基于非線性動力學建模的PTSC濾波與無功補償系統研究

駱厚繼

摘 ?要：根據煤礦集團變電站供電模式的不同，可知大功率直流設備與變頻設備的使用均存在無功和諧波問題的影響，極易使電網運行質量受到干擾，使煤礦開采存在風險。而為了解決以上問題，必須基于非線性動力學建模系統明確無功與諧波影響的確切位置與參數，落實模擬實驗，而后再提供對應的濾波裝置與無功補償系統，分辨是否能夠遏制此類問題繼續出現，才能使此類變電站問題得以有效解決。

關鍵詞：非線性動力學;PTSC濾波;無功補償;系統設計

中圖分類號：TM714.3 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）22-0011-03

Abstract： According to the different power supply modes of substation in a coal mine group， it is known that the use of high-power DC equipment and frequency conversion equipment have the influence of reactive power and harmonic problems， which can easily interfere with the operation quality of power grid and bring risk to coal mining. In order to solve the above problems， the exact position and parameters of reactive power and harmonic influence must be defined based on the nonlinear dynamic modeling system， the simulation experiment must be carried out， and then the corresponding filtering device and reactive power compensation system must be provided to distinguish whether this kind of problem can be contained or not， so that the problem of this kind of substation can be solved effectively.

Keywords： nonlinear dynamics; PTSC filtering; reactive power compensation; system design

無功補償系統在煤礦集團變電所中的有效利用，既能夠根據變電線路運行狀況，為發電機的運行提供適當保護，以便降低設備與系統內有功功率與電能的損耗，使變電設備系統的可使用壽命得以顯著延長，同時憑借無功補償系統，更能夠有效遏制電網波動與諧波影響等問題，使系統電能質量得以改善，也有助于提高發電機的有功功率。因此，站在能源可持續發展與電網穩定運行的角度，設計人員理應對無功補償與PTSC濾波裝置給予充足的認識。

1 研究背景

本項目為某煤礦集團變電所無功補償與諧波治理系統設計。現有變電所變一次側額定電壓為66kV，二次側額定電壓為6.3kV。在變電所工作期間，上午11時～下午1時通常選用大功率直流設備，而下午4：30～6：10時通常選用大功率變頻設備，以便煤礦開采工作質量得以保障。根據調查資料可知，直流設備與變頻設備受無功和諧波因素影響較嚴重，不但極易影響煤礦現場正常的供電質量，同時還會降低發電機的能耗利用率，極易使煤礦開采設備的應用受影響。因此，煤礦集團對變電所線纜進行了諧波與無功測試，以便找尋到確切的問題點，而后再利用高壓可控硅投切無功補償電容器與無源濾波裝置，使原有問題得以解決。

2 建模分析

非線性動力學建模理論主要應用于自然界非周期性特點的研究，它既能夠通過非線性標度指數為觀察者提供隨機現象中最具主導性的特點因素，同時在隨機性環境中，更能夠將不同尺度與流線展現給觀察者，以便更好的掌握隨機現象中的潛在規律。例如，在分辨諧波問題時，便可以站在保守和耗散兩種角度對諧波問題進行觀測，以便更好的發掘數學動力系統中的軌道，使多尺度現象的基本元素與定理被知曉，而后再通過混沌時間序列與符合序列對所獲得的資料進行篩選，按照拓補結構與功能性要求，更好的展現在數據管理平臺中，以便設計者更直觀的發覺數字模型中潛在的風險點。[1]

因此，在非線性動力學建模期間，設計者必須率先對原有變電系統運行狀況進行檢測，明確，在明確諧波范圍、電壓數值、電流大小、無功狀況等數據后，才能將高壓TSC與高壓PPF設備并聯于變電系統內部，以便更好的查看無功補償與濾波的效果。在此期間，高壓TSC與PPF參數設計應遵循以下要求：

（1）高壓TSC：設備應安裝至二次變電側6.3kV的電壓環境，設備總補償容量為1050Kvar，期間無功補償通道應分為三條，分別為150、300、600Kvar。結合變電站設備安裝預留空間尺寸可知，TSC柜三面尺寸應選用1.8×1.7×2.6m，控制柜尺寸1.2×1.7×2.6m，TSC柜安裝期間，應確保所處環境干燥且潔凈，避免與其他設備距離過近。[2]

