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(duì)在電能質(zhì)量治理領(lǐng)域的兩個(gè)典型應(yīng)用——投切無功補(bǔ)償電容器和快速電源切換進(jìn)行了分析，最后并通過仿真驗(yàn)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(bǔ)償；快速電源切換

引言

常規(guī)機(jī)械開關(guān)的合閘時(shí)間一般大于40ms，分閘時(shí)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(shí)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(shí)有較大（相對(duì)機(jī)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(jī)械開關(guān)和晶閘管開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(jī)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(diǎn)，因此在對(duì)開關(guān)性能及響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(jī)、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(dòng)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(dòng)問題普遍采用的手段是有載調(diào)壓變壓器和機(jī)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(jī)械開關(guān)投切電容器的缺點(diǎn)在于無法分相控制，且無法在過零點(diǎn)投切，因此在投切電容器時(shí)會(huì)產(chǎn)生幾倍于電容器補(bǔ)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(jī)械開關(guān)端口承受，此時(shí)發(fā)生開關(guān)重燃現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生過電壓而損害電容器。機(jī)械開關(guān)分合閘時(shí)間長(zhǎng)，分閘時(shí)間一般在40ms左右，合閘時(shí)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(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)無功補(bǔ)償裝置提出的要求越來越多，如實(shí)時(shí)投切，無擾動(dòng)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(shí)，由晶閘管閥組首先導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)刻為在閥端電壓過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電容器的無涌流過零投入。晶閘管導(dǎo)通是，同時(shí)發(fā)送機(jī)械開關(guān)閉合命令，閉合機(jī)械開關(guān)，機(jī)械開關(guān)保持投入，電流自然轉(zhuǎn)移到機(jī)械開關(guān)支路，此時(shí)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(shí)，打開機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)了電容器的電流過零自動(dòng)切除。

根據(jù)機(jī)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(jī)械開關(guān)投切電容器組時(shí)，電容器支路會(huì)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(shí)，則避免了投切涌流的產(chǎn)生，能夠保證電容器長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行以及頻繁投切，特別適合投切大容量、投切頻繁、響應(yīng)時(shí)間要求高的無功補(bǔ)償場(chǎng)合。

2 快速雙電源切換

電壓暫降和短時(shí)中斷是對(duì)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(jī)械開關(guān)備自投方式，但是機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，投切涌流大，中間會(huì)有一個(gè)斷電時(shí)間，而對(duì)敏感負(fù)荷來說，即便切換成功，一樣會(huì)造成停機(jī)，如芯片生產(chǎn)企業(yè)或者食品加工企業(yè)。

針對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)主電源復(fù)合開關(guān)中的機(jī)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(jī)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(cè)到需要進(jìn)行線路切換時(shí)，打開主電源復(fù)合開關(guān)中的機(jī)械開關(guān)部分PS1，同時(shí)觸發(fā)晶閘管閥TS1，此時(shí)負(fù)荷電流流經(jīng)TS1為負(fù)荷供電；機(jī)械開關(guān)部分PS2斷開，晶閘管閥TS2關(guān)斷。

（3）當(dāng)檢測(cè)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(shí)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(jī)械開關(guān)部分PS2，關(guān)斷晶閘管閥TS2，此時(shí)電流流經(jīng)機(jī)械開關(guān)PS2為負(fù)荷供電，完成了整個(gè)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(shí)間內(nèi)，主、備線路上的復(fù)合開關(guān)晶閘管閥組才會(huì)導(dǎo)通（各個(gè)晶閘管閥導(dǎo)通時(shí)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(yùn)行。

負(fù)荷開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了故障電源到備用電源快速切換功能，切換時(shí)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(diǎn)分析了基于可控硅的電力電子復(fù)合開關(guān)在無功補(bǔ)償和快速電源切換中的應(yīng)用，并通過仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的波形進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該電力電子復(fù)合開關(guān)的快速性、無擾動(dòng)、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(jí)調(diào)壓等場(chǎng)合，應(yīng)用前景十分廣闊。