徐順剛 王 華

（江蘇省淮安供電公司，江蘇 淮安 223300）

基于FBD算法的動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐順剛 王 華

（江蘇省淮安供電公司，江蘇 淮安 223300）

電力電子技術(shù)的發(fā)展為電網(wǎng)動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償提供了技術(shù)手段，晶閘管投切的補(bǔ)償裝置（Thyristor Switched Compensator，TSC）是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償?shù)某Ｓ迷O(shè)備。本文采用基于FBD算法的無(wú)功電流快速檢測(cè)與控制方法設(shè)計(jì)了一種新型的TSC裝置，并結(jié)合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求對(duì)主要元器件的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，文章結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)方案對(duì)配電網(wǎng)中動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法進(jìn)行了論述，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的濾波補(bǔ)償系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

FBD算法；動(dòng)態(tài)濾波無(wú)功補(bǔ)償；系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)；諧波抑制

1 引言

由于諸如變頻調(diào)速、中頻爐、電弧爐等大功率非線性負(fù)載在工業(yè)、交通等領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用，這些裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)較低、諧波污染嚴(yán)重等電能質(zhì)量的問題[1-2]，惡化電網(wǎng)供電質(zhì)量，導(dǎo)致原有的并聯(lián)電容器組與電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生諧振，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此必須要采用相應(yīng)的濾波補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制的系統(tǒng)解決。

目前電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償中最常見的補(bǔ)償設(shè)備是晶閘管投切電容器（TSC），它主要由固定電容（FC）補(bǔ)償演變而來(lái)，屬于并聯(lián)型補(bǔ)償設(shè)備，是靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）的一個(gè)分支[3-4]。TSC通過給系統(tǒng)注入超前的容性無(wú)功電流來(lái)平衡系統(tǒng)中存在的感性無(wú)功電流，從而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹SC的典型裝置通常由兩大部分組成：一部分為TSC主電路，它包括晶閘管閥（若干組）、補(bǔ)償電容器（同樣分成若干組）及阻尼電抗器；另一部分為TSC控制系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)、參數(shù)運(yùn)算、投切控制、觸發(fā)控制4個(gè)環(huán)節(jié)組成。通過TSC控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的電壓/電流參數(shù)的測(cè)量計(jì)算，調(diào)節(jié) TSC裝置的投切路數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)的無(wú)功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償與濾波功能的綜合實(shí)現(xiàn)可以將傳統(tǒng)的TSC主電路中阻尼電抗器更換為相應(yīng)電抗參數(shù)的濾波電抗器，從而與電容構(gòu)成相應(yīng)的濾波支路以實(shí)現(xiàn)諧波抑制與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)木C合功能。

圖1為TSC系統(tǒng)的原理圖。從圖1可知，TSC系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)快速投切控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)波動(dòng)的無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，必須要對(duì)TSC的檢測(cè)控制算法進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)無(wú)功電流發(fā)生波動(dòng)時(shí)就可以通過晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償[5][6]。因此TSC的快速檢測(cè)控制算法是決定補(bǔ)償濾波裝置工作性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前主要是采用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流的快速檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)TSC的快速控制。隨著瞬時(shí)無(wú)功理論、Fryze功率理論的研究與具體應(yīng)用，可以為TSC的快速控制提供相應(yīng)的理論支撐。本文主要采用基于Fryze功率理論的FBD算法對(duì)TSC系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并結(jié)合仿真與實(shí)際應(yīng)用加以分析。

圖1 TSC裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于Fryze理論的無(wú)功電流快速檢測(cè)算法

1979年，M. Depenbrock提出一種適合于各種需要的功率分析方法。這種方法基于Fryze于1932年提出的功率理論和其后F. Buchholz做出的改進(jìn)，因此被稱為 FBD法[7]。該方法可以實(shí)現(xiàn)將電壓或電流分成有功分量和剩余總的無(wú)功分量?jī)刹糠郑⒖梢詮碾妷夯螂娏鞯目偟臒o(wú)功分量中分離出任意特殊無(wú)功分量。本文采用FBD法對(duì)無(wú)功電流進(jìn)行快速檢測(cè)。

