Arbeidsprinsipp og nøkkelteknologier for Thyristor Switched Capacitor (TSC)

Tyristor Switched Capacitor (TSC)er en dynamisk reaktiv effektkompensasjonsenhet basert på de kontaktløse svitsjekarakteristikkene til tyristorer. Dens kjerneprinsipp er å raskt og jevnt bytte kondensatorbanker inn i eller ut av strømnettet ved å bruke den nøyaktige null-utløsningsevnen til tyristorer, og realisere dynamisk kompensasjon for nettreaktiv effekt. Sammenlignet med tradisjonelle mekanisk svitsjede kondensatorer har TSC betydelige fordeler som lang levetid, kontaktløs svitsjing, sterk motstand mot mekanisk påkjenning og rask dynamisk respons. I tillegg, ved nøyaktig å kontrollere koblingsøyeblikket, kan det effektivt undertrykke startstrøm under svitsjeprosessen, og sikre stabil drift av strømnettet og utstyret.

1. Klassifisering av TSC

1.1 Klassifisering etter spenningsnivå

I henhold til påført spenningsnivå kan TSC deles inn i lav-spenningskompensasjon og høy-spenningskompensasjon, i tråd med generelle spesifikasjoner for enheter for reaktiv effektkompensasjon i kraftindustrien:

Kompensasjon for lav-spenning: Hovedsakelig anvendelig for 0,4kV (400V) lavspentdistribusjonsnettverk, som dekker krav til reaktiv effektkompensasjon for spenningsnivåer på 1kV og lavere, for det meste brukt på ende-lastsider som industriverksteder og kommersielle bygninger;

Høy-kompensasjon: Kompensasjonssystemet er direkte koblet til-høyspentnettet, hovedsakelig rettet mot spenningsnivåer på 6kV, 10kV og 35kV. Den er egnet for sentraliserte kompensasjonsscenarier for reaktiv effekt som understasjoner og generelle nedtrappingsstasjoner i industriparker for å løse mangelen på reaktiv kraft i høyspentnett.

1.2 Klassifisering etter søknadsomfang

Basert på kompensasjonsomfanget og -objektene kan TSC klassifiseres i lastkompensasjon og sentralisert kompensasjon, som har klare inndelinger og komplementære applikasjoner:

Lastkompensasjon: Gir målrettet dynamisk kompensasjon for enkelt eller en gruppe spesifikke svingende belastninger (f.eks. elektriske lysbueovner, frekvensomformere, elektriske sveisemaskiner) for å kompensere for reaktiv effekt generert av belastninger i sanntid, og forhindrer reaktiv effektsvingninger fra å påvirke nettspenningskvaliteten;

Sentralisert kompensasjon: Installert ved strømforsyningsknutepunkter i strømnettet (f.eks. strømforsyningsskinnesider), utfører den systematisk kompensasjon for reaktiv effekt av hele strømforsyningsområdet, og løser problemet med generelle reaktive effektsvingninger i nettet, forbedrer netteffektfaktoren og reduserer linjetap.

2. Driftstilstander og hovedkretsdesign av TSC

2.1 Driftsstater

TSC har bare to driftstilstander: slått-i tilstand og slått-ut tilstand, med klare og kontrollerbare arbeidsmekanismer for begge tilstander:

● Byttet-i tilstand: Den toveis tyristor (eller anti-parallell tyristorgruppe) leder, og kondensatorbanken er jevnt koblet til nettlinjen. TSC gir ut kapasitiv reaktiv effekt til nettet, utligner induktiv reaktiv effekt i nettet og forbedrer effektfaktoren;

● Utkoblet-tilstand: Den toveis tyristor (eller anti-parallell tyristorgruppe) er blokkert, og kobler kondensatorbanken fra nettet. På dette tidspunktet beholder kondensatorbanken restspenning nær toppnettspenningen, og TSC-grenen gir ikke lenger reaktiv effekt til nettet. En spesiell utladningsanordning må brukes for å frigjøre restspenningen for å sikre utstyrets sikkerhet.

2.2 Kjernekrav for hovedkretsdesign

TSC-hovedkretsdesignet må oppfylle tre kjernekrav: trinnvis rask kompensasjon, undertrykkelse av startstrøm og harmonisk kontroll. Nøkkelteknologien er å oppnå null-startstrømsvitsjing, og unngå skade på kjernekomponenter som tyristorer og kondensatorer forårsaket av startstrøm under svitsjing.

I industrielle applikasjoner er den vanlige ledningsmodusen til TSC anti-parallell tyristorkabling (tilsvarer en toveis tyristor), som muliggjør toveis ledning og blokkering i AC-kretser, tilpasset driftskarakteristikkene til strøm-frekvensvekselstrøm. I motsetning til dette kan tyristor-diode anti-parallell ledningsmodus bare kontrollere strømmen i én retning, og oppfyller ikke normale svitsjekrav i AC-scenarier. Det er en ikke-mainstream-struktur, kun brukt i spesielle utbedrings- og byttesammensatte scenarier, og anbefales ikke som et konvensjonelt TSC-ledningsskjema.

