要包括：晶閘管投切電容型無功補(bǔ)償器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）、晶閘管控制電抗型無功補(bǔ)償器（Thyristor Controlled Reactor-TCR）、磁閥控制電抗型無功補(bǔ)償器（Magnetically Controlled Reactor-MCR）。

TSC型無功補(bǔ)償裝置，采用晶閘管開關(guān)器件分組投切電容器技術(shù)改變裝置的無功出力，相比于TCR、MCR方式的無功補(bǔ)償裝置具有損耗小、成本低、安裝維護(hù)方便、可靠性高、應(yīng)用范圍寬、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，是目前無功補(bǔ)償領(lǐng)域的主力軍。

按照電容分組投切開關(guān)的類型，TSC型的補(bǔ)償裝置可以分為：

（1）機(jī)械開關(guān)（包括斷路器、接觸器、繼電器等）分組投切電容器，但機(jī)械開關(guān)存在投切涌流、投切時(shí)間長(zhǎng)及開關(guān)投切次數(shù)少等弊端。

（2）復(fù)合開關(guān)分組投切電容器，復(fù)合開關(guān)將電力電子無觸點(diǎn)開關(guān)與機(jī)械開關(guān)相結(jié)合，在機(jī)械開關(guān)的通斷過程中，先期導(dǎo)通電力電子無觸點(diǎn)開關(guān)，在機(jī)械開關(guān)完成通斷動(dòng)作后，再關(guān)斷，避免了機(jī)械開關(guān)的投切涌流，卻依然不能解決開關(guān)的投切次數(shù)較少、開關(guān)過程時(shí)間長(zhǎng)、切投間隔時(shí)間久等問題。

（3）采用電力電子無觸點(diǎn)開關(guān)投切，由于其能在每個(gè)周波內(nèi)無應(yīng)力打開、關(guān)斷，采用此開關(guān)的TSC型無功補(bǔ)償裝置可以做到系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)目焖佟⒕_，使系統(tǒng)運(yùn)行于較高的功率因數(shù)下，有效的解決電力傳輸中的線損、設(shè)備容量能力，改善用戶端的電壓降低等特點(diǎn)，逐漸成為目前電容分組投切型無功補(bǔ)償設(shè)備的性能最為優(yōu)越的開關(guān)器件。

電力電子無觸點(diǎn)開關(guān)可采用的器件有SCR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT等，一般情況下，基于無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用及成本考慮，目前主要以晶閘管器件為主。

2．TSC裝置中晶閘管開關(guān)的電氣特性分析

TSC無功補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，以角外控制的電容器角接形式控制難度最大。因此，本文以該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例分析在不同工況下，晶閘管開關(guān)的端電壓特性，設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路，并驗(yàn)證。該電路完全可應(yīng)于TSC無功補(bǔ)償裝置的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)電容器負(fù)載采用三角連接角外控制時(shí)，每組投切開關(guān)中僅需兩組晶閘管開關(guān)，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中左右兩組投切開關(guān)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差別在于晶閘管開關(guān)所控制的電容器相別有不同，其中左側(cè)組控制為A、C相，右側(cè)組控制為A、B相。

圖1 角接電容器型TSC裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于電力系統(tǒng)，系統(tǒng)電源的A、B、C相電壓間存在120?角差，因此晶閘管開關(guān)的關(guān)斷存在先后順序。由于電容器的電壓與電流有90度的相位差，晶閘管開關(guān)應(yīng)在其電流過零點(diǎn)關(guān)斷時(shí)應(yīng)力最小，但此時(shí)對(duì)應(yīng)相的相電壓并不為零，而是電壓的峰值。

圖1 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差別與晶閘管開關(guān)的投切順序密切相關(guān)，對(duì)于A、C相控制電容器組的晶閘管開關(guān)來說，相當(dāng)于S1端電壓相位滯后S2端電壓相位120度，而A、B相控制電容器組的情況，卻為S1端電壓相位領(lǐng)先S2端電壓相位120度。因此對(duì)于上述兩組投切結(jié)構(gòu)，如果調(diào)整S1、S2的投切順序，兩種結(jié)構(gòu)將完全一致。

