陈　群 ， 邹　黎， 陈　超，赵双东， 亓建英

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；

2.山东理工大学 理学院， 山东 淄博 255049)



TSC无功补偿装置在中频电炉中的应用

陈群1， 邹黎1， 陈超2，赵双东1， 亓建英1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；

2.山东理工大学 理学院， 山东 淄博 255049)

摘要：针对中频电炉谐波含量高、功率因数低的问题，提出以DSP为核心控制的TSC滤波补偿装置.介绍了该装置的配置方案和基本组成，设计了电压过零检测电路、晶闸管触发电路和系统框图等.通过基于MATLAB的仿真，验证了装置良好的滤波补偿效果.

关键词：TSC；无功补偿；谐波抑制；中频电炉

随着半导体电力电子技术的发展和大量整流负载的出现，各种交流变频装置广泛应用于中频电炉中[1]，因而会造成电网电压波动较大，谐波污染严重，浪费大量电能，增加了不必要的开支，因此需要增加滤波补偿设备，以满足负荷对无功的需求.针对上述问题，引入晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC)无功补偿装置，经过无功补偿后，电网功率因数得到提高[2]，电压稳定性增强，谐波含量明显降低，中频电炉的利用率得到较大提升.

1　TSC无功补偿装置的配置方案

在中频电炉中，TSC无功补偿装置采用LC无源谐波吸收和无功补偿相结合的配置方案，同时具备滤除电网谐波与无功补偿的双重作用[3].LC无源滤波器是由电容器C、电抗器L和电阻R组合而成的.LC滤波器和谐波源并联，利用谐振原理，对特定次数的谐波呈现低阻抗，使该次谐波与滤波电路发生谐振[4]，将谐波电流滤除掉，抑制谐波.无功补偿装置采用晶闸管作为电容器的投切开关,能够连续投切，每次投切均能保证电容补偿立即进入稳态控制状态.

2　TSC无功补偿装置及基本原理

2.1LC无源滤波器组

对于整流中频电炉负载，通常在整流变压器的低压侧安装5、7、11和13次滤波器支路[5].5、7和 11次滤波器组采用单调谐滤波结构，分别用于滤除5、7、11次谐波电流；13次滤波器采用二阶高通滤波器结构，用于滤除13次及以上的谐波电流.

2.2晶闸管投切电容器

晶闸管投切电容器的基本结构和工作波形如图1所示，图1(a)是单相结构接线图，其中两个反并联晶闸管的作用是晶闸管导通时将电容器组接入电网，晶闸管断开时把电容器组从电网中断开[6].电路中串联的电抗器是用来抑制电容器投入电网时可能引起的冲击电流[7]，此外还可以抑制高次谐波.图1(b)是晶闸管投切电容器投入或者切除的情况下，电网电压、电流波形和电容器上的电压以及晶闸管两端电压波形.TSC与LC无源滤波器组如图2所示.

a) 单相结构图　　　　　　　　b) 工作波形图图1　TSC基本结构和工作波形图

图2　TSC与LC无源滤波器组

2.3系统结构设计

TSC无功补偿装置分为四部分，分别是数据检测部分、控制器部分、执行部分以及补偿器部分.其基本原理是检测部分对电网参数进行检测，经过处理变成控制器部分可以接收的信号.控制部分接收到信号后，经过处理并且与设计目标参数对比，由DSP确定是否发出命令.执行部分接收到DSP发出的指令后，通过晶闸管和接触器控制补偿电容器的投切[8].该系统硬件电路包括电压过零检测电路和晶闸管触发电路.系统框图如图3所示.

图3　系统框图

2.3.1电压过零检测电路

在晶闸管两端电压为零时，触发晶闸管可以做到零电流投切，而且投切效果达到最好[9].一般首先要对晶闸管两端电压采样，然后确定晶闸管电压的方向，也就是要判断电容器电压的极性，为电容器充电做准备，最后检测出过零点[10].由于只是检测电压为零时刻，当电压大于或者小于某个值时把晶闸管电压进行钳位.当信号R.SIG在-2.3~+2.3V范围内变化时，对应晶闸管两端电压在42V左右，电路会给FPGA一个过零信号，此时就会发出投切指令来导通晶闸管，而此时线路产生的冲击电流很小[11].过零检测电路如图4所示.

图4　过零检测电路

2.3.2晶闸管触发电路

本系统设计用在低压场合，采用电磁触发，传统的脉冲变压器由于体积较大，运行效率不高，功耗较大，本系统选用平面变压器代替传统的脉冲变压器.

对晶闸管施加的电流大于其擎住电流时，晶闸管就能可靠触发.本系统设计的基于平面变压器的驱动电路有恒流输出能力，同时输出的电流有较小的纹波.输入端采用两个MOSFET构成推免电路，利用闭环控制，经过电阻反馈，调节MOSFET导通，使得输出脉冲占空比为0.5.输出端是由两个MOSFET同步整流构成，然后由电感滤波输出恒定电流，可靠触发晶闸管.当系统检测到过补时，DSP向FPGA发出切除指令，此时关闭脉冲输出，晶闸管在电流过零处自己关断.为了下次快速运行，通过FPGA控制给电容器充电，使电容器维持电网峰值电压[12].晶闸管触发电路如图5所示.

