TCR+TSF混合無功補償應用方案設(shè)計

　　針對目前煤礦供電系統(tǒng)中非線性負荷無功消耗大，諧波污染嚴重的問題，該文介紹了一種混合型無功補償及濾波方案TCR+TSF，分析了該方案的原理結(jié)構(gòu)、工作方式和控制系統(tǒng)，此外還討論了TSF支路的投切時間，最后通過MATLAB對該方案進行仿真，仿真結(jié)果驗證了方案的有效性。

　　TCR+TSF方案的總體結(jié)構(gòu)和工作原理

　　TCR+TSF裝置是一種特殊的TCR+TSC型混合靜止無功補償器，它一般由一組相控電抗器和幾組濾波支路組成，為了使3次諧波不流入電網(wǎng)，TCR支路和TSF支路均采用三角形連接。它所產(chǎn)生的諧波次數(shù)包括5，7，11，13，…，在一般的電路中，11次以上的諧波含量對系統(tǒng)的影響很小，因此，這次方案主要實現(xiàn)5次，7次，11次諧波的濾除。在此，我們把濾波器分為：兩組5次TSF支路，一組7次TSF支路，一組11次TSF支路，根據(jù)系統(tǒng)不同的無功狀況，投切不同組態(tài)的TSF支路。需要注意的是：若有多個TSF支路進行投切時，必須由低次向高次依次投入，而在切除時剛好相反，必須由高次向低次依次切除。另外，TCR支路的容量應該稍大于TSF支路的容量，這樣可以保證系統(tǒng)無功功率的平滑調(diào)節(jié)。圖1所示是TCR+TSF補償裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 TCR+TSF補償裝置的總體結(jié)構(gòu)

　　TCR+TSF裝置的基本工作原理是：首先根據(jù)系統(tǒng)需要補償?shù)臒o功功率量，投入一定數(shù)量的TSF支路，由于投入的TSF支路容量一定，可能會出現(xiàn)過補償，然后通過調(diào)節(jié)TCR支路的無功功率來補償部分過補償?shù)娜菪詿o功功率。如果斷開TCR支路僅投入所有TSF支路，裝置會輸出最大的容性無功 QCmax；而如果僅僅投入TCR支路（=0），裝置會輸出最大的感性無功功率QLmax。

　　在TSF支路中，一般采用兩個反向并聯(lián)的晶閘管和系統(tǒng)相連，但是這樣會限制濾波器快速頻繁地投切?？紤]操作和成本的因素，本文方案采用一個晶閘管和一個二極管反向并聯(lián)的接線方式實現(xiàn)控制。TSF支路的工作方式是：晶閘管未導通時，二極管先導通，系統(tǒng)給電容器充電，理想情況是電容器兩端電壓充電到系統(tǒng)峰值電壓，此時系統(tǒng)電壓的變化率為零，觸發(fā)晶閘管導通，TSF支路開始工作［8］。從上面的分析可以看出，投入TSF支路時，電容器兩端電壓已經(jīng)和系統(tǒng)電壓相同到達了峰值。因此，晶閘管導通后，不會出現(xiàn)電容充放電振蕩現(xiàn)象，實現(xiàn)濾波支路的快速投入和切除。TSF支路采用三角形連接方式，晶閘管采用過零觸發(fā)，盡量減小投切TSF支路時的電流沖擊和對煤礦供電系統(tǒng)的影響。

　　TCR+TSF方案的控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)可以分為操作和顯示界面、狀態(tài)監(jiān)測、控制器和保護等幾個部分。其中，控制器是控制系統(tǒng)的核心?？刂破鬟x用DSP作為主控芯片，采用TI DSP 2812，利用DSP運算速度快、精度高的特點，保證了信號的實時性和運算的準確性。此外，編寫控制算法，由DSP實現(xiàn)，確定出應當輸出的TCR相位信號和TSF投切指令，送到各自獨立的觸發(fā)板，并根據(jù)DSP主控制板同步信號產(chǎn)生給TCR和TSF的觸發(fā)脈沖信號。

