Αρχή Εργασίας και Βασικές Τεχνολογίες του Thyristor Switched Capacitor (TSC)

Thyristor Switched Capacitor (TSC)είναι μια δυναμική συσκευή αντιστάθμισης άεργου ισχύος που βασίζεται στα χαρακτηριστικά ανεπαφικής μεταγωγής των θυρίστορ. Η βασική του αρχή είναι η γρήγορη και ομαλή εναλλαγή συστοιχιών πυκνωτών εντός ή εκτός του δικτύου ισχύος, χρησιμοποιώντας την ακριβή ικανότητα ενεργοποίησης μηδενικής-διασταύρωσης των θυρίστορ, πραγματοποιώντας δυναμική αντιστάθμιση για την άεργο ισχύ του δικτύου. Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς πυκνωτές με μηχανική μεταγωγή, το TSC έχει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως μεγάλη διάρκεια ζωής, ανεπαφική μεταγωγή, ισχυρή αντίσταση στη μηχανική καταπόνηση και γρήγορη δυναμική απόκριση. Επιπλέον, ελέγχοντας με ακρίβεια τη στιγμή μεταγωγής, μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά το ρεύμα εισροής κατά τη διαδικασία μεταγωγής, διασφαλίζοντας τη σταθερή λειτουργία του δικτύου ηλεκτροδότησης και του εξοπλισμού.

1. Ταξινόμηση TSC

1.1 Ταξινόμηση ανά επίπεδο τάσης

Σύμφωνα με το εφαρμοζόμενο επίπεδο τάσης, το TSC μπορεί να χωριστεί σε αντιστάθμιση χαμηλής-τάσης και αντιστάθμιση υψηλής-τάσης, σύμφωνα με τις γενικές προδιαγραφές για συσκευές αντιστάθμισης αέργου ισχύος στη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας:

Αντιστάθμιση χαμηλής-τάσης: Ισχύει κυρίως για δίκτυα διανομής χαμηλής-τάσης 0,4 kV (400 V), καλύπτοντας απαιτήσεις αντιστάθμισης άεργου ισχύος για επίπεδα τάσης από 1 kV και κάτω, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε πλευρές τελικού φορτίου, όπως βιομηχανικά εργαστήρια και εμπορικά κτίρια.

Αντιστάθμιση υψηλής-τάσης: Το σύστημα αντιστάθμισης συνδέεται απευθείας με το ηλεκτρικό δίκτυο υψηλής-τάσης, στοχεύοντας κυρίως σε επίπεδα τάσης 6kV, 10kV και 35kV. Είναι κατάλληλο για κεντρικά σενάρια αντιστάθμισης άεργου ισχύος, όπως υποσταθμοί και γενικοί σταθμοί αποβίβασης-κάτω σε βιομηχανικά πάρκα, για την επίλυση της έλλειψης άεργου ισχύος σε δίκτυα υψηλής{{6} τάσης.

1.2 Ταξινόμηση ανά Πεδίο Εφαρμογής

Με βάση το εύρος και τα αντικείμενα αντιστάθμισης, το TSC μπορεί να ταξινομηθεί σε αντιστάθμιση φορτίου και κεντρική αντιστάθμιση, που έχουν σαφείς διαιρέσεις και συμπληρωματικές εφαρμογές:

Αποζημίωση Φορτίου: Παρέχει στοχευμένη δυναμική αντιστάθμιση για μεμονωμένα ή μια ομάδα συγκεκριμένων κυμαινόμενων φορτίων (π.χ. φούρνοι ηλεκτρικού τόξου, μετατροπείς συχνότητας, ηλεκτρικές μηχανές συγκόλλησης) για την αντιστάθμιση των επιπτώσεων αέργου ισχύος που παράγονται από φορτία σε πραγματικό χρόνο, αποτρέποντας τις διακυμάνσεις της άεργου ισχύος να επηρεάσουν την ποιότητα της τάσης του δικτύου.

Κεντρική Αποζημίωση: Εγκατεστημένο σε κόμβους τροφοδοσίας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. πλευρές ζυγού υποσταθμού), πραγματοποιεί συστηματική αντιστάθμιση της άεργου ισχύος ολόκληρης της περιοχής τροφοδοσίας, λύνοντας το πρόβλημα της συνολικής διακύμανσης άεργου ισχύος στο δίκτυο, βελτιώνοντας τον συντελεστή ισχύος δικτύου και μειώνοντας τις απώλειες γραμμής.

