一种新型滤波补偿装置在380V低压系统中的应用研究

摘要：分析了TCR、TSF装置的原理和特点，对基于TCR-TSF的滤波补偿装置进行了研究。首先用基于瞬时无功功率理论的dq同步坐标变换法的计算方法来检测系统电压、电流、有功和无功功率，然后分析了TSF投切策略和TCR控制角计算方法及控制方案。

关键词：谐波抑制;无功补偿;晶闸管控制电抗器;晶闸管投切滤波器;dq转换法

0    引言

電能是一种非常高效、清洁的能源，它已成为人们生产和生活中不可或缺的一部分。但近年来，随着电力电子技术的快速发展及其广泛应用，越来越多的大容量非线性负荷开始在生产、生活中广泛应用，导致谐波污染、电压不平衡等一系列问题相继发生[1]，严重降低了电能的正弦度，影响了电能质量。

通常来说，我们会为电力系统配置低压晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactors，TCR）与固定电容器（Fixed Capacitor，FC）互相配合操作的设备（简称TCR-FC）以及晶闸管投切滤波器（Thyristor Switched Filters，TSF）来解决此类质量问题[2]。但这类滤波补偿装置也有一定局限性，例如TCR装置成本高，本身也会产生少量的谐波电流，装置容量和损耗比较大;TSF不能平滑地调节无功容量，输出容量有限。在本文中，我们将通过搭建TCR与TSF混合使用的设备，来克服上述缺点并发挥其各自优势，这类设备被叫作TCR-TSF型滤波补偿装置。

本文将使用以瞬时无功功率理论的dq同步坐标变换法为基础的计算方式来监测系统电压、电流、有功和无功功率，分析了TSF投切策略和TCR控制角计算方法及控制方案。利用TCR-TSF型滤波补偿装置改善电网的电能质量，能有效减少供电系统的无功功率损耗，提高系统的功率因数。

1    TCR-TSF型滤波补偿装置的结构

首先搭建TCR-TSF系统模型，TCR-TSF型滤波补偿装置的结构如图1所示，其由N组TSF支路及一组TCR支路组成[3]。

2    TCR-TSF滤波补偿装置的工作原理

在TCR中，控制器会综合考虑配电系统电路中的相关参数，如电流i、电压u，这些量的考察是为了计算α（触发延迟角），之后利用α来调节改变电流（相控电抗器中），该操作的目的是平滑调节无功功率。TCR的晶闸管导通角为2（π-α），无功功率QTCR的计算公式为[4]：

2.1    TCR-TSF滤波补偿装置谐波抑制机理

图2为某供电系统的谐波分析模型。ZLtcr表示供电系统的TCR阻抗，Zf表示TSF滤波阻抗，系统阻抗用ZS表示，Ush表示谐波电压源，用户谐波源用Ih表示，PCC表示用户公共连接点（即谐波电流考核点），其中TCR-TSF型滤波装置的阻抗由ZLtcr、Zf构成[4]，用户供电系统谐波则由Ush、Zs构成。

根据α=180°，ZLtcr=0，按照公式（1）进行计算，得到TCR在支路输出的无功容量为0;公式（3）中不包括ZLtcr，在公式（2）～（4）中，若得到Zfn=Zf，则可以认为TCR-TSF型滤波补偿装置中只有几组TSF支路投入运行。

TSF型滤波补偿装置中吸收谐波电流较大。当α=90°时，ZLtcr计算得到的数值是最大的，这时滤波补偿装置吸收谐波电流的效果也是最为理想的。综上所述，TCR-TSF型滤波装置在谐波抑制方面的效果比TSF装置要好很多。

2.2    TCR-TSF滤波补偿装置的基本控制原理

图3为TCR-TSF型滤波补偿装置的基本控制原理图，总的来说其有以下3个功能[5]：

（1）系统无功功率的计算：该步骤是依据检测到的系统内变量，先计算出TSF支路投入所需要的组数，进而推算出系统的无功功率。投切顺序是先投入TSFl，然后依次投入TSF2、TSF3…TSFn，切除时则顺序相反。

（2）TSF在投入时的暂态过渡过程中所需最小。

（3）通常情况下，可以改变控制来实现延迟角的触发操作，从而进一步完成对TCR输出无功功率动态水平的调节，最终让功率因数维持一个比较高的水平。

3    系统变量的检测和控制策略

3.1    系统变量的检测

一般供电系统中的负荷为动态非线性负荷，三相电压不对称，电压波形畸变率高，为了减少这些对系统变量检测的影响，我们在对电路中的相关量进行计算和检测时将采用基于瞬时无功功率理论的dq同步坐标变换法，该理论也将被用于TCR-TSF滤波补偿装置控制系统。

3.2    TCR-TSF滤波补偿装置的控制策略

如图4所示，采用开环和闭环相互结合的控制方式。模拟信号由采样得到，系统中电流、电压和功率的有效值则利用瞬时无功功率理论计算得出，得到的理论值再与TSF支路中的实际容量进行比较。TCR触发延迟角利用非线性环节进行计算，最后发出TCR触发信号。

4    结语

本文分析了TCR、TSF的基本电路和控制原理，利用它们的特性搭建TCR-TSF型滤波补偿系统模型，其兼具TCR装置和TSF装置各自的优点，因而具有良好的谐波抑制和无功补偿性能。

[参考文献]

[1] 王阳.智能化全数字低压滤波补偿装置研究[D].天津：天津大学，2008.

[2] ELTAMALY A M，MOHAMED Y S，EL-SAYED A H M，et al.Adaptive static synchronous compensation techniques with the transmission system for optimum voltage control[J].Ain Shams Engineering Journal，2019，15（4）： 688-700.

[3] 李晟，张南林，申林，等.低压型静止无功补偿器在工程中的应用[J].冶金动力，2008（6）：7-9.

[4] 平孝香，许连阁，周玉林.单调谐低压滤波补偿装置设计及工程应用[J].电力电容器与无功补偿，2014，35（4）：49-52.

[5] 孙晓武，施火泉.TCR-TSF型滤波补偿装置的仿真研究[J].低压电器，2010（5）：40-44.

收稿日期：2020-03-09

作者简介：尹文俊（1988—），男，广东广州人，硕士，电气工程师，主要从事供配电设计和谐波治理工作。