TCR+TSF混合无功补偿应用方案设计

　　针对目前煤矿供电系统中非线性负荷无功消耗大，谐波污染严重的问题，该文介绍了一种混合型无功补偿及滤波方案TCR+TSF，分析了该方案的原理结构、工作方式和控制系统，此外还讨论了TSF支路的投切时间，最后通过MATLAB对该方案进行仿真，仿真结果验证了方案的有效性。

　　TCR+TSF方案的总体结构和工作原理

　　TCR+TSF装置是一种特殊的TCR+TSC型混合静止无功补偿器，它一般由一组相控电抗器和几组滤波支路组成，为了使3次谐波不流入电网，TCR支路和TSF支路均采用三角形连接。它所产生的谐波次数包括5，7，11，13，…，在一般的电路中，11次以上的谐波含量对系统的影响很小，因此，这次方案主要实现5次，7次，11次谐波的滤除。在此，我们把滤波器分为：两组5次TSF支路，一组7次TSF支路，一组11次TSF支路，根据系统不同的无功状况，投切不同组态的TSF支路。需要注意的是：若有多个TSF支路进行投切时，必须由低次向高次依次投入，而在切除时刚好相反，必须由高次向低次依次切除。另外，TCR支路的容量应该稍大于TSF支路的容量，这样可以保证系统无功功率的平滑调节。图1所示是TCR+TSF补偿装置的总体结构图。

　　

　　图1 TCR+TSF补偿装置的总体结构

　　TCR+TSF装置的基本工作原理是：首先根据系统需要补偿的无功功率量，投入一定数量的TSF支路，由于投入的TSF支路容量一定，可能会出现过补偿，然后通过调节TCR支路的无功功率来补偿部分过补偿的容性无功功率。如果断开TCR支路仅投入所有TSF支路，装置会输出最大的容性无功 QCmax；而如果仅仅投入TCR支路（=0），装置会输出最大的感性无功功率QLmax。

　　在TSF支路中，一般采用两个反向并联的晶闸管和系统相连，但是这样会限制滤波器快速频繁地投切。考虑操作和成本的因素，本文方案采用一个晶闸管和一个二极管反向并联的接线方式实现控制。TSF支路的工作方式是：晶闸管未导通时，二极管先导通，系统给电容器充电，理想情况是电容器两端电压充电到系统峰值电压，此时系统电压的变化率为零，触发晶闸管导通，TSF支路开始工作［8］。从上面的分析可以看出，投入TSF支路时，电容器两端电压已经和系统电压相同到达了峰值。因此，晶闸管导通后，不会出现电容充放电振荡现象，实现滤波支路的快速投入和切除。TSF支路采用三角形连接方式，晶闸管采用过零触发，尽量减小投切TSF支路时的电流冲击和对煤矿供电系统的影响。

　　TCR+TSF方案的控制系统

　　控制系统可以分为操作和显示界面、状态监测、控制器和保护等几个部分。其中，控制器是控制系统的核心。控制器选用DSP作为主控芯片，采用TI DSP 2812，利用DSP运算速度快、精度高的特点，保证了信号的实时性和运算的准确性。此外，编写控制算法，由DSP实现，确定出应当输出的TCR相位信号和TSF投切指令，送到各自独立的触发板，并根据DSP主控制板同步信号产生给TCR和TSF的触发脉冲信号。

　　控制器可分为3个部分的电路：电网信号检测电路、控制电路和TSF过零触发电路。电网信号检测电路采集电网中电压和电流信号，通过计算快速检测出煤矿供电系统无功功率的变化，根据需要补偿的无功功率值，投入对应的TSF支路，再计算系统容性无功功率，通过控制TCR触发延迟角α实现动态平滑调节无功功率的目的，最终在补偿无功功率的同时达到滤除谐波的效果。图2所示是控制系统结构图。

　　

　　图2 TCR+TSF控制系统结构图

　　TSF支路投切时间分析

　　TSF支路投切的关键在于晶闸管触发时刻的选取，研究表明，TSF支路最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻。TSF支路要求在晶闸管电压过零点触发，在这里采用实时从电网电压取得同步信号来判断电压过零点，由软件算法实现。每一个周期采样128个点（根据DSP处理器的定时器产生采样周期，每个周期为156.25μs，即采样频率是6.4kHz），对采样信号进行计算，找出峰值点（即晶闸管电压过零点），投切适当组态的TSF支路。整个过程可分为2部分：电网电压频率的检测和峰值点的捕捉。

　　检测电网电压频率是为了保持和电网电压同步，减少实际电网频率波动引起的非同步采样产生的分析误差。在三相电路中，基波的频率应该为50Hz，但在实际情况中，频率不可能保持在50Hz，因此需要根据电网频率的变动，来相应地改变采样间隔，这样才能做到等间隔的采样和准确的测量［9］。要使采样间隔随电网频率的变动而实时调整，可先测得电网信号周期，然后根据每周期采样点数N，计算出每次采样间隔Ts，以Ts作为采样步长，完成等时间间隔采样。为实现这一过程，经过零检测电路将电压采样信号整形成方波，送到TMS320F2812的捕获引脚CAP1，捕获单元1对方波的上升沿进行捕获，通过测量两次跳变的时间间隔即可获得信号周期T，从而得到信号频率。设采样点数为N，可得采样间隔，以Ts作为下一周期的采样间隔，完成跟踪采样。此外，将信号进行128倍频形成的高频脉冲列作为ADC启动信号，以使得采样数据更为精确。图3所示是过零检测电路。

　　

　　图3 过零检测电路

　　它实际上是一个由LM339组成的电压比较器，当供电电压为3.3V时能输出0～3.3V的同步方波，该方波连接DSP的CAP1引脚，经捕捉模块1处理可实现对电网电压频率的实时跟踪。通过对128个采样点的计算比较，找出其中的最大值点，即为系统信号峰值点，在峰值点投切适当组态的TSF支路。每过一个基频周期在峰值点投切时，再根据电网电压频率值对峰值点进行修正，这样可以保证投切峰值点和电网电压一直保持同步。

　　本文对TCR+TSF型混合无功补偿及滤波方案的结构、工作原理和控制系统做了介绍，TCR+TSF同时具有 TCR和 TSF的优点，能够有效地实现无功补偿和谐波抑制的功能，解决电压波动和谐波电流大的问题，是一种比较理想的改善煤矿供电系统电能质量的方案。仿真结果表明，TCR+TSF型混合无功补偿及滤波方案能够满足矿井提升机的无功需求，有效抑制谐波，提高了电网功率因数，在煤矿供电系统中有广阔的应用前景。