晶闸管投切滤波器TSF的研究

48江苏电器 (2007 No.3)作者简介：蔡超（１９８５－　），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式微处理器的应用，工业控制； 张亚迪（１９８１－　），男，博士研究生，研究方向为电能质量与控制、电力电子在电力系统中的应用、灵活交流输电技术。

０ 引言 配电网功率因数低和存在大量谐波电流是困扰用户和供电系统的严重问题。

因为功率因数降低会导致电网损耗的增大，谐波电流会使电机的寿命减小和影响其它电力用户。

提高功率因数所采用的主要装置有：投切电容器组、ＳＶＧ（静止无功补偿器）和可控电抗器。

投切电容器组的特点：（１）采用机械式投切电容器组，投切时会产生很大的冲击电流和拉弧过电压，动态响应速度慢，达不到快速补偿的目的，接触器动作次数有限，使用寿命短，可靠性差［１］；（２）在负荷谐波电流较大的情况下，电容器组易发生谐波放大现象或可能与系统发生串联谐振。

ＳＶＧ的特点：（１）响应速度快，时间为０．０２ｓ；（２）结构较复杂，成本较高，可靠性有待提高；（３）　输出无功功率连续可调。

消除或抑制负荷谐波电流的装置主要是无源和有源滤波器（其中典型代表为ＡＰＦ），前者结构简单，可靠性高，但存在易于系统发生谐振等缺点；后者结构复杂，成本较高，不会与系统发生谐振，但成本较高、可靠性不高［２］。

本文提出一种新型谐波、无功补偿器ＴＳＦ，不仅能够动态地补偿负荷所消耗的无功功率，还能吸收负荷所产生的大量谐波电流。

１ ＴＳＦ滤波器的结构和基本工作原理 ＴＳＦ装置是一种动态无功和谐波补偿装置［３］，它利用电力电子器件作为开关器件将串联电容和电感与系统连接起来，通过改变电力电子器件的导通角达到改变负荷大小的目的［４－５］。

图１所示为ＴＳＦ装置的原理结构图。

家控制系统来避免投切振荡，从仿真试验和实际运行的结果来看采用新控制系统后，不仅装置的投入过渡过程大大减小，而且负荷的电流波形总畸变率有了明显地降低，功率因数达到国家要求。

仿真和实验结果表明了ＴＳＦ在改善电能质量方面的有效性和可行性。

晶闸管投切滤波器ＴＳＦ的研究分析了晶闸管投切滤波器ＴＳＦ　（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ　Ｓｗｉｔｃｈｅｄ　Ｆｉｌｔｅｒｓ）其主接线和特点，采用专电能质量；功率因数；谐波；晶闸管投切滤波器蔡超，张亚迪（武汉大学，湖北　武汉　４３００７２）中图分类号：Ｔ－６５２．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－３１７５（２００７）０３－００４８－０４摘 要：关键词：Research of the Thyristor Switched FiltersAbstract: TSF (Thyristor Switched Filters) main circuit and characteristics is analyzed. Then expert systems are applied to the control system in order to avoid operation surge. According to the results of simulations experiments and actual run, the transition procession current’s peak value are cut down greatly with new control system. With the TSF was used, the current total harmonic distortion is obviously reduced, and the power factor met the national requirements. The results of simulations and experiments show that TSF is feasible and effective on improving power quality.Key words: power quality; power factor; harmonic; thyristor switched filters (TSF)CAI Chao, ZHANG Ya-di（Wuhan University, Wuhan 430072, China ）晶闸管投切滤波器ＴＳＦ的研究　江苏电器 (2007 No.3) 本装置共分为断路器、晶闸管串联各次滤波器组、控制驱动保护、风机（散热）四大部分。

