PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿控制系统及其控制方法

摘要

PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿控制系统及其控制方法，属于电力电子技术领域。它解决了现有单独的PPF技术存在无功过补，而单独的TSC技术采用分级投切，不适应电网无功连续变化的问题。它的装置为：无源滤波单元和无功动态补偿单元并联在电网输入端与负载端之间，信号调理电路用来检测电网的三相电流和电压信号，信号调理电路的输出端连接DSP与CPLD控制电路的输入端，DSP与CPLD控制电路的控制信号输出端连接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端连接无功动态补偿单元的控制信号输入端；本发明方法根据获得的电网参数在所述空间九域中的位置，控制无功补偿电容投入电网。本发明用于电网的无功补偿。

说明书

技术领域

本发明涉及一种PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿控制系统及其控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

实现安全可靠、经济实惠的LC参数选择，是无源滤波器PPF设计的初衷。由于电网实际运行时，电网频率、阻抗均有不同程度的摄动，若某一参数摄动条件下使PPF呈现出容性(非基波条件)，则极可能是PPF与电网电抗产生了并联谐振，致使谐波电流严重放大，并联谐振会造成滤波通道烧毁，严重的甚至会造成整个滤波装置自身难以投切。由于无源滤波器PPF一股为固定投切，在负载较低时存在无功过补的可能。因此如何使PPF在满足滤波条件下具有动态补偿无功的效果成为此技术进一步发展的侧重点之一。

晶闸管投切电容器TSC可以实现对电网的无功进行动态补偿，但其分级投切的方式，无法适应无功连续变化的情况；并且当电网中含有谐波时，为了防止TSC与电网发生谐振，还需要在TSC电容支路中串入平波电抗器，这会使装置的成本增加，并降低了无功补偿的容量；因此如何使TSC补偿的无功最大程度地逼近连续变化，降低电抗率、增大无功补偿容量，同时使TSC混合装置具有滤波功能成为此技术发展的又一个侧重点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有单独的PPF技术存在无功过补，而单独的TSC技术采用分级投切，不适应电网无功连续变化的问题，而提供一种PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿控制系统及其控制方法。

本发明所述一种PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿控制系统，它包括无源滤波单元、无功动态补偿单元、信号调理电路、DSP与CPLD控制电路和电平转换电路，

无源滤波单元和无功动态补偿单元并联在电网输入端与负载端之间，信号调理电路用来检测电网的输入端的三相电流信号和三相电压信号，信号调理电路的电压和电流信号输出端连接DSP与CPLD控制电路的电压和电流信号输入端，DSP与CPLD控制电路的PWM控制信号输出端连接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端连接无功动态补偿单元的控制信号输入端。

本发明所述基于上述装置的PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿控制方法，它的控制方法为：

信号调理电路将采集到的电网的三相瞬时电流值和三相瞬时电压值进行调理之后，输出给DSP与CPLD控制电路；

DSP与CPLD控制电路根据接收到的电流和电压信号计算获得电网的基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、无功功率和功率因数，并根据瞬时无功功率理论进行基波与谐波计算，并确定需要补偿的无功量；

DSP与CPLD控制电路根据所述需要补偿的无功量，在九域图的基础上，增加表示谐波分量的空间纵轴矢量，形成空间九域，根据获得的电网参数在所述空间九域中的位置，控制无功补偿电容投入电网的原则为：

参数在区域0中，电网无功功率与电压均合格，不调节；

参数在区域1中：电网无功功率越上限，电网电压越下限，投电容器组；当电容器组全部投入时，发升压指令；当有载分接开关处于上限位置时，发强投电容器组指令；

参数在区域2中：电网无功功率越上限，电网电压合格，投电容器组；

参数在区域3中：电网无功功率越上限，电网电压越上限，发降压指令；当有载开关处于下限位置时，发强切电容器组指令；

参数在区域4中：电网无功功率合格，电网电压越上限，发降压指令；当有载开关处于下限位置时，发强切电容器组指令；

参数在区域5中：电网无功功率越下限，电网电压越上限，发切电容器组指令；当电容器组全部切除时，发降压指令；

参数在区域6中：电网无功功率越下限，电网电压合格，发切电容器组指令；

参数在区域7中：电网无功功率越下限，电网电压越下限，发升压指令；当有载开关已处于上限位置时，发强投电容器组指令；

参数在区域8中：电网无功功率合格，电网电压越下限，发升压指令；当有载开关处于上限位置时，发强投电容器组指令。

本发明的优点是：本发明适用于钢厂电弧炉、矿业提升机及巷道风机变频器等谐波较大、负载端电压大范围频繁波动、或者无功快速变化的场合。它能够滤除电网中的大部分谐波，并有效提高电网端电压，同时保证用电设备在良好的工况下运行，大幅度提高了电网的供电质量，能带来显著的经济效益。