2. Λειτουργικές καταστάσεις και Σχεδιασμός Κύριου Κυκλώματος του TSC

2.1 Λειτουργικά κράτη

Το TSC έχει μόνο δύο καταστάσεις λειτουργίας: απενεργοποιημένη-σε κατάσταση και απενεργοποιημένη-κατάσταση, με σαφείς και ελεγχόμενους μηχανισμούς λειτουργίας και για τις δύο καταστάσεις:

● Έγινε εναλλαγή-στην κατάσταση: Το αμφίδρομο θυρίστορ (ή αντι-ομάδα παράλληλου θυρίστορ) αγωγιάζει και η συστοιχία πυκνωτή συνδέεται ομαλά στη γραμμή δικτύου. Το TSC εξάγει χωρητική άεργο ισχύ στο δίκτυο, αντισταθμίζοντας την επαγωγική άεργο ισχύ στο δίκτυο και βελτιώνοντας τον συντελεστή ισχύος.

● Κατάσταση απενεργοποίησης-: Το αμφίδρομο θυρίστορ (ή αντι-ομάδα παράλληλων θυρίστορ) είναι μπλοκαρισμένο, αποσυνδέοντας τη συστοιχία πυκνωτών από το δίκτυο. Αυτή τη στιγμή, η συστοιχία πυκνωτών διατηρεί την υπολειπόμενη τάση κοντά στην τάση αιχμής του δικτύου και ο κλάδος TSC δεν εξάγει πλέον άεργο ισχύ στο δίκτυο. Πρέπει να χρησιμοποιηθεί ειδική συσκευή εκφόρτισης για την απελευθέρωση της υπολειπόμενης τάσης για να διασφαλιστεί η ασφάλεια του εξοπλισμού.

2.2 Βασικές Απαιτήσεις για Σχεδιασμό Κύριου Κυκλώματος

Ο σχεδιασμός του κύριου κυκλώματος TSC πρέπει να πληροί τρεις βασικές απαιτήσεις: βαθμιαία γρήγορη αντιστάθμιση, καταστολή ρεύματος εισροής και αρμονικός έλεγχος. Η βασική τεχνολογία είναι η επίτευξη μηδενικής-εναλλαγής ρεύματος εισόδου, αποφεύγοντας τη ζημιά σε εξαρτήματα του πυρήνα, όπως θυρίστορ και πυκνωτές που προκαλούνται από ρεύμα εισόδου κατά τη μεταγωγή.

Σε βιομηχανικές εφαρμογές, η κοινή λειτουργία καλωδίωσης του TSC είναι η αντι-καλωδίωση παράλληλου θυρίστορ (ισοδύναμη με ένα αμφίδρομο θυρίστορ), η οποία επιτρέπει αμφίδρομη αγωγιμότητα και μπλοκάρισμα σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος, προσαρμοσμένη στα χαρακτηριστικά λειτουργίας της ισχύος-εναλλασσόμενου ρεύματος συχνότητας. Αντίθετα, η λειτουργία παράλληλης καλωδίωσης-διόδου θυρίστορ-μπορεί να ελέγχει μόνο το ρεύμα προς μία κατεύθυνση, αποτυγχάνοντας να ικανοποιήσει τις κανονικές απαιτήσεις μεταγωγής σε σενάρια AC. Είναι μια μη-μη κύρια δομή, χρησιμοποιείται μόνο σε ειδικά σύνθετα σενάρια διόρθωσης και μεταγωγής και δεν συνιστάται ως συμβατικό σχήμα καλωδίωσης TSC.

3. Τρόποι καλωδίωσης πυρήνα και σύγκριση απόδοσης του TSC

Στα συμβατικά συστήματα TSC, η λειτουργία καλωδίωσης κατά του παράλληλου θυρίστορ είναι το μόνο βασικό σχήμα, με τα χαρακτηριστικά απόδοσης και τις προφυλάξεις του ως εξής:

● Μηχανισμός Λειτουργίας: Δύο αντι-παράλληλα θυρίστορ ενεργοποιούνται εναλλάξ για τη σύνδεση και την αποσύνδεση του κυκλώματος αντιστάθμισης, προσαρμόζοντας τις απαιτήσεις λειτουργίας του θετικού και του αρνητικού μισού-κύκλου ισχύος-συχνότητας εναλλασσόμενου ρεύματος.

● Αξιοπιστία: Έχει υψηλή συνολική αξιοπιστία. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι εάν ένα θυρίστορ είναι κατεστραμμένο και βραχυκυκλωμένο{-, θα προκαλέσει το μισό-κύμα αγωγιμότητας του κλάδου αντιστάθμισης, δημιουργώντας στοιχεία συνεχούς ρεύματος και υπερβολικό ρεύμα εισόδου, το οποίο θα κάψει τη συστοιχία πυκνωτή και άλλα εξαρτήματα. Επομένως, οι συσκευές πλήρους ανίχνευσης και προστασίας σφαλμάτων πρέπει να διαμορφωθούν σε πρακτικές εφαρμογές.