TSC型無功補(bǔ)償裝置在晶閘管切出時(shí)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化，當(dāng)其中一相晶閘管切除時(shí)，電容器組由角接方式變?yōu)閮芍浑娙萜鞔?lián)與另外一只電容器并聯(lián)的連接方式，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，另一相晶閘管切出時(shí)，其端電壓為線電壓峰值，在兩只晶閘管完全切除時(shí)，電容器將存在嚴(yán)重的過壓?jiǎn)栴}。

利用PSpcie軟件對(duì)上述兩種情況的電容器切除過程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2、圖3所示，仿真結(jié)果表明，對(duì)于系統(tǒng)線電壓有效值U為400V的供電系統(tǒng)，兩組投切開關(guān)控制都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的過壓?jiǎn)栴}。

當(dāng)晶閘管開關(guān)S1先切時(shí)，S1端電壓的偏移量為-207V，而S2端電壓的偏移量為566V，當(dāng)晶閘管開關(guān)S2先切時(shí)，S1端電壓的偏移量為-773V，而S2端電壓的偏移量為-566V，晶閘管端電壓存在較大差異。在圖3中電容切除后，開關(guān)S1端電壓不存在過零點(diǎn)，而在圖2、圖3中的開關(guān)S2端電壓在每個(gè)周波內(nèi)都存在唯一電壓過零點(diǎn)。

但由于通常系統(tǒng)電壓幅值會(huì)存在波動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)電壓幅值由于波動(dòng)小于電容器切除時(shí)的系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，該唯一零點(diǎn)將不復(fù)存在。在晶閘管開關(guān)端電壓沒有過零點(diǎn)的系統(tǒng)，如果晶閘管不能打開，將給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重后果。

傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)電路往往采用MOC3083作為過零點(diǎn)檢測(cè)芯片，其特點(diǎn)是能準(zhǔn)確的判斷電壓的過零點(diǎn)從而發(fā)出正確的觸發(fā)信號(hào)，但對(duì)于上述分析的狀況，當(dāng)開關(guān)端電壓偏離零點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)的過零電路檢測(cè)判斷已經(jīng)失去意義，并無法正常工作。

因此在采用MOC3083過零判斷的晶閘管開關(guān)在一些需要快速無功補(bǔ)償?shù)墓r中，由于系統(tǒng)電壓的波動(dòng)而無法準(zhǔn)確將晶閘管觸發(fā)，導(dǎo)致兩路晶閘管無法可靠投入，裝置無功補(bǔ)償功能失效，不能正常觸發(fā)的晶閘管同時(shí)會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的電容器電壓不斷充電，電壓值不斷升高，嚴(yán)重影響電容器、晶閘管開關(guān)及其他一次設(shè)備的壽命及使用安全。

圖2 電容器角接的A、C相控制切出過程

圖3 電容器角接的A、B相控制切出過程

3．晶閘管端電壓采樣電路設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確獲取晶閘管的端電壓信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用比例放大器進(jìn)行差分采樣，電路原理如圖4所示。圖中的ESD為靜電保護(hù)芯片，其內(nèi)阻遠(yuǎn)小于采樣電阻RS及反饋電阻RF，電阻R1與RF阻值相同。

采樣信號(hào)來自晶閘管的K1、K2端，電壓分別記為VK1，VK2。根據(jù)運(yùn)放電路的工作原理，差分運(yùn)放的輸出電壓信號(hào)VSAM，滿足公式1：VSAM= (VK2-VK1)*RF/R1+VREF1。

圖4 晶閘管端電壓的差分采樣原理圖

公式1中VREF1為電壓參考信號(hào)，本例取直流2.5V，則VSAM為以2.5V為偏移量的晶閘管端電壓比例信號(hào)，通過調(diào)整電阻RS與RF的阻值，可得到幅度適合的采樣信號(hào)。VSAM經(jīng)過的窗口比較器與Vth-、Vth+比較即可捕獲VSAM信號(hào)經(jīng)過2.5V的時(shí)刻，即晶閘管的端電壓過零時(shí)刻。

