TCR+TSF混合無(wú)功補償應用方案設計

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

　　TCR+TSF方案的總體結構和工作原理

　　TCR+TSF裝置是一種特殊的TCR+TSC型混合靜止無(wú)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的影響很小，因此，這次方案主要實(shí)現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，根據系統不同的無(wú)功狀況，投切不同組態(tài)的TSF支路。需要注意的是：若有多個(gè)TSF支路進(jìn)行投切時(shí)，必須由低次向高次依次投入，而在切除時(shí)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，這樣可以保證系統無(wú)功功率的平滑調節。圖1所示是TCR+TSF補償裝置的總體結構圖。

　　圖1 TCR+TSF補償裝置的總體結構

　　TCR+TSF裝置的基本工作原理是：首先根據系統需要補償的無(wú)功功率量，投入一定數量的TSF支路，由于投入的TSF支路容量一定，可能會(huì )出現過(guò)補償，然后通過(guò)調節TCR支路的無(wú)功功率來(lái)補償部分過(guò)補償的容性無(wú)功功率。如果斷開(kāi)TCR支路僅投入所有TSF支路，裝置會(huì )輸出最大的容性無(wú)功 QCmax；而如果僅僅投入TCR支路（=0），裝置會(huì )輸出最大的感性無(wú)功功率QLmax。

　　在TSF支路中，一般采用兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管和系統相連，但是這樣會(huì )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(gè)晶閘管和一個(gè)二極管反向并聯(lián)的接線(xiàn)方式實(shí)現控制。TSF支路的工作方式是：晶閘管未導通時(shí)，二極管先導通，系統給電容器充電，理想情況是電容器兩端電壓充電到系統峰值電壓，此時(shí)系統電壓的變化率為零，觸發(fā)晶閘管導通，TSF支路開(kāi)始工作［8］。從上面的分析可以看出，投入TSF支路時(shí)，電容器兩端電壓已經(jīng)和系統電壓相同到達了峰值。因此，晶閘管導通后，不會(huì )出現電容充放電振蕩現象，實(shí)現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(guò)零觸發(fā)，盡量減小投切TSF支路時(shí)的電流沖擊和對煤礦供電系統的影響。

　　TCR+TSF方案的控制系統

　　控制系統可以分為操作和顯示界面、狀態(tài)監測、控制器和保護等幾個(gè)部分。其中，控制器是控制系統的核心?？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(diǎn)，保證了信號的實(shí)時(shí)性和運算的準確性。此外，編寫(xiě)控制算法，由DSP實(shí)現，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(gè)部分的電路：電網(wǎng)信號檢測電路、控制電路和TSF過(guò)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(guò)計算快速檢測出煤礦供電系統無(wú)功功率的變化，根據需要補償的無(wú)功功率值，投入對應的TSF支路，再計算系統容性無(wú)功功率，通過(guò)控制TCR觸發(fā)延遲角α實(shí)現動(dòng)態(tài)平滑調節無(wú)功功率的目的，最終在補償無(wú)功功率的同時(shí)達到濾除諧波的效果。圖2所示是控制系統結構圖。

　　圖2 TCR+TSF控制系統結構圖

　　TSF支路投切時(shí)間分析

　　TSF支路投切的關(guān)鍵在于晶閘管觸發(fā)時(shí)刻的選取，研究表明，TSF支路最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻。TSF支路要求在晶閘管電壓過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)，在這里采用實(shí)時(shí)從電網(wǎng)電壓取得同步信號來(lái)判斷電壓過(guò)零點(diǎn)，由軟件算法實(shí)現。每一個(gè)周期采樣128個(gè)點(diǎn)（根據DSP處理器的定時(shí)器產(chǎn)生采樣周期，每個(gè)周期為156.25μs，即采樣頻率是6.4kHz），對采樣信號進(jìn)行計算，找出峰值點(diǎn)（即晶閘管電壓過(guò)零點(diǎn)），投切適當組態(tài)的TSF支路。整個(gè)過(guò)程可分為2部分：電網(wǎng)電壓頻率的檢測和峰值點(diǎn)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(shí)際電網(wǎng)頻率波動(dòng)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(shí)際情況中，頻率不可能保持在50Hz，因此需要根據電網(wǎng)頻率的變動(dòng)，來(lái)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(dòng)而實(shí)時(shí)調整，可先測得電網(wǎng)信號周期，然后根據每周期采樣點(diǎn)數N，計算出每次采樣間隔Ts，以Ts作為采樣步長(cháng)，完成等時(shí)間間隔采樣。為實(shí)現這一過(guò)程，經(jīng)過(guò)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(jìn)行捕獲，通過(guò)測量?jì)纱翁兊臅r(shí)間間隔即可獲得信號周期T，從而得到信號頻率。設采樣點(diǎn)數為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(jìn)行128倍頻形成的高頻脈沖列作為ADC啟動(dòng)信號，以使得采樣數據更為精確。圖3所示是過(guò)零檢測電路。

　　圖3 過(guò)零檢測電路

　　它實(shí)際上是一個(gè)由LM339(＄0.0760)組成的電壓比較器，當供電電壓為3.3V時(shí)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(shí)現對電網(wǎng)電壓頻率的實(shí)時(shí)跟蹤。通過(guò)對128個(gè)采樣點(diǎn)的計算比較，找出其中的最大值點(diǎn)，即為系統信號峰值點(diǎn)，在峰值點(diǎn)投切適當組態(tài)的TSF支路。每過(guò)一個(gè)基頻周期在峰值點(diǎn)投切時(shí)，再根據電網(wǎng)電壓頻率值對峰值點(diǎn)進(jìn)行修正，這樣可以保證投切峰值點(diǎn)和電網(wǎng)電壓一直保持同步。

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