● Δυνατότητα αντίστροφης τάσης: Η μέγιστη αντίστροφη τάση που φέρει η βαλβίδα θυρίστορ είναι ίση με την τάση αιχμής του δικτύου μετά την απελευθέρωση της υπολειπόμενης τάσης του πυκνωτή, σύμφωνα με τις απαιτήσεις επιλογής ονομαστικής τάσης των εξαρτημάτων του θυρίστορ.

Η μη -κύρια παράλληλη δομή θυρίστορ-διόδου κατά-διαθέτει καλή οικονομία και απλή λειτουργία, αλλά δεν μπορεί να πραγματοποιήσει αμφίδρομο έλεγχο ρεύματος και η ταχύτητα απόκρισής της δεν μπορεί να καλύψει τις απαιτήσεις δυναμικής αντιστάθμισης. Επιπλέον, η μέγιστη αντίστροφη τάση που φέρει η βαλβίδα θυρίστορ μπορεί να φτάσει το διπλάσιο της μέγιστης τάσης δικτύου, απαιτώντας υψηλότερη επιλογή εξαρτημάτων. Ισχύει μόνο για ειδικά σενάρια με χαμηλές απαιτήσεις και μικρή χωρητικότητα και δεν περιλαμβάνεται στη συμβατική κατηγορία σχεδιασμού TSC.

4. Επιλογή και λειτουργία αντιδραστήρων σειράς

Στο κύριο κύκλωμα TSC, οι αντιδραστήρες σειράς είναι απαραίτητα στοιχεία πυρήνα. Οι βασικές τους λειτουργίες είναι ο περιορισμός του ρεύματος εισόδου μεταγωγής, η καταστολή αρμονικών υψηλής{1}}τάξης και ο περιορισμός του ρεύματος βραχυκυκλώματος-, διασφαλίζοντας την ασφαλή και σταθερή λειτουργία του συστήματος.

4.1 Μηχανισμός αντιδραστήρων σειράς

Μη φυσιολογικές συνθήκες, όπως εσφαλμένη ενεργοποίηση θυρίστορ και σφάλματα δικτύου, μπορεί να προκαλέσουν στιγμιαίο ρεύμα εισόδου όταν είναι ενεργοποιημένη η συστοιχία πυκνωτών. Οι αντιδραστήρες σειράς μπορούν να περιορίσουν το εύρος του ρεύματος εισόδου μέσω επαγωγικής αντίστασης. Εν τω μεταξύ, οι αντιδραστήρες και οι συστοιχίες πυκνωτών σχηματίζουν ένα κύκλωμα φίλτρου LC, το οποίο μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά τις αρμονικές υψηλής-τάξης στο πλέγμα (ειδικά την 3η και την 5η αρμονική), αποφεύγοντας τη ζημιά των εξαρτημάτων που προκαλείται από την αρμονική ενίσχυση.

Σημείωση: Μετά τη σύνδεση των αντιδραστήρων σειράς, η τάση κατά μήκος του πυκνωτή θα αυξηθεί λόγω θεμελιωδών φαινομένων πτώσης τάσης και αρμονικής ενίσχυσης. Επομένως, η ονομαστική τάση του πυκνωτή πρέπει να είναι υψηλότερη από την τάση του δικτύου. Για παράδειγμα, πυκνωτές με ονομαστική τάση 450 V επιλέγονται συνήθως για δίκτυα 0,4 kV και πυκνωτές με ονομαστική τάση 11/√3 kV για δίκτυα 10 kV.

4.2 Τύποι και αρχές επιλογής αντιδραστήρων

Δύο συνηθισμένοι τύποι αντιδραστήρων χρησιμοποιούνται στα συστήματα TSC: αντιδραστήρες-πυρήνα αέρα και αντιδραστήρες πυρήνα σιδήρου-. Έχουν προφανείς διαφορές απόδοσης και η επιλογή θα πρέπει να καθορίζεται πλήρως με βάση το οικονομικό κόστος και τις τεχνικές απαιτήσεις:

● Αντιδραστήρες-πυρήνα αέρα: Έχουν εξαιρετικό περιοριστικό αποτέλεσμα ρεύματος, υψηλή γραμμικότητα, δεν είναι εύκολο να κορεστούν ή να παράγουν θερμότητα υπό αρμονικές συνθήκες και έχουν ισχυρή λειτουργική σταθερότητα, αλλά με υψηλό κόστος. Είναι κατάλληλα για συστήματα TSC υψηλής-τάσης,-μεγάλης χωρητικότητας και σενάρια με υψηλές απαιτήσεις για ακρίβεια και σταθερότητα αντιστάθμισης.

