一種新型濾波補(bǔ)償裝置在380V低壓系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要：分析了TCR、TSF裝置的原理和特點(diǎn)，對(duì)基于TCR-TSF的濾波補(bǔ)償裝置進(jìn)行了研究。首先用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq同步坐標(biāo)變換法的計(jì)算方法來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)電壓、電流、有功和無(wú)功功率，然后分析了TSF投切策略和TCR控制角計(jì)算方法及控制方案。

關(guān)鍵詞：諧波抑制;無(wú)功補(bǔ)償;晶閘管控制電抗器;晶閘管投切濾波器;dq轉(zhuǎn)換法

0? ? 引言

電能是一種非常高效、清潔的能源，它已成為人們生產(chǎn)和生活中不可或缺的一部分。但近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的大容量非線性負(fù)荷開(kāi)始在生產(chǎn)、生活中廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致諧波污染、電壓不平衡等一系列問(wèn)題相繼發(fā)生[1]，嚴(yán)重降低了電能的正弦度，影響了電能質(zhì)量。

通常來(lái)說(shuō)，我們會(huì)為電力系統(tǒng)配置低壓晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactors，TCR）與固定電容器（Fixed Capacitor，F(xiàn)C）互相配合操作的設(shè)備（簡(jiǎn)稱TCR-FC）以及晶閘管投切濾波器（Thyristor Switched Filters，TSF）來(lái)解決此類質(zhì)量問(wèn)題[2]。但這類濾波補(bǔ)償裝置也有一定局限性，例如TCR裝置成本高，本身也會(huì)產(chǎn)生少量的諧波電流，裝置容量和損耗比較大;TSF不能平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功容量，輸出容量有限。在本文中，我們將通過(guò)搭建TCR與TSF混合使用的設(shè)備，來(lái)克服上述缺點(diǎn)并發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)，這類設(shè)備被叫作TCR-TSF型濾波補(bǔ)償裝置。

本文將使用以瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq同步坐標(biāo)變換法為基礎(chǔ)的計(jì)算方式來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電壓、電流、有功和無(wú)功功率，分析了TSF投切策略和TCR控制角計(jì)算方法及控制方案。利用TCR-TSF型濾波補(bǔ)償裝置改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，能有效減少供電系統(tǒng)的無(wú)功功率損耗，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。

1? ? TCR-TSF型濾波補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)

首先搭建TCR-TSF系統(tǒng)模型，TCR-TSF型濾波補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由N組TSF支路及一組TCR支路組成[3]。

2? ? TCR-TSF濾波補(bǔ)償裝置的工作原理

在TCR中，控制器會(huì)綜合考慮配電系統(tǒng)電路中的相關(guān)參數(shù)，如電流i、電壓u，這些量的考察是為了計(jì)算α（觸發(fā)延遲角），之后利用α來(lái)調(diào)節(jié)改變電流（相控電抗器中），該操作的目的是平滑調(diào)節(jié)無(wú)功功率。TCR的晶閘管導(dǎo)通角為2（π-α），無(wú)功功率QTCR的計(jì)算公式為[4]：

2.1? ? TCR-TSF濾波補(bǔ)償裝置諧波抑制機(jī)理

圖2為某供電系統(tǒng)的諧波分析模型。ZLtcr表示供電系統(tǒng)的TCR阻抗，Zf表示TSF濾波阻抗，系統(tǒng)阻抗用ZS表示，Ush表示諧波電壓源，用戶諧波源用Ih表示，PCC表示用戶公共連接點(diǎn)（即諧波電流考核點(diǎn)），其中TCR-TSF型濾波裝置的阻抗由ZLtcr、Zf構(gòu)成[4]，用戶供電系統(tǒng)諧波則由Ush、Zs構(gòu)成。

根據(jù)α=180°，ZLtcr=0，按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到TCR在支路輸出的無(wú)功容量為0;公式（3）中不包括ZLtcr，在公式（2）～（4）中，若得到Zfn=Zf，則可以認(rèn)為TCR-TSF型濾波補(bǔ)償裝置中只有幾組TSF支路投入運(yùn)行。

TSF型濾波補(bǔ)償裝置中吸收諧波電流較大。當(dāng)α=90°時(shí)，ZLtcr計(jì)算得到的數(shù)值是最大的，這時(shí)濾波補(bǔ)償裝置吸收諧波電流的效果也是最為理想的。綜上所述，TCR-TSF型濾波裝置在諧波抑制方面的效果比TSF裝置要好很多。

2.2? ? TCR-TSF濾波補(bǔ)償裝置的基本控制原理

圖3為TCR-TSF型濾波補(bǔ)償裝置的基本控制原理圖，總的來(lái)說(shuō)其有以下3個(gè)功能[5]：

（1）系統(tǒng)無(wú)功功率的計(jì)算：該步驟是依據(jù)檢測(cè)到的系統(tǒng)內(nèi)變量，先計(jì)算出TSF支路投入所需要的組數(shù)，進(jìn)而推算出系統(tǒng)的無(wú)功功率。投切順序是先投入TSFl，然后依次投入TSF2、TSF3…TSFn，切除時(shí)則順序相反。

（2）TSF在投入時(shí)的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程中所需最小。

（3）通常情況下，可以改變控制來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲角的觸發(fā)操作，從而進(jìn)一步完成對(duì)TCR輸出無(wú)功功率動(dòng)態(tài)水平的調(diào)節(jié)，最終讓功率因數(shù)維持一個(gè)比較高的水平。

3? ? 系統(tǒng)變量的檢測(cè)和控制策略

3.1? ? 系統(tǒng)變量的檢測(cè)

一般供電系統(tǒng)中的負(fù)荷為動(dòng)態(tài)非線性負(fù)荷，三相電壓不對(duì)稱，電壓波形畸變率高，為了減少這些對(duì)系統(tǒng)變量檢測(cè)的影響，我們?cè)趯?duì)電路中的相關(guān)量進(jìn)行計(jì)算和檢測(cè)時(shí)將采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq同步坐標(biāo)變換法，該理論也將被用于TCR-TSF濾波補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)。

3.2? ? TCR-TSF濾波補(bǔ)償裝置的控制策略

如圖4所示，采用開(kāi)環(huán)和閉環(huán)相互結(jié)合的控制方式。模擬信號(hào)由采樣得到，系統(tǒng)中電流、電壓和功率的有效值則利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算得出，得到的理論值再與TSF支路中的實(shí)際容量進(jìn)行比較。TCR觸發(fā)延遲角利用非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，最后發(fā)出TCR觸發(fā)信號(hào)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文分析了TCR、TSF的基本電路和控制原理，利用它們的特性搭建TCR-TSF型濾波補(bǔ)償系統(tǒng)模型，其兼具TCR裝置和TSF裝置各自的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償性能。

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收稿日期：2020-03-09

作者簡(jiǎn)介：尹文俊（1988—），男，廣東廣州人，碩士，電氣工程師，主要從事供配電設(shè)計(jì)和諧波治理工作。