其次，在選用高壓TSC柜時，需確保其投切無功補償電容器組的響應速度低于20ms，并且在電網系統中需設置監測元件，以便時刻觀察電網系統的無功與諧波電流狀態，使裝置使用的效果更便于察覺。最后，在TSC裝置使用期間，需對多級電容器進行快速且頻繁的投切操作，以此辨別響應速度是否迅速。另外，在參數設計過程中，設計者應確保沖擊性負荷能夠為電網線路提供較好的補償效果，以便滿足電網穩壓與節能效果的要求。

（2）高壓PPF：設備應安裝至二次變電側6.3kV的電壓環境，設備總補償容量為4500Kvar，結合變電站觀測數據可知，高壓PPF設備的選用主要需濾除5次諧波，以避免對電網運行質量造成影響，其中諧振點選擇4.63。根據變電站設備預留空間尺寸可知，高壓PPF控制柜應選用1.2×1.7×2.6m型號，在PPF控制柜安裝期間，應確保說出環境干凈整潔，且線纜連接牢固，不存在漏電等風險。

其次，在選用高壓PPF控制柜期間，需確保單相工作電流滿足420A的要求，且濾波電抗器的正負調整范圍可達到5%，以避免對變電站供電系統造成較大的影響。期間，濾波電容器在參數選擇過程中，應注意三相是否處于無功平衡的狀態，確保不會影響變電系統內的三相平衡，才能將此設備應用于系統內。待電抗器落實調諧操作后，三相濾波通道應確保仍處于平衡狀態，且濾波、穩壓與節能要求都能夠得到滿足。[3]

3 無功補償系統設計

3.1 靜態濾波與TSC相結合

根據建模參數可知，在配電系統正常運行的環境下，工頻信號通常會伴隨著大量非線性負荷用電設備的增加，使電網內諧波量增加，如此便極易導致電壓與電流發生波形畸變，若單純采用傳統PPF或TSC無功補償裝置，雖然可以實現電容器快速無觸點的投切，但是諧波的存在同樣會使電容器受影響，甚至與供電系統發生諧振反應，使電容器極易受損。其次，若選用傳統的接觸手動投切電力濾波器消除系統內諧波，也會因為自動化較低和反應不及時等問題，使配電系統的運行難以保持穩定，進一步可能對電網運行質量造成極為嚴重的影響。因此，PPF靜態濾波與RSC動態無功補償設備相結合，能夠在避免諧波對電壓和電流造成影響的同時，憑借動態無功補償設備，應對系統內突如其來的電流變化，使配電系統的穩定性得以顯著提升，并且也避免對配電系統的運行質量造成影響。[4]

3.2 諧波過濾

PPF無源濾波裝置的應用，能夠借助電磁感應及電抗器的原理，有效識別配電網系統內存在的諧波范圍與規律，借助濾波電容器串聯高線性度裝置，能夠組成較完善的濾波補償系統，以便在吸取配電系統中諧波分量的同時，補償無功功率，使無功補償與濾波功能徹底融為一體。期間，憑借電磁感應能夠迅速識別配電網負荷變化，通過濾波裝置及時抑制電流波動性，使配電網能夠持續處于穩定的運行狀態。

而在設計過程中，設計者理應明白諧波電流的大小與設備工作電流呈正比，因此在選擇適合的濾波裝置期間，必須降低配電網中的電壓，以便使電流強度得以下降。而在靜態與動態濾波器安裝期間，設計者應借由控制器測量配電系統中的負荷諧波電流，確定諧波范圍、電壓畸變率、電流畸變率、諧波電流、功率因數等數據后，才能根據實際情況控制雙向可控硅過零觸發[5]，以此實現非線性負荷的調控，使動態無功補償與濾除諧波的要求得以滿足。在此期間，投切操作應保持無沖擊、無過度與無涌流的過程。

3.3 過零投切研究

過零投切需從電壓與電流、復合三個方面分析：

電壓過零投入：為避免配電系統運行過程中產生涌流等狀況，此種措施通常需要在電源電壓與電容器電壓相位相等的位置安裝電容器，確保能夠在電壓數值超過變動極限的瞬間接入系統，以便使配電網系統運行保持穩定。