● Αντιδραστήρες-σιδηρού πυρήνα: Έχουν χαμηλό κόστος και πληρούν τις συμβατικές απαιτήσεις περιορισμού ρεύματος, αλλά κακή γραμμικότητα. Είναι επιρρεπείς σε κορεσμό και θέρμανση υπό αρμονικές επιδράσεις και η τρέχουσα περιοριστική τους επίδραση επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες εργασίας. Είναι κατάλληλα για συστήματα TSC χαμηλής-τάσης, μικρής- χωρητικότητας και σενάρια με αυστηρό έλεγχο κόστους.

5. Τρόποι καλωδίωσης κύριου κυκλώματος του TSC

Σύμφωνα με τον τρόπο σύνδεσης μεταξύ βαλβίδων θυρίστορ και συστοιχιών πυκνωτών, οι λειτουργίες καλωδίωσης του κύριου κυκλώματος του TSC περιλαμβάνουν κυρίως τρι-ελεγχόμενη σύνδεση δέλτα και σύνδεση αστέρα, καθεμία με τα κατάλληλα σενάρια. Δεν υπάρχει mainstream "συνδυασμένη σύνδεση δέλτα-αστέρων" (αυτή η συνδυασμένη σύνδεση είναι μόνο θεωρητική προέλευση και δεν εφαρμόζεται στη βιομηχανική πρακτική):

● Σύνδεση Δέλτα: Χρησιμοποιείται κυρίως σε συστήματα TSC χαμηλής-τάσης (π.χ. 0,4 kV), υιοθετώντας τη λειτουργία κοινής αντιστάθμισης τριών- φάσεων. Έχει υψηλή απόδοση αντιστάθμισης και απλή καλωδίωση, μπορεί να αντισταθμίσει αποτελεσματικά την τρι-μη ισορροπημένη άεργο ισχύ τριών φάσεων και είναι κατάλληλο για αντιστάθμιση άεργου ισχύος στα τελικά φορτία.

● Star Connection: Χρησιμοποιείται κυρίως σε συστήματα TSC υψηλής-τάσης (π.χ. 6kV, 10kV, 35kV), συνήθως με μη γειωμένο ουδέτερο σημείο. Μπορεί να αποτρέψει την εξάπλωση μονοφασικών-βλαβών, έχει υψηλή λειτουργική ασφάλεια και είναι κατάλληλο για σενάρια κεντρικής αντιστάθμισης υποσταθμού.

6. Έλεγχος εισροής ρεύματος για μεταγωγή TSC

Με βάση το βασικό χαρακτηριστικό των πυκνωτών ότι "η τάση δεν μπορεί να αλλάξει απότομα", μια μεγάλη διαφορά μεταξύ της τάσης δικτύου και της υπολειπόμενης τάσης του πυκνωτή (συμπεριλαμβανομένου του πλάτους και της φάσης) κατά τη διάρκεια της μεταγωγής TSC θα δημιουργήσει στιγμιαίο ρεύμα εισόδου, απειλώντας την ασφάλεια των εξαρτημάτων. Έτσι, ο έλεγχος ρεύματος εισόδου είναι ο πυρήνας του ελέγχου μεταγωγής TSC.

● Inrush Current Judgment Standard: Το γενικό πρότυπο μηχανικής είναι ότι όταν ο λόγος του ρεύματος εισόδου προς το κανονικό ρεύμα λειτουργίας σταθερής-κατάστασης του πυκνωτή είναι μικρότερο από 1,2 έως 1,5 φορές, θεωρείται αβλαβές για τα θυρίστορ, τους πυκνωτές και άλλα εξαρτήματα. Εάν ο λόγος υπερβαίνει αυτό το εύρος, η στρατηγική ελέγχου μεταγωγής πρέπει να βελτιστοποιηθεί ή να προστεθούν τρέχοντα περιοριστικά μέτρα.

● Μηδενική-Εφαρμογή Inrush Switching: Η ιδανική κατάσταση μεταγωγής είναι "μηδενική-έναρξη διέλευσης". Μετά τη διακοπή της μεταγωγής, ο πυκνωτής διατηρεί την τάση αιχμής του δικτύου. Το θυρίστορ ενεργοποιείται και διεξάγεται στο μηδενικό-σημείο διέλευσης όπου η τάση δικτύου και η υπολειπόμενη τάση του πυκνωτή είναι ίσα σε πλάτος και φάση, με σχεδόν-μηδενικό ρεύμα εισόδου. Κατά την απενεργοποίηση, το θυρίστορ μπλοκάρεται στο τρέχον μηδενικό σημείο διέλευσης για να αποφευχθεί η υπέρταση.

