Принцип работы и ключевые технологии тиристорных переключаемых конденсаторов (TSC)

Тиристорный конденсатор (TSC)представляет собой устройство динамической компенсации реактивной мощности, основанное на характеристиках бесконтактного переключения тиристоров. Его основной принцип заключается в быстром и плавном включении или отключении батарей конденсаторов от электросети за счет использования способности тиристоров точного-пересечения нуля и реализации динамической компенсации реактивной мощности сети. По сравнению с традиционными конденсаторами с механическим управлением TSC имеет значительные преимущества, такие как длительный срок службы, бесконтактное переключение, высокая устойчивость к механическим воздействиям и быстрый динамический отклик. Кроме того, точно контролируя момент переключения, он может эффективно подавлять пусковой ток во время процесса переключения, обеспечивая стабильную работу электросети и оборудования.

1. Классификация ТСЦ

1.1 Классификация по уровню напряжения

В зависимости от уровня приложенного напряжения TSC можно разделить на компенсацию низкого-напряжения и компенсацию высокого-напряжения в соответствии с общими спецификациями для устройств компенсации реактивной мощности в энергетике:

Компенсация низкого-напряжения: В основном применяется в распределительных сетях низкого-напряжения 0,4 кВ (400 В), удовлетворяющих требованиям компенсации реактивной мощности для уровней напряжения 1 кВ и ниже, в основном используемых на сторонах конечных-нагрузок, таких как промышленные мастерские и коммерческие здания;

Компенсация высокого-напряжения: система компенсации напрямую подключена к высоковольтной-электросети и в основном рассчитана на уровни напряжения 6, 10 и 35 кВ. Он подходит для сценариев централизованной компенсации реактивной мощности, таких как подстанции и общие понижающие-станции в промышленных парках, для решения проблемы нехватки реактивной мощности в сетях высокого-напряжения.

1.2 Классификация по сфере применения

В зависимости от объема и объектов компенсации TSC можно разделить на компенсацию нагрузки и централизованную компенсацию, которые имеют четкое разделение и взаимодополняющие приложения:

Компенсация нагрузки: Обеспечивает целевую динамическую компенсацию одной или группы конкретных переменных нагрузок (например, дуговых печей, преобразователей частоты, электросварочных аппаратов) для компенсации воздействия реактивной мощности, генерируемой нагрузками, в реальном времени, предотвращая влияние колебаний реактивной мощности на качество напряжения сети;

Централизованная компенсация: Установленный в узлах электроснабжения электросети (например, на сторонах шин подстанций), он осуществляет систематическую компенсацию реактивной мощности всей зоны электроснабжения, решая проблему общих колебаний реактивной мощности в сети, улучшая коэффициент мощности сети и уменьшая потери в линии.

2. Рабочие состояния и конструкция главной схемы TSC.

2.1 Рабочие состояния

TSC имеет только два рабочих состояния: включенное-состояние и выключенное-состояние, с четкими и контролируемыми механизмами работы для обоих состояний:

● Переключено-в состоянии.: Двунаправленный тиристор (или группа анти-параллельных тиристоров) проводит ток, а батарея конденсаторов плавно подключается к линии сети. TSC выводит емкостную реактивную мощность в сеть, компенсируя индуктивную реактивную мощность в сети и улучшая коэффициент мощности;

● Состояние «Выключено»-.: Двунаправленный тиристор (или группа анти-параллельных тиристоров) блокируется, отключая батарею конденсаторов от сети. В это время батарея конденсаторов сохраняет остаточное напряжение, близкое к пиковому напряжению сети, и ветвь TSC больше не выдает реактивную мощность в сеть. Для снятия остаточного напряжения необходимо использовать специальное разрядное устройство, чтобы обеспечить безопасность оборудования.

2.2 Основные требования к проектированию главной схемы

Конструкция главной схемы TSC должна отвечать трем основным требованиям: быстрая ступенчатая компенсация, подавление пускового тока и контроль гармоник. Ключевой технологией является обеспечение нулевого-пускового тока при переключении, избегая повреждения основных компонентов, таких как тиристоры и конденсаторы, вызванного пусковым током во время переключения.

В промышленных применениях обычным способом подключения TSC является анти-параллельное подключение тиристора (эквивалент двунаправленного тиристора), которое обеспечивает двунаправленную проводимость и блокировку в цепях переменного тока, адаптируясь к рабочим характеристикам мощности-частоты переменного тока. Напротив, режим тиристорного-диодного анти-параллельного подключения может управлять током только в одном направлении, что не соответствует обычным требованиям к переключению в сценариях переменного тока. Это не-основная структура, которая используется только в особых сценариях выпрямления и коммутации и не рекомендуется в качестве традиционной схемы подключения TSC.