本发明装置的成本低于同等容量的SVC(Static Var Compensator)及HAPF(Hybrid Active Power Filter)，功率或电压等级远高于单一的APF(Active Power Filter)、SVG(Static Var Generator)技术。

本发明将高压滤波与动态无功补偿技术有效的结合在一起，适用于35kV以下各级电网。它能够根据实测谐波与无功，基于分岔与混沌理论设计PPF与TSC参数，进而避免PPF、TSC与电网电抗间产生并联谐振，有效降低TSC平波电抗器容量、降低设计成本、提高整套装置的无功补偿容量；本发明在保证电网谐波满足国家GB/T-14549-93标准前提下，实现了PPF与TSC效能的动静结合。本发明通过参数设计及拓扑结构优化，使单一PPF滤波通道能够兼顾相邻阶次谐波的滤除工作，并且其基波无功补偿容量在电网负荷最低情况下不会出现无功过补。TSC以补偿容量按照2^n-1，n＝1，2，...，N，编码为原则分为M组(N≤M)并联接入电网，设计基于瞬时无功理论的控制器，同时基于PPF谐振分析，实现了TSC补偿通道的动态投切，它能够保证在负荷最高的情况下，使电网功率因数达到0.95以上。由于本发明中PPF的滤波功能，它可以将TSC中的电抗率降至5％以下，由此在确保了高性能滤波与动态无功补偿的前提下有效降低成本。通过基于电网电抗与频率摄动的分岔与混沌控制算法开发，使PPF+TSC在负载波动剧烈的情况下具有良好的稳定性，有效抑制浪涌电流与电压闪变，确保并网系统的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明的无功补偿设计矢量图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明控制方法中滤波算法软件的参数计算流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿控制系统包括无源滤波单元1、无功动态补偿单元2、信号调理电路3、DSP与CPLD控制电路4和电平转换电路5，

无源滤波单元1和无功动态补偿单元2并联在电网输入端与负载端之间，信号调理电路3用来检测电网的输入端的三相电流信号和三相电压信号，信号调理电路3的电压和电流信号输出端连接DSP与CPLD控制电路4的电压和电流信号输入端，DSP与CPLD控制电路4的PWM控制信号输出端连接电平转换电路5的输入端，电平转换电路5的输出端连接无功动态补偿单元2的控制信号输入端。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述无源滤波单元1由三条星形支路组成，三条星形支路星形连接，每条星形支路由断路器1-1、熔断器1-2、滤波电抗器1-3及两个滤波电容器1-4组成，

每条星形支路中的断路器1-1、熔断器1-2、滤波电抗器1-3及两个滤波电容器1-4依次串联。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述无功动态补偿单元2由M组晶闸管投切电容器TSC组成，M组晶闸管投切电容器TSC的补偿容量按照2^n-1编码方式分组，n＝1，2，…，N，其中M为大于1的整数，N≤M，M组晶闸管投切电容器TSC均并联接入电网，

每组晶闸管投切电容器TSC由三条角形支路组成，三条角形支路角形连接，每条角形支路由电感线圈、两个反向并联的晶闸管和电容器依次串联组成。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式二的不同之处在于，该控制系统还包括报警电路6，所述报警电路6由三个报警继电器k、三组互感器6-3、声音报警器6-1、光报警器6-2和第二继电器k2组成，

每组互感器6-3由两个互感器组成，该两个互感器的初级线圈分别与一条星形支路中的两个滤波电容器1-4并联连接，所述两个互感器的次级线圈反相串联后、与一个报警继电器k的控制线圈形成回路，

三个报警继电器k的常开触点与第二继电器k2的常开触点相互并联，然后与第二继电器k2的控制线圈相串联连接在声音报警器6-1的工作电源回路中，所述声音报警器6-1和光报警器6-2并联连接。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一至四中任意一种实施方式的不同之处在于，它还包括液晶显示电路8，液晶显示电路8的显示信号输入端连接DSP与CPLD控制电路4的显示信号输出端。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一至四中任意一种实施方式的不同之处在于，它还包括工控机监控单元7，工控机监控单元7的监控信号输入端连接DSP与CPLD控制电路4的显示信号输出端。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式七：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式是一种基于实施方式一所述的PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿控制系统的控制方法，它的控制方法为：

信号调理电路3将采集到的电网的三相瞬时电流值和三相瞬时电压值进行调理之后，输出给DSP与CPLD控制电路4；

DSP与CPLD控制电路4根据接收到的电流和电压信号计算获得电网的基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、无功功率和功率因数，并根据瞬时无功功率理论进行基波与谐波计算，并确定需要补偿的无功量；