为了更好地实现对系统谐波的实时控制及对无功功率进行分级补偿，在此，我们将滤波器分成若干组：５次滤波器两组，７次滤波器两组，１１次滤波器一组。

这样做的好处是，可根据需要，对不同时刻的无功状况，进行不同组态的组合投切［６］。

１．１　主电路拓扑结构 为了能够同时滤除负荷电流中正序分量和负序分量，ＴＳＦ装置一般都采用三相中性点不接地系统。

其电气主接线的形式多样，按连接方法可以分成：三角形和星形两大类；按电力电子开关器件也可以分成：两个反并联晶闸管和晶闸管与二极管反并联两大类。

具体的主电路结构如图２所示。

图２所示的主接线均为星型接法，ａ）图所示为滤波器通过反并联晶闸管与系统相连。

晶闸管两端电压过零，控制器发出导通信号，触发晶闸管导通。

由于滤波器中存在电感，关断时电容残压可能大于系统电压峰值。

再次触发晶闸管，其两端电压会没有过零点，不能导通。

所以在电容器两端需要加装放电电阻，因此不能实现滤波器快速频繁地投切。

图２ｂ）所示为滤波器通过晶闸管与二极管反并联和系统相连。

二极管先导通，系统给电容器充电，使电容两端电压达到系统电压的峰值，再当晶闸管两端电压过零，触发其导通。

该方式无须等待电容器放电，可以简单实现滤波器的快速投入和切除。

但存在装置上电时会有一定过渡过程（二极管导通），对电容和电感会产生冲击，响应时间最大需要０．０２ｓ，响应速度不快等不足。

采用的主接线型式如图３所示，滤波器通过两个反并联晶闸管与系统相联，三组电容器为三角形接法，并提出晶闸管ａ、ｂ、ｃ为两端电压过零导通，当系统电压达到最大值时触发晶闸管ｄ、ｅ、ｆ，使装置达到最小过渡过程投入。

本方案通过对晶闸管不同时刻导通不仅减小装置投切的过渡过程而且加快其响应速度（达到１０ｍｓ），还利用三角形接法解决了由于各相导通先后不同而造成中性点电位上升，使得其它相不能导通的问题。

该补偿装置兼有ＴＳＣ和滤波器两者的优点，有以下几个特点： （１）通过在电容器支路加装电抗器，可以同时起到限流和滤波的作用［７］； （２）采用ＴＳＦ的最小的投切角度触发策略实现滤波器组最小无过渡过程投入的目的； （３）在控制策略方面选用智能控制专家系统，能有效地避免投切振荡。

１．２　控制系统 由于本装置的被控对象是滤波器的投切状态，这是一个离散变量，而通过连续的数学模型所得出的投切状态不能完整表达出来，因此所出的结果往往不能满足实际的需要，这时专家和运行人员的经验、判断是至关重要的［８］。

经过对负荷的谐波畸变率进行分析，得出负荷电流中的５次谐波含量最大，７次和１１次谐波较大，其余谐波含量较小。

因此本装置共分为五组滤波器，图１　ＴＳＦ装置的原理结构图图２　ＴＳＦ的主电路接线图图３　改进后ＴＳＦ的主电路接线图晶闸管投切滤波器ＴＳＦ的研究4950江苏电器 (2007 No.3)假设装置补偿的总无功容量为Ｑ，５ａ表示５次滤波器ａ组，容量为１／２Ｑ，５ｂ表示５次滤波器ｂ组，容量为１／４Ｑ，５ｃ表示５次滤波器ｃ组，容量为１／８Ｑ，７次和１１次各一组，容量均为１／１６Ｑ，可组合成１０种补偿状态，具体见表１。

