基于MATLAB的无功补偿电容器投切在矿井应用的研究

马 诚（西安工程大学 电子信息学院,西安 710048）

基于MATLAB的无功补偿电容器投切在矿井应用的研究

马 诚
（西安工程大学 电子信息学院,西安 710048）

摘 要：本文通过晶闸管投切电容器组进行无功补偿，利用MATLAB 的 Simulink 模块搭建仿真模型，从投切时刻、分组投切、以及带残压投入的情况进行了仿真，设置了合理的投切时刻，得到了不同投切时刻电容器组的电压和电流波形，得到了最佳投切时刻。

关键词：无功补偿；晶闸管；电容器组

0 前言

随着煤矿大功率运输设备与采煤机组数量的增加，大功率高性能开关器件的出现，由此带来的冲击、功率因数低、谐波含量高的问题更加严重.矿井大型设备多、负荷重，往往位于矿井用电的末端，正常运行时，存在着电压质量低，网损较大，运行不经济的问题。所以对含有大功率用电设备的供电线路实施就地的无功补偿是十分必要的。

1　 无功功率补偿的原理及方法

无功功率补偿是把感性功率的负荷与容性功率负荷并联在同一电路。当容性装置释放能量时，感性负荷吸收能量；当感性负荷释放能量时，容性装置吸收能量，能量在两种负荷之间相互交换，在电气设备中建立和维持磁场的电功率。系统的无功功率是由阻感性负载产生的，这增加了设备容量以及输电线路和变压器的损耗，无功功率对电网会产生一定的不良影响，它会降低发电机有功功率的输出、使电压降低、会造成线路损耗的增加、会使功率因数降低，从而导致用电效率低下，直接影响自动化设备的正常运行。

电网的无功补偿容量不是随意的，要根据电网的实际情况来定，确定无功补偿容量最直接的方法就是从提高功率因数的需要来确定补偿容量。假设线路有功功率为P1，补偿前的功率因数为cosφ1，补偿后的功率因数为cosφ2，则补偿容量可以用下述公式计算:

上式中Qc表示线路中需要的补偿容量。

目前无功补偿主要为采用静止无功补偿器，主要包括：磁阈控制电抗型无功补偿器--MCR；晶闸管控制电抗型无功补偿器--TCR、晶闸管投切电容型无功补偿器--TSC。

TSC型无功补偿装置，通过晶闸管分组投切电容器进行无功功率的补偿，有可靠性高、损耗小、结构简单等特点，目前被大范围使用。

2　 TSC无功补偿的原理

晶闸管投切电容器由一对相反极性的晶闸管与电容器及电抗器串联而成。其原理图及工作特性曲线如图1所示。

用晶闸管投切电容器组时，通常在晶闸管两端电压过零点作为晶闸管的触发时刻，大大降低了合闸过电压和合闸涌流。在晶闸管两端电压为零时给予晶闸管触发脉冲，使其导通，投入电容器组电容；脉冲停止，晶闸管在电流过零时自然关断，电容器被切除。

TSC无功补偿结构原理图如图2示，工作原理为：首先采集电网的电流和电压值，并计算出有功功率、无功功率及功率因数，根据之前设定的值发出投切信号，通过晶闸管投切电容器向电网注入无功功率，达到补偿目的。

3　TSC系统仿真

仿真原理图如3所示，设置系统参数为：电源线电压380V，频率50HZ，三相负载有功功率为30kW，三相负载无功功率为22.5kVar，功率因数为0.8，补偿电容为4.932e-4F，串联小电阻为1Ω 。

设置导通时刻晶闸管的参数为：

A相： t=0.015s时刻触发晶闸管 1， t=0.01s时刻触发晶闸管 2，A相导通。

B相： t=0.02167s时刻触发晶闸管 3， t=0.01667s时刻触发晶闸管4， B相导通。

C相： t=0.02833s时刻触发晶闸管 5， t=0.02333s时刻触发晶闸管 6，C相导通。仿真波形图如图4、图5所示。

在晶闸管两端电压为零时进行电容器投切，虽然存在涌流，但涌流值很小，而且电容器电流波形畸变也非常小，电流与电压的突变都很小，证明了在晶闸管两端的电压过零时刻进行投切是可以大大减小冲击电流的，既验证了此种方法的可行性。

4　 结论

过零点投切电容器装置具有优良的补偿性能, 适合在矿井这种冲击性负荷多的场所使用, 能稳定系统电压, 提高功率因数，减少能耗。传统的机械投切产生了过电压和高频涌流，随着电力电子技术和控制技术的飞速发展，出现了更多补偿效果好、结构简单的方法，有效的提高了电容器组投切的稳定性、安全性，同时提高了设备使用寿命。

参考文献：

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作者介绍：马诚（1988-）男，硕士研究生，助教，研究方向：矿井安全。