7. Σύστημα ανίχνευσης και ελέγχου TSC

Η βασική λειτουργία του συστήματος ανίχνευσης TSC είναι να συλλέγει σχετικές ηλεκτρικές παραμέτρους του δικτύου ισχύος και του συστήματος φορτίου σε πραγματικό χρόνο, παρέχοντας ακριβή βάση για τον έλεγχο μεταγωγής. Αποτελείται κυρίως από μια μονάδα δειγματοληψίας φάσης, μια μονάδα υπολογισμού τάσης και ρεύματος RMS και μια μονάδα υπολογισμού ζήτησης άεργου ισχύος και άεργου ισχύος.

Οι προηγμένες τεχνολογίες ελέγχου στις τρέχουσες βιομηχανικές εφαρμογές υιοθετούν την τεχνολογία σύγχρονου ελέγχου φάσης βάσει μικροϋπολογιστών- και την τεχνολογία ενεργοποίησης προσαρμοστικού θυρίστορ. Ο μηχανισμός λειτουργίας είναι: το σύστημα ανίχνευσης συλλαμβάνει τις πληροφορίες πλάτους και φάσης της τάσης κατά μήκος του πυκνωτή και της τάσης του δικτύου σε πραγματικό χρόνο. Όταν τα δύο είναι ίσα σε πλάτος και σταθερά στη φάση, το θυρίστορ ενεργοποιείται αμέσως για να επιτευχθεί μηδενική-εναλλαγή εισόδου του πυκνωτή. Κατά την απενεργοποίηση, το θυρίστορ μπλοκάρεται αυτόματα στο τρέχον μηδενικό-σημείο διέλευσης, χωρίς προ-φόρτιση του πυκνωτή.

Σημαντική σημείωση: Οι αντιδραστήρες σειράς και οι ειδικές συσκευές εκφόρτισης (πηνία εκφόρτισης ή αντιστάσεις εκκένωσης) είναι βασικά εξαρτήματα στα συστήματα TSC και δεν μπορούν να παραληφθούν. Οι αντιδραστήρες σειράς χρησιμοποιούνται για περιορισμό ρεύματος και καταστολή αρμονικών και οι συσκευές εκφόρτισης απελευθερώνουν την υπολειπόμενη τάση του πυκνωτή μετά τη μεταγωγή για να αποφευχθούν πιθανοί κίνδυνοι ασφάλειας που προκαλούνται από την υπολειπόμενη τάση. Μόνο το TSC μικρής-χαμηλής-τάσης χωρητικότητας μπορεί να απλοποιήσει τη συσκευή εκφόρτισης υπό συγκεκριμένες συνθήκες εργασίας, ενώ το TSC υψηλής{4}τάσης και μεγάλης- χωρητικότητας πρέπει να είναι εξοπλισμένο με πλήρη εξαρτήματα περιορισμού και εκφόρτισης ρεύματος.

8. Συμπέρασμα

Ως αποτελεσματική και γρήγορη δυναμική συσκευή αντιστάθμισης άεργου ισχύος, το TSC έχει βασικά πλεονεκτήματα της ανεπαφικής μεταγωγής, της γρήγορης ταχύτητας απόκρισης και της αξιόπιστης λειτουργίας. Μπορεί να λύσει αποτελεσματικά το πρόβλημα της διακύμανσης της άεργης ισχύος του δικτύου, να βελτιώσει την ποιότητα της τάσης του δικτύου και να μειώσει την απώλεια γραμμής. Στα βασικά τεχνικά του σημεία περιλαμβάνονται-έλεγχος ενεργοποίησης μηδενικής διέλευσης, καταστολή ρεύματος εισβολής, επιλογή αντιδραστήρα και προσαρμογή λειτουργίας καλωδίωσης. Στον πρακτικό σχεδιασμό και την εφαρμογή, είναι απαραίτητο να τηρούνται αυστηρά τα πρότυπα της βιομηχανίας ηλεκτρικής ενέργειας, να αποφεύγονται παρεξηγήσεις στις στρατηγικές επιλογής και ελέγχου εξαρτημάτων και να διασφαλίζεται η ασφαλής, σταθερή και αποτελεσματική λειτουργία του συστήματος.

Επικοινωνήστε τώρα