由于過零點(diǎn)采樣在2V位置，比2.5V位置提前，因此需要采用由R5與C1構(gòu)成的RC延時(shí)電路，通過R5對(duì)C1充放電，并將電容C1的電壓與參考電壓VREF比較，將過零信號(hào)VSYN延遲至接近2.5V對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

參考信號(hào)Vth-、Vth+具體幅值的選擇對(duì)觸發(fā)點(diǎn)時(shí)刻有直接影響。采樣電路的PSpice仿真結(jié)果如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖5a 檢測(cè)信號(hào)VSYN的PSpice仿真結(jié)果一

圖5b 檢測(cè)信號(hào)VSYN的PSpice仿真結(jié)果二

4．晶閘管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要采取電氣隔離措施，目前常見的隔離方式有光耦隔離及變壓器隔離兩種。變壓器隔離具有速度快，隔離強(qiáng)度高等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用變壓器對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離。由于變壓器只能傳遞交流信號(hào)，因此需要將將過零點(diǎn)脈沖與高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行疊加，使變壓器將控制信號(hào)傳遞至晶閘管控制端。

高頻脈沖信號(hào)發(fā)生及其與觸發(fā)脈沖的疊加信號(hào)采用如圖6所示的電路處理，圖中U1A為斯密特觸發(fā)器，其與C1、R1構(gòu)成震蕩電路，產(chǎn)生高頻脈沖，U1C、U1D完成觸發(fā)脈沖與高頻信號(hào)的疊加，高頻信號(hào)的頻率需要與隔離變壓器的特性相匹配。

圖6產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號(hào)經(jīng)過隔離放大電路（如圖7所示）送至晶閘管的控制端。圖7中U2完成信號(hào)放大，其EN腳由外部輸入，表示是否需要在過零點(diǎn)打開晶閘管開關(guān)，U3 為雙路MOSFET芯片，負(fù)責(zé)對(duì)隔離變壓器的驅(qū)動(dòng)。U2芯片的SEN端采樣MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)進(jìn)行保護(hù)。

由圖6可知SIG1、SIG2觸發(fā)信號(hào)內(nèi)包含的高頻脈沖相位相反，因此每個(gè)時(shí)刻，電源VS的僅對(duì)其中一路變壓器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用驅(qū)動(dòng)分時(shí)技術(shù)大大降低電路的功耗，減少M(fèi)OSFET的發(fā)熱，同時(shí)使U2對(duì)每路電流的檢測(cè)更為方便。

圖6 晶閘管驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生電路

圖7 晶閘管驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)隔離放大電路

5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)采用上述過流檢測(cè)及驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于角接的電容器負(fù)載的晶閘管開關(guān)控制。試驗(yàn)獲得SIG1、SIG2觸發(fā)信號(hào)如圖8所示，圖9為單個(gè)觸發(fā)信號(hào)的放大圖。本設(shè)計(jì)中采用的隔離電壓型號(hào)為VAC公司的T60403-D4097-X050脈沖變壓器。

圖8 晶閘管觸發(fā)脈沖試驗(yàn)波形

圖9 單個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖試驗(yàn)波形放大圖

晶閘管觸發(fā)時(shí)刻波形分別如圖10，圖11所示。其中圖10中，晶閘管端電壓每個(gè)周波存在兩個(gè)電壓過零點(diǎn)，在接受到觸發(fā)使能信號(hào)后，晶閘管在電壓過零點(diǎn)打開。圖11中，晶閘管端電壓偏移量恰好為系統(tǒng)線電壓峰值，在整個(gè)周波內(nèi)，端電壓的最小值位于零點(diǎn)位置，此時(shí)晶閘管可被安全觸發(fā)。

圖10、11說明，采用本設(shè)計(jì)的晶閘管端電壓過零檢測(cè)及觸發(fā)電路能電容器角接A、C相控制中，在每個(gè)周波內(nèi)可以安全、準(zhǔn)確的觸發(fā)晶閘管，從而使TSC無功補(bǔ)償裝置的無功響應(yīng)時(shí)間在20ms以內(nèi)。