3. Kjerneledningsmoduser og ytelsessammenligning av TSC

I konvensjonelle TSC-systemer er den anti-parallelle tyristorkablingsmodusen den eneste vanlige ordningen, med ytelsesegenskaper og forholdsregler som følger:

● Arbeidsmekanisme: To anti-parallelle tyristorer utløses vekselvis for å koble til og fra kompensasjonskretsen, tilpasset de positive og negative halv{1}}syklusdriftskravene til strøm-frekvens vekselstrøm;

● Pålitelighet: Den har høy generell pålitelighet. Det skal imidlertid bemerkes at hvis en tyristor er skadet og kortsluttet, vil det forårsake halv-ledning av kompensasjonsgrenen, generere likestrømskomponenter og overdreven startstrøm, som vil brenne ut kondensatorbanken og andre komponenter. Derfor må komplette feildeteksjons- og beskyttelsesenheter konfigureres i praktiske applikasjoner;

● Motstandsevne for omvendt spenning: Den maksimale reversspenningen som bæres av tyristorventilen er lik toppnettspenningen etter at restspenningen til kondensatoren er utløst, og samsvarer med kravene til merkespenningsvalg for tyristorkomponenter.

Den ikke-mainstream tyristor-diode anti-parallelle strukturen har god økonomi og enkel drift, men den kan ikke realisere toveis strømkontroll, og responshastigheten kan ikke møte dynamiske kompensasjonskrav. Dessuten kan toppreversspenningen som bæres av tyristorventilen nå dobbelt så høy nettspenning, noe som krever høyere komponentvalg. Det gjelder kun for spesielle scenarier med lave krav og liten kapasitet, og er ikke inkludert i den konvensjonelle TSC-designkategorien.

4. Valg og funksjon av seriereaktorer

I TSC-hovedkretsen er seriereaktorer uunnværlige kjernekomponenter. Deres kjernefunksjoner er å begrense innkoblingsstrøm, undertrykke harmoniske av høy-orden og begrense kortslutningsstrøm, for å sikre sikker og stabil drift av systemet.

4.1 Mekanisme av seriereaktorer

Unormale forhold som falsk utløsning av tyristor og nettfeil kan forårsake øyeblikkelig innkoblingsstrøm når kondensatorbanken er slått på. Seriereaktorer kan begrense amplituden til startstrømmen gjennom induktiv impedans. I mellomtiden danner reaktorer og kondensatorbanker en LC-filterkrets, som effektivt kan undertrykke høy-overtoner i nettet (spesielt 3. og 5. harmoniske), og unngå komponentskade forårsaket av harmonisk forsterkning.

Merk: Etter tilkobling av seriereaktorer vil spenningen over kondensatoren øke på grunn av fundamentalt spenningsfall og harmoniske forsterkningseffekter. Derfor må merkespenningen til kondensatoren være høyere enn nettspenningen. For eksempel velges kondensatorer med en merkespenning på 450V vanligvis for 0,4kV-nett, og kondensatorer med en merkespenning på 11/√3 kV for 10kV-nett.

4.2 Typer og utvalgsprinsipper for reaktorer

To vanlige typer reaktorer brukes i TSC-systemer: luft-kjernereaktorer og jern-kjernereaktorer. De har åpenbare ytelsesforskjeller, og utvalget bør bestemmes grundig basert på økonomiske kostnader og tekniske krav:

● Luft-kjernereaktorer: De har utmerket strømbegrensende effekt, høy linearitet, er ikke enkle å mette eller generere varme under harmoniske forhold, og har sterk driftsstabilitet, men med høye kostnader. De er egnet for høy-, TSC-systemer med stor-kapasitet og scenarier med høye krav til kompensasjonsnøyaktighet og stabilitet;

● Jern-kjernereaktorer: De har lave kostnader og oppfyller konvensjonelle strømbegrensningskrav, men dårlig linearitet. De er utsatt for metning og oppvarming under harmoniske effekter, og deres strømbegrensende effekt er sterkt påvirket av arbeidsforholdene. De er egnet for lav-TSC-systemer med liten-kapasitet og scenarier med streng kostnadskontroll.