DSP与CPLD控制电路4根据所述需要补偿的无功量，在九域图的基础上，增加表示谐波分量的空间纵轴矢量，形成空间九域，根据获得的电网参数在所述空间九域中的位置，控制无功补偿电容投入电网的原则为：

参数在区域0中，电网无功功率与电压均合格，不调节；

参数在区域1中：电网无功功率越上限，电网电压越下限，投电容器组；当电容器组全部投入时，发升压指令；当有载分接开关处于上限位置时，发强投电容器组指令；

参数在区域2中：电网无功功率越上限，电网电压合格，投电容器组；

参数在区域3中：电网无功功率越上限，电网电压越上限，发降压指令；当有载开关处于下限位置时，发强切电容器组指令；

参数在区域4中：电网无功功率合格，电网电压越上限，发降压指令；当有载开关处于下限位置时，发强切电容器组指令；

参数在区域5中：电网无功功率越下限，电网电压越上限，发切电容器组指令；当电容器组全部切除时，发降压指令；

参数在区域6中：电网无功功率越下限，电网电压合格，发切电容器组指令；

参数在区域7中：电网无功功率越下限，电网电压越下限，发升压指令；当有载开关已处于上限位置时，发强投电容器组指令；

参数在区域8中：电网无功功率合格，电网电压越下限，发升压指令；当有载开关处于上限位置时，发强投电容器组指令。

本实施方式所述动态无功补偿控制方法中：

信号调理电路3采集获得的电网的三相瞬时电流值和三相瞬时电压值都是mv的信号，该mv的信号经信号调理电路3放大后获得0-3.3V的电压信号，然后再发送给DSP与CPLD控制电路4。

DSP与CPLD控制电路4将接收到的0-3.3V的电压信号进行模/数转换之后，计算电网的各个电学参数。

DSP与CPLD控制电路4控制无功动态补偿单元2进行投/切的过程为：DSP与CPLD控制电路4在电压过零点的时刻发出3.3伏的电压信号给电平转换电路5，该电平转换电路5将接收到的3.3伏的电压信举升为12伏的电压信号驱动无功动态补偿单元2实现电容器的投/切。

本发明包括了PPF滤波及静态无功补偿部分和TSC动态无功补偿部分，这种谐波抑制与动态无功补偿技术，将PPF大功率滤波与TSC动态补偿技术相综合，具有如下特点：

一、以PPF静态补偿无功为主，以TSC动态补偿无功为辅，基于符号计算，开发设计滤波与补偿参数的Maple算法软件，具体计算方法如图3所示，图3中各种参量可以通过以下的方法计算：

母线功率因数λ₁；其中t2为电压过零时刻，t1为电流过零时刻，单位为毫秒；

设定电网的期望功率因数为λ₂，计算所需补偿无功Q_Lmax为系统最大无功；

根据实测谐波电流确定PPF基波无功补偿容量Q_PPF：根据系统最小无功Q_Lmin，Q_PPF≤Q_Lmin以不出现无功过补为依据；

根据PPF基波无功补偿容量Q_PPF确定TSC基波无功补偿容量Q_TSC：Q_TSC＝Q_C-Q_PPF；

根据经典谐波计算PPF滤波及TSC补偿通道参数值，在PPF中，TSC中，进行系统电抗L_S抗及电网频率f的摄动分析，来保证系统稳定性；

确保PPF和TSC组合投切后不与系统发生谐振参数值；根据动力学仿真进行谐振预测，避开谐振点。

二、电平转换电路5可以采用以75451为核心的电路实现，将输入的3.3伏PWM信号进行电平转换为12伏电平信号，驱动相应组晶闸管投切电容器TSC实现TSC补偿通道的动态投切。

本发明方法中控制回路得到采样0-3.3伏的电压与采样电流后，DSP对采样电压与采样电流进行瞬时无功功率理论计算，确定需要补偿的无功量；根据CPLD计算所得电压过零点，DSP发出3.3伏的电压信号，此信号经75451电平转换电路举升为12伏的电压信号用来驱动TSC晶闸管开关，将无功补偿电容投入电网。CPLD经总线通信将DSP计算所得的基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功、无功、功率因数、滤波通道投入个数及容量均显示在液晶屏上，作为友好人机界面；同时可通过液晶屏进行TSC系统参数设置，使控制器满足不同无功补偿背景控制的需要。