電流過零切除：為避免在開關接電處存有電弧分斷情況，電流過零切除通常需要電容器與電壓、電流方向保持垂直相位差，待電壓抵達某一峰值或某處電流數值為零時，極易對配電網設備造成損傷的瞬間，便可以將電容器接入，以便電流歸零切除，使配電網持續處于穩定的運行狀態。[6]

復合過零投切：此種開關方式的原理是將PPF與TSC并聯，通過諧波過濾與無功補償裝置可有效落實電壓過零導通和電流過零切斷的要求，以便配電網系統持續保持穩定的運行狀態。期間，復合開關在與配電網接通和斷開過程中，能夠通過可控硅瞬間改變電壓與電流的運行狀態，并在正常接通期間避免接觸器產生不必要的功耗，使配電系統運行的可控性得以顯著增強。在復合過零投切應用期間，需首先在裝置投入前在電壓過零瞬間，憑借可控硅預先觸發，查看能否有效干預配電網運行環境，而后待電壓及電流穩定后，再將電磁繼電器安置在配電系統內。在復合開關切除時，則需要優先將電磁繼電器斷開，而后再將可控硅延時過零斷開以避免對配電網運行狀況帶來較大的影響，并實現電流過零切除要求。

4 仿真分析

在非線性動力學建模仿真分析過程中，管理人員須對煤礦集團變電站第二變側產生的無功與諧波狀態進行測試，確定二者對電網質量造成的實質性影響，同時根據諧波范圍、電壓畸變率、電流畸變率、諧波電流、功率因數等資料，擬定詳細的無功補償與諧波設計方案。

首先，根據5次配電網電壓及電流矢量關系的驗證資料可知，單純的TSC設備在第二變側6.3kV應用的電壓畸變率有效降到了4%以下，而TSC與PPF同時安裝至配電網內，便能夠將電壓畸變率降低至1.6%以下;而TSC設備在同一位置安裝后，測得電流畸變率從25%下降至8%標準值以內，而當TSC與PPF設備同時安裝至配電網內，便能夠將電流畸變率降低至3.9%以下，可見不論述電壓與電流畸變率，TSC與PPF裝置組合使用的效果更好。

其次，在諧波電流分析期間，設計者依照國際標準對配電網內公共連接點的最小短路容量進行了調查，通過諧波電流允許值的計算可知，在配電網運行過程中，曾有多次諧波值超過國家標準，而在此參照資料下，通過TSC與PPF投切裝置的應用，可知測試資料中的各次諧波電流均呈現出不同的降低，并且均滿足了國標的基本要求。

最后，為明確TSC與PPF裝置對配電系統功率因數可能造成的影響，本次仿真分析對原有系統的功率因數與改造后的系統功率因數進行了比對，期間，需確保靜補與動補裝置按常規要求安裝。而根據實際調查資料可知，TSC與PPF裝置的同時投運，使其功率因數最大值達到了0.99，對比國標可知滿足使用要求。具體實際功率因數曲線詳見圖1。

5 結論

TSC與PPF裝置在煤礦變電所中的有效利用，既能夠有效降低諧波與無功情況對配電系統正常運行的影響，使電網中的電力設備均能夠持續利用，避免對設備壽命造成損害，同時憑借非線性動力學模型計算平臺，更便于查看配電網系統中落實靜補與動補的適用性，以便使無功補償系統的質量可控性得以顯著增強。故而，在論述基于非線性動力學建模的PTSC濾波與無功補償系統研究期間，必須明確變電所實際面臨的問題，并提供有效的補償調節裝置，確保安裝規范且性能適宜，才能為后續配電系統的穩定運行提供更全面的技術保障。

參考文獻：

[1]張文軍，唐鳴，何鶴，等.基于分段非線性函數的無功補償經濟性模型研究[J].浙江電力，2017.

[2]王明帥.基于空域追蹤的多通道無功補償和諧波抑制系統研究[J].電網與清潔能源，2017（4）.

[3]劉海艦，曾慶軍，趙冰冰，等.基于滑模控制的SVG無功補償控制策略研究[J].電力電容器與無功補償，2017（1）.

[4]蔣煒華，馬臨超，鄭先鋒.基于滑模控制的三電平并網風力發電系統研究[J].電力電容器與無功補償，2017（3）.

[5]石耀慧.濾波無功補償技術在煤礦高壓供電系統的應用[J].煤炭科技，2017（1）.

[6]耿進魁.電力自動化中智能無功補償技術的應用[J].中國高新區，2017（12）：30.