基于FBD算法的动态滤波补偿系统优化设计

徐顺刚 王 华

（江苏省淮安供电公司，江苏 淮安 223300）

基于FBD算法的动态滤波补偿系统优化设计

徐顺刚 王 华

（江苏省淮安供电公司，江苏 淮安 223300）

电力电子技术的发展为电网动态滤波补偿提供了技术手段，晶闸管投切的补偿装置（Thyristor Switched Compensator，TSC）是实现动态滤波补偿的常用设备。本文采用基于FBD算法的无功电流快速检测与控制方法设计了一种新型的TSC装置，并结合动态滤波补偿系统的设计要求对主要元器件的选型设计进行了详细的说明，文章结合实际的设计方案对配电网中动态滤波补偿系统的设计与优化方法进行了论述，仿真与实测结果表明本文所设计的滤波补偿系统达到了预期的设计目标。

FBD算法；动态滤波无功补偿；系统选型设计；谐波抑制

1 引言

由于诸如变频调速、中频炉、电弧炉等大功率非线性负载在工业、交通等领域有了较为广泛的应用，这些装置在实际应用过程中会导致功率因数较低、谐波污染严重等电能质量的问题[1-2]，恶化电网供电质量，导致原有的并联电容器组与电网系统发生谐振，影响系统的安全稳定运行。因此必须要采用相应的滤波补偿技术实现无功补偿与谐波抑制的系统解决。

目前电力系统无功补偿中最常见的补偿设备是晶闸管投切电容器（TSC），它主要由固定电容（FC）补偿演变而来，属于并联型补偿设备，是静止无功补偿器（SVC）的一个分支[3-4]。TSC通过给系统注入超前的容性无功电流来平衡系统中存在的感性无功电流，从而达到无功补偿的目的。TSC的典型装置通常由两大部分组成：一部分为TSC主电路，它包括晶闸管阀（若干组）、补偿电容器（同样分成若干组）及阻尼电抗器；另一部分为TSC控制系统，主要由数据采集与检测、参数运算、投切控制、触发控制4个环节组成。通过TSC控制系统对系统的电压/电流参数的测量计算，调节 TSC装置的投切路数，从而实现对负荷波动的无功实现动态补偿。为了实现补偿与滤波功能的综合实现可以将传统的TSC主电路中阻尼电抗器更换为相应电抗参数的滤波电抗器，从而与电容构成相应的滤波支路以实现谐波抑制与动态补偿的综合功能。

图1为TSC系统的原理图。从图1可知，TSC系统为了实现快速投切控制以实现对波动的无功进行动态补偿，必须要对TSC的检测控制算法进行合理设计，以实现当无功电流发生波动时就可以通过晶闸管的导通与关断实现无功的动态补偿[5][6]。因此TSC的快速检测控制算法是决定补偿滤波装置工作性能的关键技术之一。目前主要是采用快速傅里叶变换实现无功电流的快速检测，以实现TSC的快速控制。随着瞬时无功理论、Fryze功率理论的研究与具体应用，可以为TSC的快速控制提供相应的理论支撑。本文主要采用基于Fryze功率理论的FBD算法对TSC系统设计进行了研究，并结合仿真与实际应用加以分析。

图1 TSC装置系统结构图

2 基于Fryze理论的无功电流快速检测算法

1979年，M. Depenbrock提出一种适合于各种需要的功率分析方法。这种方法基于Fryze于1932年提出的功率理论和其后F. Buchholz做出的改进，因此被称为 FBD法[7]。该方法可以实现将电压或电流分成有功分量和剩余总的无功分量两部分，并可以从电压或电流的总的无功分量中分离出任意特殊无功分量。本文采用FBD法对无功电流进行快速检测。

设三相电压经过锁相环（PLL）后并经过移相90°后的参考电压为不失一般性，设电流包含正序、负序和零序，分别用下标+、-、0表示。

由式（2）可知：其三相瞬时等效无功电导只包括两部分组成，其中经过计算后原来电流中正序分量的频率被降低，而负序分量的频率被升高，其经过低通滤波器（LPF）后得到其直流量为

于是由上述分析可知，针对无功电流，可以采用上述的检测方法快速准确的得到负载基波正序的无功电导，然后通过快速控制方法来对TSC装置进行快速的投切控制。

3 TSC装置快速控制算法设计

3.1 TSC装置无功变化判定

为了有效地区分负载无功电流的变化，采用本文所提出的基于 Fryze功率理论的无功电流快速检测算法，将第n基频周期的第k点负载等效无功电导Gn(k)和第n-1基频周期对应的第k点负载等效无功电导Gn-1(k)作比较。

当A大于一设定值时，即可确定系统中的无功电流发生突变，TSC装置应该启动相应的判定程序，根据无功电流的大小及时对晶闸管投切滤波器组进行投入或切除的控制，以改变相应的无功补偿量，实现无功的动态补偿。