5. Hovedkretsledningsmoduser for TSC

I henhold til koblingsmodusen mellom tyristorventiler og kondensatorbanker, inkluderer hovedkretsledningsmodusene til TSC hovedsakelig tre-fasekontrollert deltakobling og stjernekobling, hver med aktuelle scenarier. Det er ingen mainstream "delta-kombinert stjerneforbindelse" (denne kombinerte forbindelsen er kun teoretisk utledning og ikke brukt i industriell praksis):

● Delta-tilkobling: Brukes hovedsakelig i lavspente TSC-systemer (f.eks. 0,4kV), og bruker tre-vanlig kompensasjonsmodus. Den har høy kompensasjonseffektivitet og enkel kabling, kan effektivt kompensere tre-fase ubalansert reaktiv effekt, og er egnet for reaktiv effektkompensasjon ved endebelastninger;

● Stjernetilkobling: Brukes hovedsakelig i høyspennings-TSC-systemer (f.eks. 6kV, 10kV, 35kV), vanligvis med ujordet nøytralpunkt. Den kan forhindre spredning av enfasefeil, har høy driftssikkerhet og er egnet for sentraliserte kompensasjonsscenarier.

6. Innkoblingsstrømkontroll for TSC-svitsjing

Basert på kjernekarakteristikken til kondensatorer at "spenning ikke kan endres brått", vil en stor forskjell mellom nettspenning og kondensatorrestspenning (inkludert amplitude og fase) under TSC-svitsjing generere øyeblikkelig innkoblingsstrøm, noe som truer komponentsikkerheten. Dermed er innkoblingsstrømkontroll kjernen i TSC-svitsjekontroll.

● Inrush Current Judgment Standard: Den generelle ingeniørstandarden er at når forholdet mellom innkoblingsstrøm og normal stabil-driftsstrøm til kondensatoren er mindre enn 1,2 til 1,5 ganger, anses den som ufarlig for tyristorer, kondensatorer og andre komponenter. Hvis forholdet overskrider dette området, må svitsjekontrollstrategien optimaliseres eller gjeldende begrensende tiltak legges til;

● Null-Implementering av Inrush Switching: Den ideelle vekslingstilstanden er «null-kryssingsutløsning». Etter koblingsstopp beholder kondensatoren toppnettspenningen. Tyristoren utløses og ledes ved null-kryssningspunktet der nettspenningen og kondensatorrestspenningen er like i amplitude og fase, med nesten-null startstrøm. Under utkobling blokkeres tyristoren ved gjeldende null-krysspunkt for å unngå overspenning.

7. TSC-deteksjons- og kontrollsystem

Kjernefunksjonen til TSC-deteksjonssystemet er å samle inn relevante elektriske parametere for strømnettet og belastningssystemet i sanntid, og gir nøyaktig grunnlag for svitsjekontroll. Den består hovedsakelig av en fasesamplingsmodul, en spennings- og strøm RMS-beregningsmodul, og en reaktiv effektbehov og reaktiv effektberegningsmodul.

Avanserte kontrollteknologier i nåværende industrielle applikasjoner tar i bruk mikrodatamaskinbasert-synkron fasekontrollteknologi og adaptiv tyristorutløsende teknologi. Arbeidsmekanismen er: deteksjonssystemet fanger opp amplitude- og faseinformasjonen til spenningen over kondensatoren og nettspenningen i sanntid. Når de to er like i amplitude og konsistente i fase, utløses tyristoren øyeblikkelig for å oppnå null-inrush-svitsjing av kondensatoren. Under utkobling blokkeres tyristoren automatisk ved det nåværende null-krysspunktet, uten å forhåndslade kondensatoren.

Viktig merknad: Seriereaktorer og spesielle utladningsenheter (utladningsspoler eller utladningsmotstander) er essensielle komponenter i TSC-systemer og kan ikke utelates. Seriereaktorer brukes til strømbegrensning og harmonisk undertrykkelse, og utladingsenheter frigjør kondensatorrestspenning etter bytte for å unngå potensielle sikkerhetsfarer forårsaket av restspenning. Bare TSC med liten-kapasitet og lav-spenning kan forenkle utladningsenheten under spesifikke arbeidsforhold, mens TSC med høy-spenning og stor-kapasitet må være utstyrt med komplette strømbegrensnings- og utladningskomponenter.

8. Konklusjon

Som en effektiv og rask dynamisk reaktiv effektkompensasjonsenhet har TSC kjernefordeler med kontaktløs svitsjing, rask responshastighet og pålitelig drift. Det kan effektivt løse problemet med fluktuasjoner av reaktiv kraft i nettet, forbedre nettspenningskvaliteten og redusere linjetap. De viktigste tekniske punktene inkluderer null-utløsningskontroll, undertrykkelse av startstrøm, valg av reaktor og tilpasning av ledningsmodus. Ved praktisk design og anvendelse er det nødvendig å følge strengt standarder for kraftindustrien, unngå misforståelser i komponentvalg og kontrollstrategier, og sikre sikker, stabil og effektiv drift av systemet.

Ta kontakt nå