3. Режимы проводки ядра и сравнение производительности TSC

В обычных системах TSC режим анти-параллельного тиристорного подключения является единственной основной схемой со следующими эксплуатационными характеристиками и мерами предосторожности:

● Рабочий механизм: Два анти-параллельных тиристора срабатывают попеременно для подключения и отключения компенсационной цепи, адаптируясь к рабочим требованиям положительного и отрицательного полупериода-периода мощности-частоты переменного тока;

● Надежность: Имеет высокую общую надежность. Однако следует отметить, что если один тиристор поврежден и короткозамкнут-, это вызовет полуволновую проводимость компенсационной ветви, генерируя постоянные компоненты и чрезмерный пусковой ток, что приведет к сгоранию конденсаторной батареи и других компонентов. Поэтому для практического применения необходимо сконфигурировать полные устройства обнаружения и защиты;

● Способность выдерживать обратное напряжение: Пиковое обратное напряжение, воспринимаемое тиристорным клапаном, равно пиковому напряжению сети после освобождения остаточного напряжения конденсатора, что соответствует требованиям выбора номинального напряжения для компонентов тиристора.

Не-основная тиристорная-диодная анти-параллельная структура отличается хорошей экономичностью и простотой эксплуатации, но она не может реализовать двунаправленное управление током, а ее скорость реакции не может удовлетворить требования динамической компенсации. Более того, пиковое обратное напряжение, создаваемое тиристорным вентилем, может в два раза превышать пиковое напряжение сети, что требует более тщательного выбора компонентов. Он применим только к особым сценариям с низкими требованиями и небольшой мощностью и не входит в категорию обычного проектирования TSC.

4. Выбор и назначение последовательных реакторов

В главной цепи TSC последовательные реакторы являются незаменимыми компонентами активной зоны. Их основные функции — ограничение пускового тока переключения, подавление гармоник высокого-порядка и ограничение тока короткого-замыкания, обеспечивая безопасную и стабильную работу системы.

4.1 Механизм последовательных реакторов

Аномальные условия, такие как ложное срабатывание тиристора и неисправности сети, могут вызвать мгновенный пусковой ток при включении батареи конденсаторов. Последовательные реакторы могут ограничивать амплитуду пускового тока за счет индуктивного сопротивления. Между тем, реакторы и батареи конденсаторов образуют схему LC-фильтра, которая может эффективно подавлять гармоники высокого-порядка в сети (особенно 3-ю и 5-ю гармоники), избегая повреждения компонентов, вызванного усилением гармоник.

Примечание. После подключения последовательных реакторов напряжение на конденсаторе увеличится из-за падения основного напряжения и эффектов усиления гармоник. Поэтому номинальное напряжение конденсатора должно быть выше напряжения сети. Например, для сетей 0,4кВ обычно выбирают конденсаторы с номинальным напряжением 450В, а для сетей 10кВ - конденсаторы с номинальным напряжением 11/√3кВ.

4.2 Типы и принципы выбора реакторов

В системах TSC используются два распространенных типа реакторов: реакторы с воздушной-активной зоной и реакторы с железной-активной зоной. Они имеют очевидные различия в характеристиках, и выбор должен определяться комплексно, исходя из экономической стоимости и технических требований:

● Реакторы с воздушной-активной зоной.: Они обладают превосходным токоограничивающим эффектом, высокой линейностью, не легко насыщаются или выделяют тепло в гармонических условиях и обладают высокой эксплуатационной стабильностью, но имеют высокую стоимость. Они подходят для высоко-систем TSC большой-мощности и сценариев с высокими требованиями к точности и стабильности компенсации;

● Реакторы с железным-сердечником.: Они имеют низкую стоимость и соответствуют обычным требованиям по ограничению тока, но имеют плохую линейность. Они склонны к насыщению и нагреву под воздействием гармоник, а их токоограничивающий эффект сильно зависит от условий работы. Они подходят для систем TSC низкого-напряжения, малой-мощности и сценариев со строгим контролем затрат.

