基于MATLAB的無功補償電容器投切在礦井應用的研究

馬 誠（西安工程大學 電子信息學院,西安 710048）

基于MATLAB的無功補償電容器投切在礦井應用的研究

馬 誠
（西安工程大學 電子信息學院,西安 710048）

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

關(guān)鍵詞：無功補償；晶閘管；電容器組

0 前言

隨著煤礦大功率運輸設備與采煤機組數(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重.礦井大型設備多、負荷重，往往位于礦井用電的末端，正常運行時，存在著電壓質(zhì)量低，網(wǎng)損較大，運行不經(jīng)濟的問題。所以對含有大功率用電設備的供電線路實施就地的無功補償是十分必要的。

1　 無功功率補償?shù)脑砑胺椒?/h2>

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

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

上式中Qc表示線路中需要的補償容量。

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

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

2　 TSC無功補償?shù)脑?/h2>

晶閘管投切電容器由一對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，通常在晶閘管兩端電壓過零點作為晶閘管的觸發(fā)時刻，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給予晶閘管觸發(fā)脈沖，使其導通，投入電容器組電容；脈沖停止，晶閘管在電流過零時自然關(guān)斷，電容器被切除。

TSC無功補償結(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，并計算出有功功率、無功功率及功率因數(shù)，根據(jù)之前設定的值發(fā)出投切信號，通過晶閘管投切電容器向電網(wǎng)注入無功功率，達到補償目的。

3　TSC系統(tǒng)仿真

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

設置導通時刻晶閘管的參數(shù)為：

A相： t=0.015s時刻觸發(fā)晶閘管 1， t=0.01s時刻觸發(fā)晶閘管 2，A相導通。

B相： t=0.02167s時刻觸發(fā)晶閘管 3， t=0.01667s時刻觸發(fā)晶閘管4， B相導通。

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

在晶閘管兩端電壓為零時進行電容器投切，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刻進行投切是可以大大減小沖擊電流的，既驗證了此種方法的可行性。

4　 結(jié)論

過零點投切電容器裝置具有優(yōu)良的補償性能, 適合在礦井這種沖擊性負荷多的場所使用, 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)了更多補償效果好、結(jié)構(gòu)簡單的方法，有效的提高了電容器組投切的穩(wěn)定性、安全性，同時提高了設備使用壽命。

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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。