三、基于容值及损耗角正切对滤波电容器组进行参数优化组合，三相无功平衡，不会影响系统电网三相平衡；同时单调谐滤波通道兼顾其它次谐波的滤除作用；

四、通过调整电抗器感抗值进行LC谐振点调谐，三相滤波通道谐振频率平衡，起到良好的滤波和抑制浪涌电流、电压闪变的效果；

五、基于电网电抗L_S及电网频率f的参数摄动优化滤波电抗器参数，可在一定范围内调整LC谐振点；保证电网谐波满足国家GB/T-14549-93标准；

六、对滤波电容器组进行参数优化，确保三相无功平衡，提高系统运行稳定性；在PPF静补基础上控制TSC动态补偿，使功率因数达到0.95以上；

七、以满足系统稳定性为主要指标，通过参数摄动分析及仿真预测设计参数，确保35kV以下各级电网的电流畸变率小于8％，电压畸变率小于4％；

八、采用可控硅组投切无功补偿电容器组，响应时间小于20ms；

九、TSC满足8:4:2:1编码要求，依次过渡投切，补偿阶梯波畸变低；

十、基于参数摄动分析设计PPF与TSC参数，预测装置投切的分岔与混沌特性及滤波与补偿效果，预测装置投切的分岔与混沌特性及滤波与补偿效果，确保PPF、TSC不与电网发生并联谐振；

十一、可实时监测负载无功、谐波电流及系统运行电压的变化；TSC的电抗率可降到5％以下，有效提高动态无功补偿容量、降低设计成本；

十二、对于无功变化剧烈、谐波突发无常的冲击性负荷，起到增容、稳压和节能效果；有效降低谐波损耗，提高设备的使用寿命与性能；

十三、TSC可补偿PPF欠补的无功，PPF可有效抑制TSC投切瞬间对电网产生的冲击。

本发明技术可满足无功快速变化的35kV以下各级电力系统谐波抑制与无功补偿的需要，有效提高电网末端电压，保证用电设备提供高质量的用电，提高设备的应用性能与使用寿命，响应国家节能降耗的要求。

本发明根据无源滤波器PPF与晶闸管投切电容器TSC各自的特点及电网中无功负载的工作特性，提供了一种负载含有谐波电流环境下的无功补偿系统及其控制技术，它能滤除负载产生的各次谐波电流，抑制PPF及TSC与系统发生的并联谐振，并对系统无功进行近似连续补偿，提供了一种滤波效果好、可以实现动态补偿的无功补偿方案。

本发明根据实测谐波设计PPF滤波通道，它的PPF主要包括LC谐振点为250Hz的5次单调谐滤波通道，基于动力学仿真预测进行PPF拓扑分析及参数优化设计，通过感性区谐振点调试，兼顾其它次相邻谐波的滤波功能如何分析及优化设计，并确保不会出现无功过补；由于TSC分担的无功补偿容量较低，且采用8:4:2:1编码，故补偿的无功阶梯差较小，在一定误差范围内近似连续补偿。

当负载工况发生变化时，首先由PPF滤波并进行固定无功补偿，如果功率因数达不到设计要求，则TSC控制器基于瞬时无功功率检测，决定TSC自动地进行分级无功补偿；由于谐波大部分流入到PPF滤波通道，所以TSC发生LC谐振的可能性被降至最小，一股可将TSC的电抗率降至5％，特殊谐波条件下可降至3％，因而可大大降低TSC的设计成本。

本发明所述控制方法的理论过程为：

步骤一：根据图1所示的无功矢量计算，获取无功变化的最大值与最小值，确定PPF滤波通道的谐振点及无功补偿容量，给出TSC最大无功补偿容量及补偿通道数，开发设计滤波与补偿参数的Maple计算软件；

步骤二：给出适用于35kV以下各电压等级要求的滤波电容参数设计算法，优化PPF拓扑结构，结合经典分岔与混沌动力学参数设计，确定滤波电容及滤波电抗器参数；

步骤三：以保证三相滤波通道谐振点平衡、抑制浪涌电流及电压闪变为出发点，优化滤波器LC参数，确保各次电网谐波满足国家GB/T-14549-93标准；将PPF投切后电网出现无功过补的可能性降至最低；

步骤四：放电线圈差压保护信号与继电控制相结合，喷逐式外熔断器故障指示与断路器自动保护构成闭环，适用于无功变化不剧烈电网工况下PPF的自动切除控制；

步骤五：对于无功变化剧烈的电网工况，PPF电容器保护与继电声光报警系统开环，可在控制室监控高压室滤波装置的故障信息，有效提高PPF系统的安全可靠性；

步骤六：设计基于瞬时无功功率理论的TSC控制器，控制可控硅阀组投切无功补偿电容器组，响应时间小于20ms；TSC按照8:4:2:1编码，实现相对于PPF的微调补偿，最大程度地降低无功阶梯畸变率、逼近无功连续调整效果；