5. Режимы подключения главной цепи TSC

В зависимости от режима соединения между тиристорными клапанами и батареями конденсаторов режимы подключения главной цепи TSC в основном включают трехфазное управляемое соединение треугольником и соединение звездой, каждый из которых имеет применимые сценарии. Не существует общепринятого «комбинированного соединения треугольником-звездой» (это комбинированное соединение является лишь теоретическим выводом и не применяется в промышленной практике):

● Соединение треугольником: В основном используется в системах TSC низкого-напряжения (например, 0,4 кВ), использующих трех-режим общей компенсации. Он имеет высокую эффективность компенсации и простую проводку, может эффективно компенсировать трехфазную несбалансированную реактивную мощность и подходит для компенсации реактивной мощности при конечных нагрузках;

● Соединение звездой: В основном используется в системах TSC высокого-напряжения (например, 6 кВ, 10 кВ, 35 кВ), обычно с незаземленной нейтралью. Он может предотвратить распространение однофазных замыканий, имеет высокую эксплуатационную безопасность и подходит для сценариев централизованной компенсации на подстанциях.

6. Управление пусковым током для переключения TSC

Учитывая основную характеристику конденсаторов, согласно которой «напряжение не может резко изменяться», большая разница между напряжением сети и остаточным напряжением конденсатора (включая амплитуду и фазу) во время переключения TSC приведет к возникновению мгновенного пускового тока, что ставит под угрозу безопасность компонентов. Таким образом, контроль пускового тока является основой управления коммутацией TSC.

● Стандарт оценки пускового тока: Общий инженерный стандарт заключается в том, что, когда отношение пускового тока к нормальному установившемуся рабочему току конденсатора в -состоянии менее 1,2–1,5 раз, он считается безвредным для тиристоров, конденсаторов и других компонентов. Если коэффициент превышает этот диапазон, необходимо оптимизировать стратегию управления переключением или добавить меры ограничения тока;

● Реализация нулевого-пускового переключения.: идеальное состояние переключения – это "переход-перехода через нуль". После остановки переключения конденсатор сохраняет пиковое напряжение сети. Тиристор срабатывает и проводит ток в точке перехода через нуль-, где напряжение сети и остаточное напряжение конденсатора равны по амплитуде и фазе, с пусковым током, близким к -нулю. Во время отключения тиристор блокируется в точке перехода тока через ноль, чтобы избежать перенапряжения.

7. Система обнаружения и контроля TSC.

Основная функция системы обнаружения TSC заключается в сборе соответствующих электрических параметров электросети и системы нагрузки в режиме реального времени, обеспечивая точную основу для управления переключением. В основном он состоит из модуля выборки фазы, модуля расчета среднеквадратичного напряжения и тока, а также модуля расчета реактивной мощности и реактивной мощности.

Передовые технологии управления в современных промышленных приложениях используют технологию синхронного управления фазой-на базе микрокомпьютеров и технологию адаптивного тиристорного запуска. Механизм работы таков: система обнаружения фиксирует информацию об амплитуде и фазе напряжения на конденсаторе и напряжении сети в режиме реального времени. Когда они равны по амплитуде и согласованы по фазе, тиристор срабатывает мгновенно, обеспечивая нулевой-пусковой режим переключения конденсатора. Во время отключения тиристор автоматически блокируется в точке перехода тока через ноль, без предварительной-зарядки конденсатора.

Важное примечание: Последовательные реакторы и специальные разрядные устройства (разрядные катушки или разрядные резисторы) являются важными компонентами систем TSC и не могут быть исключены. Последовательные реакторы используются для ограничения тока и подавления гармоник, а разрядные устройства снимают остаточное напряжение конденсатора после переключения, чтобы избежать потенциальных угроз безопасности, вызванных остаточным напряжением. Только TSC малой-емкости, низкого-напряжения может упростить разрядное устройство в конкретных условиях работы, в то время как TSC высокого-напряжения и большой-емкости должны быть оснащены полным набором токоограничивающих и разрядных компонентов.

8. Заключение

Являясь эффективным и быстрым устройством динамической компенсации реактивной мощности, TSC обладает основными преимуществами бесконтактного переключения, высокой скоростью отклика и надежной работой. Он может эффективно решить проблему колебаний реактивной мощности сети, улучшить качество напряжения сети и уменьшить потери в линии. Его ключевые технические моменты включают в себя контроль срабатывания при пересечении нуля-, подавление пускового тока, выбор реактора и адаптацию режима подключения. При практическом проектировании и применении необходимо строго соблюдать стандарты энергетической отрасли, избегать недоразумений при выборе компонентов и стратегии управления, а также обеспечивать безопасную, стабильную и эффективную работу системы.

Свяжитесь сейчас