設(shè)三相電壓經(jīng)過鎖相環(huán)（PLL）后并經(jīng)過移相90°后的參考電壓為不失一般性，設(shè)電流包含正序、負(fù)序和零序，分別用下標(biāo)+、-、0表示。

由式（2）可知：其三相瞬時(shí)等效無(wú)功電導(dǎo)只包括兩部分組成，其中經(jīng)過計(jì)算后原來(lái)電流中正序分量的頻率被降低，而負(fù)序分量的頻率被升高，其經(jīng)過低通濾波器（LPF）后得到其直流量為

于是由上述分析可知，針對(duì)無(wú)功電流，可以采用上述的檢測(cè)方法快速準(zhǔn)確的得到負(fù)載基波正序的無(wú)功電導(dǎo)，然后通過快速控制方法來(lái)對(duì)TSC裝置進(jìn)行快速的投切控制。

3 TSC裝置快速控制算法設(shè)計(jì)

3.1 TSC裝置無(wú)功變化判定

為了有效地區(qū)分負(fù)載無(wú)功電流的變化，采用本文所提出的基于 Fryze功率理論的無(wú)功電流快速檢測(cè)算法，將第n基頻周期的第k點(diǎn)負(fù)載等效無(wú)功電導(dǎo)Gn(k)和第n-1基頻周期對(duì)應(yīng)的第k點(diǎn)負(fù)載等效無(wú)功電導(dǎo)Gn-1(k)作比較。

當(dāng)A大于一設(shè)定值時(shí)，即可確定系統(tǒng)中的無(wú)功電流發(fā)生突變，TSC裝置應(yīng)該啟動(dòng)相應(yīng)的判定程序，根據(jù)無(wú)功電流的大小及時(shí)對(duì)晶閘管投切濾波器組進(jìn)行投入或切除的控制，以改變相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

3.2 TSC裝置快速控制算法的實(shí)現(xiàn)

通過上面的分析，本文設(shè)計(jì)了一種TSC裝置快速控制方法，該控制方法以無(wú)功電流的突變作為判定動(dòng)作的起動(dòng)條件，當(dāng)計(jì)算到無(wú)功電流的變化劇烈時(shí)啟動(dòng)控制邏輯判定，然后以電壓波動(dòng)及電壓波動(dòng)的變化率為變量，通過模糊推理來(lái)判定無(wú)功波動(dòng)的發(fā)生情況，同時(shí)決定TSC補(bǔ)償裝置中晶閘管投切電容器組投入的數(shù)量，從而對(duì)無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，該控制方法的流程如圖2所示。

圖2 控制算法框圖

4 配電網(wǎng)中動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行濾波補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)必須要按照補(bǔ)償方式，濾波補(bǔ)償系統(tǒng)的主接線形式及投切要求進(jìn)行系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和電能質(zhì)量的綜合治理[8]。

動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償方式分為三相電容補(bǔ)償和分相電容補(bǔ)償、共分混合補(bǔ)償。根據(jù)電網(wǎng)中濾波補(bǔ)償要求的不同，動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)的主接線主要有以下幾種形式：星形有中線、星形無(wú)中線、角外接法、角內(nèi)接法，其中前兩者統(tǒng)稱為星形接法，如圖3所示。

圖3 TSC的主接線形式

在三相供電系統(tǒng)中，低壓配電網(wǎng)TSC裝置一般選擇三角形接法。在對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后結(jié)合具體的負(fù)載性質(zhì)要考慮所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償系統(tǒng)是否要考慮濾波功能的實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的濾波配置原則如下。

（1）根據(jù)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的要求, 必須對(duì)各種非線性負(fù)載注入電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流加以限制。當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生諧波或供電系統(tǒng)中存在諧波且超標(biāo)時(shí), 則需要設(shè)置濾波無(wú)功補(bǔ)償裝置。