２ 装置的应用 ＴＳＦ装置在武汉某钢厂投运使用后，取得了良好的效果。

设备外形如图４所示。

２．１　两种主接线方式过渡过程的比较 图５ａ）所示为图２ｂ）型主接线公共节点处的电流波形。

控制器在ｔ＝０．０８ｓ时，发出ＴＳＦ投入控制信号，但由于控制信号有很小的一个时间延迟，ＴＳＦ只能在ｔ＝０．１ｓ才会被投入。

ｔ＝０．１～０．４ｓ，装置投入运行后，滤除电流中的大量谐波，系统电流经过６个周期过渡过程才恢复平稳，过渡过程时间为０．１２ｓ，电流过渡过程的最大值为１４０Ａ。

图５ｂ）表示的是图３型主接线公共节点处的电流波形，控制器在ｔ＝０．０８ｓ时，ＴＳＦ立刻投入运行。

装置的过渡过程时间为０．０４ｓ，电流过渡过程的最大值为１００Ａ。

仿真试验证明，本文所采用的主接线形式和触发角，电流过渡过程最小。

２．２　装置补偿效果 图６表示的是公共节点处的电流波形。

ａ）图所示装置没有投入，负荷电流中含有大量的谐波，波形总畸变率高达２４．３％，此时功率因数仅为０．７５。

ｂ）图为装置投入运行时的公共节点电流波形，负荷电流的大量谐波已被滤除，波形总畸变率为５．２％，此时功率因数为０．９０５。

试验表明ＴＳＦ能够有效的减小谐波和提高功率因数。

图４　ＴＳＦ装置外形图图５　两种主接线电流过渡过程图６　补偿前后公共节点电流级数１２３４５６７８９１０５ａ００００１１１１１１容量Ｑ０１／８１／４３／８１／２５／８３／４７／８１５／１６１５ｂ００１１００１１１１５ｃ０１０１０１０１０１７００００００００１１１１０００００００００１表１ ＴＳＦ装置的１０种补偿状态组名晶闸管投切滤波器ＴＳＦ的研究51　江苏电器 (2007 No.3)３ 结语 分析了晶闸管投切滤波器ＴＳＦ的主接线和特点，改进了装置的主接线电路，并从理论上推导出电流最小过渡过程的初相角。

设计出基于瞬时无功理论检测系统，实时检测出负荷的无功功率和基于智能控制专家系统的控制系统，有效避免投切振荡。

通过仿真和试验表明，补偿后负荷的功率因数从０．７５提高到０．９０５，谐波含量由２４．３％降低到５．２％。

参考文献［１］　谷永刚，肖国春，裴云庆，等．晶闸管投切电容器 （ＴＳＣ）技术的研究现状与发展［Ｊ］．电力电子技术，２００３， ３７（２）．［２］　李江，孙海顺，程时杰．基于灰色系统理论的有源 滤波器的预测控制［Ｊ］．中国电机工程学报，２００２， ２２（２）．［３］　石新春，杨梅玲，喻德忠，等．一种采用零压型开 关的ＴＳＣ低压无功补偿装置［Ｊ］．电网技术，２０００， ２４（１２）．［４］　韩英铎，严干贵，姜齐荣，等．信息电力与ＦＡＣＴＳ 及ＤＦＡＣＴＳ技术［Ｊ］．电力系统自动化，２０００，２４（１９）： １－６．［５］　Ｇｒａｄｅ　Ｗ　Ｍ，　Ｓａｍｏｔｙｊ　Ｍ　Ｊ，　Ｎｏｙｏｆａ　Ａ　Ｈ．　Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｌｉｎｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ－ ｏｌｏｇｉｅｓ　［Ｊ］，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ， １９９０，５（３）：１５３６－１５４２．［６］　袁佳歆，陈柏超，万黎，等．基于ＤＳＴＡＴＣＯＭ改善 配电网电能质量的研究［Ｊ］．电网技术，２００４，２８ （１９）．［７］　陈柏超．新型可控饱和电抗器理论及应用［Ｍ］．武 汉：武汉水利电力大学出版社，１９９９．［８］　赵刚，雷林绪，施围．晶闸管投切电力滤波器组的 工程应用［Ｊ］．电工技术，２００１（２）．收稿日期：２００６－１２－０１４ 结语 本次设计的火电厂吹灰控制器具有如下特点：硬件结构简明，程序方面清晰明了，通俗易懂，同时综合考虑了吹灰器运行特点、互锁保护线路以及故障报警等诸多方面，真正实现了有效的在线自动控制；除此之外，设计的简易模型较好地模拟出了吹灰器运行的全过程，对吹灰器本身的物理特质根据研究需要（主要用于测试控制性能）进行了大胆的简化。