另外由于本電路支持晶閘管端電壓完全偏離零點(diǎn)的工況，因此在電容器角接的A、B相控制中依然適用，但工程上為確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，角接電容器的A、B相控制在設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。

圖10 晶閘管觸發(fā)試驗(yàn)波形一

圖11晶閘管觸發(fā)試驗(yàn)波形二

晶閘管觸發(fā)后的端電壓波形如圖12所示，圖示表明晶閘管導(dǎo)通后的管壓降，在晶閘管開關(guān)導(dǎo)通過程中，過零檢測(cè)電路的輸出由過零脈沖變?yōu)殡娖叫盘?hào)，因此過零檢測(cè)電路僅在晶閘管開關(guān)在其斷開后第一次開啟起作用。

采用本文設(shè)計(jì)的晶閘管端電壓過零檢測(cè)及觸發(fā)電路控制的晶閘管開關(guān)的電流波形，如圖13所示，在晶閘管開啟過程中沒有涌流出現(xiàn)，系統(tǒng)平穩(wěn)，不存在任何沖擊。而采用MOC3083的傳統(tǒng)晶閘管觸發(fā)電路替換本文設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，晶閘管開啟過沖中會(huì)存在較大的電流沖擊，波形如圖14所示。

另外，由于圖14與圖13觸發(fā)控制信號(hào)寬度一致，晶閘管開關(guān)斷開后120ms發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，圖13中晶閘管在接收到控制信號(hào)的10ms左右成功將晶閘管觸發(fā)，而圖14的試驗(yàn)波形表明在接收到控制信號(hào)的160ms左右才將晶閘管觸發(fā)，由此可見基于本設(shè)計(jì)的晶閘管觸發(fā)電路具有較高的可靠性。

圖12 晶閘管觸發(fā)后端電壓波形

圖13 晶閘管開關(guān)關(guān)啟過程的電流波形

圖14 觸發(fā)晶閘管關(guān)啟過程電流波形

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的晶閘管過零點(diǎn)檢測(cè)及觸發(fā)電路在復(fù)雜工況下，能夠準(zhǔn)確、快速的將晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)過程不產(chǎn)生電流涌流，穩(wěn)定可靠，比傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)電路性能有明顯提高。

6．結(jié)論

通過對(duì)TSC裝置中電容器角接方式下晶閘管開關(guān)工作特性的分析，列舉了晶閘管開關(guān)過程的各種工況，并采用Pspice仿真軟件設(shè)計(jì)出安全可靠的晶閘管端電壓過零檢測(cè)及觸發(fā)電路。

Pspice仿真結(jié)果表明本文的設(shè)計(jì)具有良好的通用性，不僅在晶閘管端電壓存在過零情況下能夠安全、準(zhǔn)確的觸發(fā)晶閘管，當(dāng)晶閘管端電壓偏離電壓零點(diǎn)時(shí)，依然能在晶閘管端電壓最小值時(shí)將其觸發(fā)，從而保證了系統(tǒng)的無功響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)避免電容電壓的持續(xù)上升問題。

試驗(yàn)結(jié)果表明該晶閘管端電壓過零檢測(cè)及觸發(fā)電路具有良好的電氣性能，晶閘管開關(guān)投切準(zhǔn)確、可靠，投切過程不產(chǎn)生電流涌流，相比于傳統(tǒng)的MOC3083晶閘管觸發(fā)電路，在單個(gè)周波內(nèi)完全能安全觸發(fā)晶閘管。

基于該觸發(fā)電路設(shè)計(jì)的TSC無功補(bǔ)償裝置，能夠做到無功功率的周波響應(yīng)，同時(shí)能夠避免由于電壓波動(dòng)而導(dǎo)致的晶閘管端電壓過零點(diǎn)消失的復(fù)雜工況，可應(yīng)用于中頻爐、電焊機(jī)等快速無功變換的環(huán)境，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，節(jié)約能源。

本文晶閘管觸發(fā)電路，不僅可用于晶閘管開關(guān)，也可以用于復(fù)合開關(guān)等其他場(chǎng)合的晶閘管觸發(fā)，具有一定的工程價(jià)值。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“一種晶閘管投切的無功補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)”，作者為盧中友。