（2）在有些場(chǎng)合, 雖然諧波未超過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,但已影響到系統(tǒng)的正常工作時(shí), 也需要設(shè)置濾波無(wú)功補(bǔ)償裝置。

（3）在特殊場(chǎng)合, 例如：醫(yī)院、賓館、寫字樓、智能小區(qū)、民航、軍事、科研、精密測(cè)量、礦山、碼頭、冶金等, 都應(yīng)該設(shè)置濾波無(wú)功補(bǔ)償裝置, 甚至需要配置專用的濾波裝置。

（4）在同一供電系統(tǒng)（同一變壓器）中, 當(dāng)非線性負(fù)載（整流/變頻、中/高頻等設(shè)備, 一般情況下是諧波源）容量占總?cè)萘康?25%以上時(shí), 就應(yīng)該配置濾波無(wú)功補(bǔ)償裝置。

按照上述的原則對(duì)配電網(wǎng)中的濾波補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，然后按照相關(guān)設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)主要器件的設(shè)計(jì)選型。表1給出低壓動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該低壓動(dòng)態(tài)采用基于FBD算法的無(wú)功檢測(cè)控制方法，保證投切響應(yīng)迅速，可以有效避免小負(fù)荷投切震蕩，避免補(bǔ)償死區(qū)，同時(shí)具備完善的過流、過壓、欠壓、不平衡、超溫等保護(hù)，保證濾波補(bǔ)償裝置的可靠運(yùn)行。

表1 低壓動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)提出的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，本文結(jié)合仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，其中負(fù)荷是單晶爐裝置，在該裝置工作是會(huì)產(chǎn)生較大的諧波并導(dǎo)致較大的無(wú)功電流，功率因數(shù)較低。圖4為該實(shí)際方案應(yīng)用的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。

通過該方案的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在濾波補(bǔ)償系統(tǒng)工作前，系統(tǒng)電流中有較大的諧波，而在濾波后5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波分別減少為8.8A，2.6A，1.01A和0.1A，系統(tǒng)與濾波補(bǔ)償裝置未發(fā)生諧振，因此該動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)是處于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域的。

圖4 實(shí)際方案應(yīng)用的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

在配電網(wǎng)進(jìn)行濾波補(bǔ)償、提高功率因數(shù)和做好無(wú)功優(yōu)化，是一項(xiàng)建設(shè)性的降損節(jié)能措施。在設(shè)計(jì)和選用中一定要針對(duì)具體負(fù)荷與系統(tǒng)參數(shù)合理設(shè)計(jì)濾波補(bǔ)償系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮配電網(wǎng)和用戶的特點(diǎn)，將它們有效地結(jié)合起來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，TSC裝置的快速檢測(cè)控制算法尤為重要。本文基于FBD算法設(shè)計(jì)了無(wú)功電流快速檢測(cè)與控制算法。該算法經(jīng)過仿真與實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，在負(fù)載無(wú)功發(fā)生波動(dòng)時(shí)，該算法可以在 20ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管投切電容器組的快速控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償并實(shí)現(xiàn)諧波抑制的功能。

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Improved Design of Dynamic Compensation Filter System based on FBD Algorithm

Xu Shungang Wang Hua
（Huaian Power Company, Jiangsu Province, Huaian, Jiangsu 223300）

The development of power electronics provides technology method for dynamic compensation of power system, and TSC was the normal device for dynamic compensation. New type of TSC was proposed in paper based reactive current detection of FBD algorithm, and with the design demand of dynamic compensation filter, the main components selection design was given out. The design and optimization solution of dynamic compensation filter system was analyzed in detail based on real design plan. The design and optimization solution was verified by the simulation and experiment result.

FBD algorithm；dynamic compensation filter；system design；harmonics suppression

徐順剛（1971-），江蘇淮安人，長(zhǎng)期從事電力生產(chǎn)管理工作，淮陰區(qū)供電公司總工程師。

王 華（1964-），江蘇淮安人，長(zhǎng)期從事電力通信與自動(dòng)化專業(yè)及電力生產(chǎn)管理工作，淮陰區(qū)供電總公司工程管理。