3.2 TSC装置快速控制算法的实现

通过上面的分析，本文设计了一种TSC装置快速控制方法，该控制方法以无功电流的突变作为判定动作的起动条件，当计算到无功电流的变化剧烈时启动控制逻辑判定，然后以电压波动及电压波动的变化率为变量，通过模糊推理来判定无功波动的发生情况，同时决定TSC补偿装置中晶闸管投切电容器组投入的数量，从而对无功进行动态补偿，该控制方法的流程如图2所示。

图2 控制算法框图

4 配电网中动态滤波补偿系统的方案设计

在实际应用中进行滤波补偿装置的设计必须要按照补偿方式，滤波补偿系统的主接线形式及投切要求进行系统方案的设计，实现电网无功动态补偿和电能质量的综合治理[8]。

动态滤波补偿方式分为三相电容补偿和分相电容补偿、共分混合补偿。根据电网中滤波补偿要求的不同，动态滤波补偿系统的主接线主要有以下几种形式：星形有中线、星形无中线、角外接法、角内接法，其中前两者统称为星形接法，如图3所示。

图3 TSC的主接线形式

在三相供电系统中，低压配电网TSC装置一般选择三角形接法。在对负载数据进行分析后结合具体的负载性质要考虑所设计的补偿系统是否要考虑滤波功能的实现。本文结合实际的工程经验总结的滤波配置原则如下。

（1）根据GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的要求, 必须对各种非线性负载注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。当负载产生谐波或供电系统中存在谐波且超标时, 则需要设置滤波无功补偿装置。

（2）在有些场合, 虽然谐波未超过标准的规定,但已影响到系统的正常工作时, 也需要设置滤波无功补偿装置。

（3）在特殊场合, 例如：医院、宾馆、写字楼、智能小区、民航、军事、科研、精密测量、矿山、码头、冶金等, 都应该设置滤波无功补偿装置, 甚至需要配置专用的滤波装置。

（4）在同一供电系统（同一变压器）中, 当非线性负载（整流/变频、中/高频等设备, 一般情况下是谐波源）容量占总容量的 25%以上时, 就应该配置滤波无功补偿装置。

按照上述的原则对配电网中的滤波补偿系统的设计方案进行了总体设计，然后按照相关设计依据进行动态滤波补偿系统主要器件的设计选型。表1给出低压动态滤波补偿系统的设计方案，该低压动态采用基于FBD算法的无功检测控制方法，保证投切响应迅速，可以有效避免小负荷投切震荡，避免补偿死区，同时具备完善的过流、过压、欠压、不平衡、超温等保护，保证滤波补偿装置的可靠运行。

表1 低压动态滤波补偿系统设计方案

5 仿真与实验结果

针对提出的配电网动态滤波补偿系统方案的设计与优化，本文结合仿真与实测结果对其进行验证，其中负荷是单晶炉装置，在该装置工作是会产生较大的谐波并导致较大的无功电流，功率因数较低。图4为该实际方案应用的仿真与实测结果。

通过该方案的仿真与实测结果表明，在滤波补偿系统工作前，系统电流中有较大的谐波，而在滤波后5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波分别减少为8.8A，2.6A，1.01A和0.1A，系统与滤波补偿装置未发生谐振，因此该动态滤波补偿系统是处于稳定运行区域的。

图4 实际方案应用的仿真与实测结果

6 结论

在配电网进行滤波补偿、提高功率因数和做好无功优化，是一项建设性的降损节能措施。在设计和选用中一定要针对具体负荷与系统参数合理设计滤波补偿系统，设计过程中应综合考虑配电网和用户的特点，将它们有效地结合起来。为了实现对无功功率的动态补偿，TSC装置的快速检测控制算法尤为重要。本文基于FBD算法设计了无功电流快速检测与控制算法。该算法经过仿真与实际应用验证，在负载无功发生波动时，该算法可以在 20ms内实现对晶闸管投切电容器组的快速控制，从而实现了对无功的动态补偿并实现谐波抑制的功能。

[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2004:140-149.

[2] 朱连欢,邱海锋,周浩.低压 TSC动态无功补偿系统若干问题的探讨[J].机电工程,2009,26(5):101-104.

[3] 谷永刚,肖国春,王兆安. 晶闸管投切电容器技术的进展[J].高压电器,2003,39(2):49-53.

[4] 刘晖.浅析 TSC无功补偿装置[J].电力电容器,2007,28(3):13-15.

[5] 王忠清,杨建宁. 谈晶闸管投切电容器的触发电路[J].电力电容器,2007,28(4):30-36.

[6] 陈奇, 陈雄伟,刘玉璞,朱凌. 低压就地无功补偿在冲击性、波动性负荷中的仿真及设计[J].电力自动化设备,2006,26(4):56-58.

[7] 康静,郑建勇,曾伟等.FBD法在三相四线制系统电流实时检测中应用[J]. 电力自动化设备，2006,26(8):36-39.

[8] 戴晓亮. 无功补偿技术在配电网中的应用[J]. 电网技术, 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

徐顺刚（1971-），江苏淮安人，长期从事电力生产管理工作，淮阴区供电公司总工程师。

王 华（1964-），江苏淮安人，长期从事电力通信与自动化专业及电力生产管理工作，淮阴区供电总公司工程管理。