基于FBD算法的動態濾波補償系統優化設計

徐順剛 王 華

（江蘇省淮安供電公司，江蘇 淮安 223300）

基于FBD算法的動態濾波補償系統優化設計

徐順剛 王 華

（江蘇省淮安供電公司，江蘇 淮安 223300）

電力電子技術的發展為電網動態濾波補償提供了技術手段，晶閘管投切的補償裝置（Thyristor Switched Compensator，TSC）是實現動態濾波補償的常用設備。本文采用基于FBD算法的無功電流快速檢測與控制方法設計了一種新型的TSC裝置，并結合動態濾波補償系統的設計要求對主要元器件的選型設計進行了詳細的說明，文章結合實際的設計方案對配電網中動態濾波補償系統的設計與優化方法進行了論述，仿真與實測結果表明本文所設計的濾波補償系統達到了預期的設計目標。

FBD算法；動態濾波無功補償；系統選型設計；諧波抑制

1 引言

由于諸如變頻調速、中頻爐、電弧爐等大功率非線性負載在工業、交通等領域有了較為廣泛的應用，這些裝置在實際應用過程中會導致功率因數較低、諧波污染嚴重等電能質量的問題[1-2]，惡化電網供電質量，導致原有的并聯電容器組與電網系統發生諧振，影響系統的安全穩定運行。因此必須要采用相應的濾波補償技術實現無功補償與諧波抑制的系統解決。

目前電力系統無功補償中最常見的補償設備是晶閘管投切電容器（TSC），它主要由固定電容（FC）補償演變而來，屬于并聯型補償設備，是靜止無功補償器（SVC）的一個分支[3-4]。TSC通過給系統注入超前的容性無功電流來平衡系統中存在的感性無功電流，從而達到無功補償的目的。TSC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，主要由數據采集與檢測、參數運算、投切控制、觸發控制4個環節組成。通過TSC控制系統對系統的電壓/電流參數的測量計算，調節 TSC裝置的投切路數，從而實現對負荷波動的無功實現動態補償。為了實現補償與濾波功能的綜合實現可以將傳統的TSC主電路中阻尼電抗器更換為相應電抗參數的濾波電抗器，從而與電容構成相應的濾波支路以實現諧波抑制與動態補償的綜合功能。

圖1為TSC系統的原理圖。從圖1可知，TSC系統為了實現快速投切控制以實現對波動的無功進行動態補償，必須要對TSC的檢測控制算法進行合理設計，以實現當無功電流發生波動時就可以通過晶閘管的導通與關斷實現無功的動態補償[5][6]。因此TSC的快速檢測控制算法是決定補償濾波裝置工作性能的關鍵技術之一。目前主要是采用快速傅里葉變換實現無功電流的快速檢測，以實現TSC的快速控制。隨著瞬時無功理論、Fryze功率理論的研究與具體應用，可以為TSC的快速控制提供相應的理論支撐。本文主要采用基于Fryze功率理論的FBD算法對TSC系統設計進行了研究，并結合仿真與實際應用加以分析。

圖1 TSC裝置系統結構圖

2 基于Fryze理論的無功電流快速檢測算法

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，因此被稱為 FBD法[7]。該方法可以實現將電壓或電流分成有功分量和剩余總的無功分量兩部分，并可以從電壓或電流的總的無功分量中分離出任意特殊無功分量。本文采用FBD法對無功電流進行快速檢測。

設三相電壓經過鎖相環（PLL）后并經過移相90°后的參考電壓為不失一般性，設電流包含正序、負序和零序，分別用下標+、-、0表示。

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

于是由上述分析可知，針對無功電流，可以采用上述的檢測方法快速準確的得到負載基波正序的無功電導，然后通過快速控制方法來對TSC裝置進行快速的投切控制。

3 TSC裝置快速控制算法設計

3.1 TSC裝置無功變化判定

為了有效地區分負載無功電流的變化，采用本文所提出的基于 Fryze功率理論的無功電流快速檢測算法，將第n基頻周期的第k點負載等效無功電導Gn(k)和第n-1基頻周期對應的第k點負載等效無功電導Gn-1(k)作比較。

當A大于一設定值時，即可確定系統中的無功電流發生突變，TSC裝置應該啟動相應的判定程序，根據無功電流的大小及時對晶閘管投切濾波器組進行投入或切除的控制，以改變相應的無功補償量，實現無功的動態補償。

3.2 TSC裝置快速控制算法的實現

通過上面的分析，本文設計了一種TSC裝置快速控制方法，該控制方法以無功電流的突變作為判定動作的起動條件，當計算到無功電流的變化劇烈時啟動控制邏輯判定，然后以電壓波動及電壓波動的變化率為變量，通過模糊推理來判定無功波動的發生情況，同時決定TSC補償裝置中晶閘管投切電容器組投入的數量，從而對無功進行動態補償，該控制方法的流程如圖2所示。