图5　晶闸管触发电路

2.3.3投切判据与信号检测

TSC无功补偿装置通过检测负荷端无功电流幅值作为电力电容器的投切判据.其原理如下述,设节点电压为

(1)

负何电流为

(2)

即

ip(t)+iq(t)

(3)

其中，ip(t)和iq(t)分别为有功电流分量和无功电流分量.

3　MATLAB建模仿真

3.1仿真设置

为验证装置滤波补偿功能的有效性，在Matlab/Simulink环境下如图6、图7所示建立仿真模型.仿真参数设置为三相可编程电压源产生10kV电压，负载有功功率为1 200kW，无功功率为1 200kVar,功率因数为0.707.在三相变压器二次侧接入三组TSC,每组的容量分别为400kVar、400kVar和300kVar.

图6　TSC无功补偿装置仿真模型

图7　TSC与LC无源滤波器组仿真结构图

3.2仿真结果

TSC无功补偿装置未运行时，中频电炉交流侧电流波形如图8所示，谐波含量与畸变率如图9所示.从图中可以看出，电网谐波含量严重，谐波畸变率较高.

图8　装置未运行时中频电炉进线侧电流波形

图9　装置未运行时中频电炉谐波含量与畸变率

TSC无功补偿装置运行后，中频电炉交流侧电流波形如图10所示，谐波含量与畸变率如图11所示.通过对比可以看出，由于TSC的滤波补偿作用，电网谐波含量明显减少，谐波畸变率明显降低.

图10　装置运行后中频电炉进线侧电流波形

图11　装置运行后中频电炉谐波含量与畸变率

TSC装置运行前后总线无功功率和功率因数如图12、图13所示.通过对比可以看出，总线无功功率由1 200kVar下降到120kVar，而功率因数由0.7上升到1.由此可以看出，仿真结果验证了装置具有良好的无功补偿效果，有效地改善了电网的电能质量.

图12　总线无功功率

图13　负载功率因数

4　结束语

本文介绍了TSC无功补偿装置的配置方案和基本构成，通过搭建基于MATLAB的仿真模型，验证了TSC无功补偿装置良好的滤波补偿效果，有效地改善了电网的电能质量,提高了系统的功率因数,降低了谐波含量和畸变率.随着电网对安全性和电能质量要求的提高，TSC无功补偿装置将拥有广阔的发展空间.

参考文献：

[1] 肖湘宁，徐永海.电力系统谐波治理与其综合治理[J].中国电力,1998，31(4)：59-61.

[2] 刘凤.使用并联电容器进行低压无功补偿的分析与效益[J].广西节能, 2003(2): 24-25.

[3] 李山.无功动态补偿装置SVG在煤矿企业电网中的应用[J].电工技术, 2008 (9): 35-36.

[4] 徐瑞君,高超,韩荣全.基于无源滤波器的电网谐波滤波的研究[J].科技信息,2011(3): 96-97.

[5] 王景山, 邹黎. 并联谐振中频电源的节能降耗与谐波抑制[J].山东理工大学学报：自然科学版, 2012, 26(3): 89-92.

[6] 叶建华.电力电容器的维护与运行管理[J].科学时代, 2012 (13).

[7] 李伟.一种用于炼钢中频炉的谐波抑制装置[D].武汉:华中科技大学, 2007.

[8] 白娟娟,王越,辛建平.基于PLC控制的机械手可视化控制系统设计[J].机电元件, 2012, 32(4): 16-17.

[9] 农为踊.复合型TSC投切冲击电流的抑制与控制研究[D].广州:广东工业大学, 2012.

[10] 李香龙,张炜,任载峰.自关断器件控制的电容器无功动态补偿装置[J].电力电容器与无功补偿, 2013 (1): 24-28.

[11] 龚学波,冶文军,赖远波，等.石油化工厂电力线路的安全条件[J]. 电源技术应用, 2013 (4)：37.

[12] 刘黎明,姚惊瑚.智能式动态无功补偿装置的研究[J].电力自动化设备, 2002, 22(8): 28-31.

(编辑：刘宝江)

Application of TSC reactive power compensation device

in intermediate frequency furnace

CHEN Qun1, ZOU Li1, CHEN Chao2, ZHAO Shuang-dong1, QI Jian-ying1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China；

2.School of Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:For high frequency electric harmonic content, low power factor problem,the TSC filter compensation device based on DSP is presented. In this paper,we describe the configuration of the device and the basic composition and design a zero-voltage detection circuit, thyristor trigger circuit and block diagram of the system and so on. Based on the simulation by MATLAB, the results verify the perfect effect of the filter compensation device.

Key words:TSC; reactive power compensation; harmonic suppression;intermediate frequency furnace

中图分类号：TM 714.3

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2015)04-0075-04

通信作者：

作者简介：陈群，男，chenqunxinxiang@163.com； 邹黎，男， zouli1958@163.com.

收稿日期：2014-09-19