步骤七：根据实测谐波电流及系统运行电压，计算TSC的电抗率，一股可从正常的6％降至5％，最低可降至3％，因此可有效提高动态无功补偿容量、降低设计成本；

步骤八：对PPF+TSC装置进行参数优化及仿真验证，确保三相谐振点及无功平衡，提高系统运行稳定性；以电网谐波满足国家GB/T-14549-93标准、电网功率因数达到0.95以上、电流畸变率小于8％、电压畸变率小于4％为参数验证准则；

步骤九：当负载无功连续变化时，检测相应的电压、电流瞬时值，利用瞬时无功理论计算出系统所需补偿的无功容量，兼顾TSC、PPF与电网电抗的并联谐振分析，确定TSC的投切组合，并完成TSC的自动投切；

步骤十：设计基于DSP2812与CPLD EPM7128的控制电路、CT与PT信号调理电路、3.3V到12V的电平转换电路、液晶显示电路、高压TSC的高端取能等硬件电路设计。

本发明PPF与TSC相结合的高压滤波与动态无功补偿，由以某次滤波通道为主的PPT和多组晶闸管投切电容器TSC构成，带通PPF滤除主要谐波并补偿基本无功，以电网负荷最低时不出现无功过补为上限；TSC对无功进行分级补偿，起微调作用，由于TSC无功补偿容量较低且分组适当，可近似实现无功的连续补偿。本发明结合PPF滤波的高电压大功率及成本较低的优势与TSC对无功补偿的快速性和动态特性，相对于单一的PPF及TSC均具有极大的性能与成本优势，提供了一种负载含有谐波电流环境下大容量无功快速补偿的高性价比方案。

利用PPF滤除负载谐波电流，可以有效降低传统TSC中平波电抗器的电抗率，节约系统成本、提高无功补偿效能。

本发明独特的PPF拓扑结构使系统在负载波动剧烈的情况下具有良好的动态性能和稳态精度，尤其具有良好的抑制浪涌电流与电压闪变的能力。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

如图2所示，PPF滤波通道三相Y接，采用断路器投切方式，放电线圈与继电保护系统闭环，实现对PPF工况的实时监测；滤波电容器组采用2串多并形式，通过参数优化，单调谐滤波通道兼顾其它邻近谐波的滤除工作；经动力学分析确保PPF在基波下呈容性、谐波下呈感性，确保PPF能够补偿基本无功且不会与系统电抗或TSC发生并联谐振。

TSC由补偿电容器、平波电抗器和晶闸管组成，采用三角形连接方式，各组TSC拓扑相同，补偿容量按2^n-1方式编码，n＝1，2，...，N，N≤M。通过PPF特定谐波滤波后，可将TSC的电抗率由6％降至5％、最低可降至3％；由于TSC只承担系统最大与最小无功的差值部分且采用多路补偿通道形式，因此无功阶梯波相对较小，在特定情况下近似连续。

TSC投切规则为：

1)将TSC的补偿容量按照8:4:2:1比例分组，可得到15种投切方式；本专利的特色在于PPF已投切情况下，有效控制TSC的投切组合。

2)基于PPF与TSC谐振分析，确定PPF与TSC投切组合；

3)DSP根据计算得到系统所需补偿的无功量Q_L，参考2)决定哪组无功补偿通道投切。

4)DSP控制系统发出TSC投切信号，经3.3V-12V电平变换后，使相关无功补偿通道送出无功到电网，补偿无功，并实时监测功率因数的变化。

5)以检测得到的基波无功信号为参考控制信号，结合九域分析控制，并与谐波分析相结合，给出基于PPF滤波前提下的TSC控制策略。

工作过程说明：

1、在不出现故障的情况下，PPF通过断路器控制一直接在三相母线上，滤出特定频率的谐波，并保证在电网负荷最低的情况下不会出现无功过补，起定补作用。

2、安装在三相母线上的电流及电压传感器采样得到的mV级电压信号，送到信号调理电路放大、举升，变成0-3.3V的电压信号送至DSP2812的A/D端口；

3、DSP根据瞬时无功功率理论进行基波与谐波计算，基于九域法计算决定TSC哪一通道投切，发出3.3V的电平信号经75451驱动电路转为12V电压信号，驱动可控硅阀组动作，将补偿通道接入电网；

4、如PPF滤波通道出现故障，则放电线圈送出差压保护信号到继电保护回路，发出声光报警信号；如发生并联谐振，则直接断开断路器。