TCR+TSF混合無功補(bǔ)償應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

　　針對(duì)目前煤礦供電系統(tǒng)中非線性負(fù)荷無功消耗大，諧波污染嚴(yán)重的問題，該文介紹了一種混合型無功補(bǔ)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(shí)間，最后通過MATLAB對(duì)該方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)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(bǔ)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(duì)系統(tǒng)的影響很小，因此，這次方案主要實(shí)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(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(yīng)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(bǔ)償裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 TCR+TSF補(bǔ)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(bǔ)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(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償，然后通過調(diào)節(jié)TCR支路的無功功率來補(bǔ)償部分過補(bǔ)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(huì)輸出最大的容性無功 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(tǒng)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)的接線方式實(shí)現(xiàn)控制。TSF支路的工作方式是：晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，二極管先導(dǎo)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(shí)系統(tǒng)電壓的變化率為零，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)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(shí)，電容器兩端電壓已經(jīng)和系統(tǒng)電壓相同到達(dá)了峰值。因此，晶閘管導(dǎo)通后，不會(huì)出現(xiàn)電容充放電振蕩現(xiàn)象，實(shí)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(shí)的電流沖擊和對(duì)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(hù)等幾個(gè)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(yùn)算速度快、精度高的特點(diǎn)，保證了信號(hào)的實(shí)時(shí)性和運(yùn)算的準(zhǔn)確性。此外，編寫控制算法，由DSP實(shí)現(xiàn)，確定出應(yīng)當(dāng)輸出的TCR相位信號(hào)和TSF投切指令，送到各自獨(dú)立的觸發(fā)板，并根據(jù)DSP主控制板同步信號(hào)產(chǎn)生給TCR和TSF的觸發(fā)脈沖信號(hào)。

　　控制器可分為3個(gè)部分的電路：電網(wǎng)信號(hào)檢測電路、控制電路和TSF過零觸發(fā)電路。電網(wǎng)信號(hào)檢測電路采集電網(wǎng)中電壓和電流信號(hào)，通過計(jì)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(bǔ)償?shù)臒o功功率值，投入對(duì)應(yīng)的TSF支路，再計(jì)算系統(tǒng)容性無功功率，通過控制TCR觸發(fā)延遲角α實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平滑調(diào)節(jié)無功功率的目的，最終在補(bǔ)償無功功率的同時(shí)達(dá)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(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(hào)來判斷電壓過零點(diǎn)，由軟件算法實(shí)現(xiàn)。每一個(gè)周期采樣128個(gè)點(diǎn)（根據(jù)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(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，找出峰值點(diǎn)（即晶閘管電壓過零點(diǎn)），投切適當(dāng)組態(tài)的TSF支路。整個(gè)過程可分為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(yīng)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(jù)電網(wǎng)頻率的變動(dòng)，來相應(yīng)地改變采樣間隔，這樣才能做到等間隔的采樣和準(zhǔn)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(diào)整，可先測得電網(wǎng)信號(hào)周期，然后根據(jù)每周期采樣點(diǎn)數(shù)N，計(jì)算出每次采樣間隔Ts，以Ts作為采樣步長，完成等時(shí)間間隔采樣。為實(shí)現(xiàn)這一過程，經(jīng)過零檢測電路將電壓采樣信號(hào)整形成方波，送到TMS320F2812(＄16.0312)的捕獲引腳CAP1，捕獲單元1對(duì)方波的上升沿進(jìn)行捕獲，通過測量兩次跳變的時(shí)間間隔即可獲得信號(hào)周期T，從而得到信號(hào)頻率。設(shè)采樣點(diǎn)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(hào)進(jìn)行128倍頻形成的高頻脈沖列作為ADC啟動(dòng)信號(hào)，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(shí)際上是一個(gè)由LM339(＄0.0760)組成的電壓比較器，當(dāng)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(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓頻率的實(shí)時(shí)跟蹤。通過對(duì)128個(gè)采樣點(diǎn)的計(jì)算比較，找出其中的最大值點(diǎn)，即為系統(tǒng)信號(hào)峰值點(diǎn)，在峰值點(diǎn)投切適當(dāng)組態(tài)的TSF支路。每過一個(gè)基頻周期在峰值點(diǎn)投切時(shí)，再根據(jù)電網(wǎng)電壓頻率值對(duì)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(duì)TCR+TSF型混合無功補(bǔ)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(shí)具有 TCR和 TSF的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償和諧波抑制的功能，解決電壓波動(dòng)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(bǔ)償及濾波方案能夠滿足礦井提升機(jī)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(yīng)用前景。