　　控制器可分為3個部分的電路：電網(wǎng)信號檢測電路、控制電路和TSF過零觸發(fā)電路。電網(wǎng)信號檢測電路采集電網(wǎng)中電壓和電流信號，通過計算快速檢測出煤礦供電系統(tǒng)無功功率的變化，根據(jù)需要補償?shù)臒o功功率值，投入對應的TSF支路，再計算系統(tǒng)容性無功功率，通過控制TCR觸發(fā)延遲角α實現(xiàn)動態(tài)平滑調(diào)節(jié)無功功率的目的，最終在補償無功功率的同時達到濾除諧波的效果。圖2所示是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　圖2 TCR+TSF控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　TSF支路投切時間分析

　　TSF支路投切的關(guān)鍵在于晶閘管觸發(fā)時刻的選取，研究表明，TSF支路最佳投切時間是晶閘管兩端的電壓為零的時刻。TSF支路要求在晶閘管電壓過零點觸發(fā)，在這里采用實時從電網(wǎng)電壓取得同步信號來判斷電壓過零點，由軟件算法實現(xiàn)。每一個周期采樣128個點（根據(jù)DSP處理器的定時器產(chǎn)生采樣周期，每個周期為156.25μs，即采樣頻率是6.4kHz），對采樣信號進行計算，找出峰值點（即晶閘管電壓過零點），投切適當組態(tài)的TSF支路。整個過程可分為2部分：電網(wǎng)電壓頻率的檢測和峰值點的捕捉。

　　檢測電網(wǎng)電壓頻率是為了保持和電網(wǎng)電壓同步，減少實際電網(wǎng)頻率波動引起的非同步采樣產(chǎn)生的分析誤差。在三相電路中，基波的頻率應該為50Hz，但在實際情況中，頻率不可能保持在50Hz，因此需要根據(jù)電網(wǎng)頻率的變動，來相應地改變采樣間隔，這樣才能做到等間隔的采樣和準確的測量［9］。要使采樣間隔隨電網(wǎng)頻率的變動而實時調(diào)整，可先測得電網(wǎng)信號周期，然后根據(jù)每周期采樣點數(shù)N，計算出每次采樣間隔Ts，以Ts作為采樣步長，完成等時間間隔采樣。為實現(xiàn)這一過程，經(jīng)過零檢測電路將電壓采樣信號整形成方波，送到TMS320F2812(＄16.0312)的捕獲引腳CAP1，捕獲單元1對方波的上升沿進行捕獲，通過測量兩次跳變的時間間隔即可獲得信號周期T，從而得到信號頻率。設(shè)采樣點數(shù)為N，可得采樣間隔，以Ts作為下一周期的采樣間隔，完成跟蹤采樣。此外，將信號進行128倍頻形成的高頻脈沖列作為ADC啟動信號，以使得采樣數(shù)據(jù)更為精確。圖3所示是過零檢測電路。

　　圖3 過零檢測電路

　　它實際上是一個由LM339(＄0.0760)組成的電壓比較器，當供電電壓為3.3V時能輸出0～3.3V的同步方波，該方波連接DSP的CAP1引腳，經(jīng)捕捉模塊1處理可實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓頻率的實時跟蹤。通過對128個采樣點的計算比較，找出其中的最大值點，即為系統(tǒng)信號峰值點，在峰值點投切適當組態(tài)的TSF支路。每過一個基頻周期在峰值點投切時，再根據(jù)電網(wǎng)電壓頻率值對峰值點進行修正，這樣可以保證投切峰值點和電網(wǎng)電壓一直保持同步。

　　本文對TCR+TSF型混合無功補償及濾波方案的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制系統(tǒng)做了介紹，TCR+TSF同時具有 TCR和 TSF的優(yōu)點，能夠有效地實現(xiàn)無功補償和諧波抑制的功能，解決電壓波動和諧波電流大的問題，是一種比較理想的改善煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的方案。仿真結(jié)果表明，TCR+TSF型混合無功補償及濾波方案能夠滿足礦井提升機的無功需求，有效抑制諧波，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，在煤礦供電系統(tǒng)中有廣闊的應用前景。