圖2 控制算法框圖

4 配電網中動態濾波補償系統的方案設計

在實際應用中進行濾波補償裝置的設計必須要按照補償方式，濾波補償系統的主接線形式及投切要求進行系統方案的設計，實現電網無功動態補償和電能質量的綜合治理[8]。

動態濾波補償方式分為三相電容補償和分相電容補償、共分混合補償。根據電網中濾波補償要求的不同，動態濾波補償系統的主接線主要有以下幾種形式：星形有中線、星形無中線、角外接法、角內接法，其中前兩者統稱為星形接法，如圖3所示。

圖3 TSC的主接線形式

在三相供電系統中，低壓配電網TSC裝置一般選擇三角形接法。在對負載數據進行分析后結合具體的負載性質要考慮所設計的補償系統是否要考慮濾波功能的實現。本文結合實際的工程經驗總結的濾波配置原則如下。

（1）根據GB/T14549-1993《電能質量 公用電網諧波》的要求, 必須對各種非線性負載注入電網的諧波電壓和諧波電流加以限制。當負載產生諧波或供電系統中存在諧波且超標時, 則需要設置濾波無功補償裝置。

（2）在有些場合, 雖然諧波未超過標準的規定,但已影響到系統的正常工作時, 也需要設置濾波無功補償裝置。

（3）在特殊場合, 例如：醫院、賓館、寫字樓、智能小區、民航、軍事、科研、精密測量、礦山、碼頭、冶金等, 都應該設置濾波無功補償裝置, 甚至需要配置專用的濾波裝置。

（4）在同一供電系統（同一變壓器）中, 當非線性負載（整流/變頻、中/高頻等設備, 一般情況下是諧波源）容量占總容量的 25%以上時, 就應該配置濾波無功補償裝置。

按照上述的原則對配電網中的濾波補償系統的設計方案進行了總體設計，然后按照相關設計依據進行動態濾波補償系統主要器件的設計選型。表1給出低壓動態濾波補償系統的設計方案，該低壓動態采用基于FBD算法的無功檢測控制方法，保證投切響應迅速，可以有效避免小負荷投切震蕩，避免補償死區，同時具備完善的過流、過壓、欠壓、不平衡、超溫等保護，保證濾波補償裝置的可靠運行。

表1 低壓動態濾波補償系統設計方案

5 仿真與實驗結果

針對提出的配電網動態濾波補償系統方案的設計與優化，本文結合仿真與實測結果對其進行驗證，其中負荷是單晶爐裝置，在該裝置工作是會產生較大的諧波并導致較大的無功電流，功率因數較低。圖4為該實際方案應用的仿真與實測結果。

通過該方案的仿真與實測結果表明，在濾波補償系統工作前，系統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，系統與濾波補償裝置未發生諧振，因此該動態濾波補償系統是處于穩定運行區域的。

圖4 實際方案應用的仿真與實測結果

6 結論

在配電網進行濾波補償、提高功率因數和做好無功優化，是一項建設性的降損節能措施。在設計和選用中一定要針對具體負荷與系統參數合理設計濾波補償系統，設計過程中應綜合考慮配電網和用戶的特點，將它們有效地結合起來。為了實現對無功功率的動態補償，TSC裝置的快速檢測控制算法尤為重要。本文基于FBD算法設計了無功電流快速檢測與控制算法。該算法經過仿真與實際應用驗證，在負載無功發生波動時，該算法可以在 20ms內實現對晶閘管投切電容器組的快速控制，從而實現了對無功的動態補償并實現諧波抑制的功能。

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[2] 朱連歡,邱海鋒,周浩.低壓 TSC動態無功補償系統若干問題的探討[J].機電工程,2009,26(5):101-104.

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[4] 劉暉.淺析 TSC無功補償裝置[J].電力電容器,2007,28(3):13-15.

[5] 王忠清,楊建寧. 談晶閘管投切電容器的觸發電路[J].電力電容器,2007,28(4):30-36.

[6] 陳奇, 陳雄偉,劉玉璞,朱凌. 低壓就地無功補償在沖擊性、波動性負荷中的仿真及設計[J].電力自動化設備,2006,26(4):56-58.

[7] 康靜,鄭建勇,曾偉等.FBD法在三相四線制系統電流實時檢測中應用[J]. 電力自動化設備，2006,26(8):36-39.

[8] 戴曉亮. 無功補償技術在配電網中的應用[J]. 電網技術, 1999,23(6): 11-14.

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，長期從事電力生產管理工作，淮陰區供電公司總工程師。

王 華（1964-），江蘇淮安人，長期從事電力通信與自動化專業及電力生產管理工作，淮陰區供電總公司工程管理。