基于非线性动力学建模的PTSC滤波与无功补偿系统研究

骆厚继

摘  要：根据煤矿集团变电站供电模式的不同，可知大功率直流设备与变频设备的使用均存在无功和谐波问题的影响，极易使电网运行质量受到干扰，使煤矿开采存在风险。而为了解决以上问题，必须基于非线性动力学建模系统明确无功与谐波影响的确切位置与参数，落实模拟实验，而后再提供对应的滤波装置与无功补偿系统，分辨是否能够遏制此类问题继续出现，才能使此类变电站问题得以有效解决。

关键词：非线性动力学;PTSC滤波;无功补偿;系统设计

中图分类号：TM714.3         文献标志码：A         文章編号：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

无功补偿系统在煤矿集团变电所中的有效利用，既能够根据变电线路运行状况，为发电机的运行提供适当保护，以便降低设备与系统内有功功率与电能的损耗，使变电设备系统的可使用寿命得以显著延长，同时凭借无功补偿系统，更能够有效遏制电网波动与谐波影响等问题，使系统电能质量得以改善，也有助于提高发电机的有功功率。因此，站在能源可持续发展与电网稳定运行的角度，设计人员理应对无功补偿与PTSC滤波装置给予充足的认识。

1 研究背景

本项目为某煤矿集团变电所无功补偿与谐波治理系统设计。现有变电所变一次侧额定电压为66kV，二次侧额定电压为6.3kV。在变电所工作期间，上午11时～下午1时通常选用大功率直流设备，而下午4：30～6：10时通常选用大功率变频设备，以便煤矿开采工作质量得以保障。根据调查资料可知，直流设备与变频设备受无功和谐波因素影响较严重，不但极易影响煤矿现场正常的供电质量，同时还会降低发电机的能耗利用率，极易使煤矿开采设备的应用受影响。因此，煤矿集团对变电所线缆进行了谐波与无功测试，以便找寻到确切的问题点，而后再利用高压可控硅投切无功补偿电容器与无源滤波装置，使原有问题得以解决。

2 建模分析

非线性动力学建模理论主要应用于自然界非周期性特点的研究，它既能够通过非线性标度指数为观察者提供随机现象中最具主导性的特点因素，同时在随机性环境中，更能够将不同尺度与流线展现给观察者，以便更好的掌握随机现象中的潜在规律。例如，在分辨谐波问题时，便可以站在保守和耗散两种角度对谐波问题进行观测，以便更好的发掘数学动力系统中的轨道，使多尺度现象的基本元素与定理被知晓，而后再通过混沌时间序列与符合序列对所获得的资料进行筛选，按照拓补结构与功能性要求，更好的展现在数据管理平台中，以便设计者更直观的发觉数字模型中潜在的风险点。[1]

因此，在非线性动力学建模期间，设计者必须率先对原有变电系统运行状况进行检测，明确，在明确谐波范围、电压数值、电流大小、无功状况等数据后，才能将高压TSC与高压PPF设备并联于变电系统内部，以便更好的查看无功补偿与滤波的效果。在此期间，高压TSC与PPF参数设计应遵循以下要求：

（1）高压TSC：设备应安装至二次变电侧6.3kV的电压环境，设备总补偿容量为1050Kvar，期间无功补偿通道应分为三条，分别为150、300、600Kvar。结合变电站设备安装预留空间尺寸可知，TSC柜三面尺寸应选用1.8×1.7×2.6m，控制柜尺寸1.2×1.7×2.6m，TSC柜安装期间，应确保所处环境干燥且洁净，避免与其他设备距离过近。[2]

其次，在选用高压TSC柜时，需确保其投切无功补偿电容器组的响应速度低于20ms，并且在电网系统中需设置监测元件，以便时刻观察电网系统的无功与谐波电流状态，使装置使用的效果更便于察觉。最后，在TSC装置使用期间，需对多级电容器进行快速且频繁的投切操作，以此辨别响应速度是否迅速。另外，在参数设计过程中，设计者应确保冲击性负荷能够为电网线路提供较好的补偿效果，以便满足电网稳压与节能效果的要求。

（2）高压PPF：设备应安装至二次变电侧6.3kV的电压环境，设备总补偿容量为4500Kvar，结合变电站观测数据可知，高压PPF设备的选用主要需滤除5次谐波，以避免对电网运行质量造成影响，其中谐振点选择4.63。根据变电站设备预留空间尺寸可知，高压PPF控制柜应选用1.2×1.7×2.6m型号，在PPF控制柜安装期间，应确保说出环境干净整洁，且线缆连接牢固，不存在漏电等风险。

其次，在选用高压PPF控制柜期间，需确保单相工作电流满足420A的要求，且滤波电抗器的正负调整范围可达到5%，以避免对变电站供电系统造成较大的影响。期间，滤波电容器在参数选择过程中，应注意三相是否处于无功平衡的状态，确保不会影响变电系统内的三相平衡，才能将此设备应用于系统内。待电抗器落实调谐操作后，三相滤波通道应确保仍處于平衡状态，且滤波、稳压与节能要求都能够得到满足。[3]

3 无功补偿系统设计

3.1 静态滤波与TSC相结合

根据建模参数可知，在配电系统正常运行的环境下，工频信号通常会伴随着大量非线性负荷用电设备的增加，使电网内谐波量增加，如此便极易导致电压与电流发生波形畸变，若单纯采用传统PPF或TSC无功补偿装置，虽然可以实现电容器快速无触点的投切，但是谐波的存在同样会使电容器受影响，甚至与供电系统发生谐振反应，使电容器极易受损。其次，若选用传统的接触手动投切电力滤波器消除系统内谐波，也会因为自动化较低和反应不及时等问题，使配电系统的运行难以保持稳定，进一步可能对电网运行质量造成极为严重的影响。因此，PPF静态滤波与RSC动态无功补偿设备相结合，能够在避免谐波对电压和电流造成影响的同时，凭借动态无功补偿设备，应对系统内突如其来的电流变化，使配电系统的稳定性得以显著提升，并且也避免对配电系统的运行质量造成影响。[4]

3.2 谐波过滤

PPF无源滤波装置的应用，能够借助电磁感应及电抗器的原理，有效识别配电网系统内存在的谐波范围与规律，借助滤波电容器串联高线性度装置，能够组成较完善的滤波补偿系统，以便在吸取配电系统中谐波分量的同时，补偿无功功率，使无功补偿与滤波功能彻底融为一体。期间，凭借电磁感应能够迅速识别配电网负荷变化，通过滤波装置及时抑制电流波动性，使配电网能够持续处于稳定的运行状态。

而在设计过程中，设计者理应明白谐波电流的大小与设备工作电流呈正比，因此在选择适合的滤波装置期间，必须降低配电网中的电压，以便使电流强度得以下降。而在静态与动态滤波器安装期间，设计者应借由控制器测量配电系统中的负荷谐波电流，确定谐波范围、电压畸变率、电流畸变率、谐波电流、功率因数等数据后，才能根据实际情况控制双向可控硅过零触发[5]，以此实现非线性负荷的调控，使动态无功补偿与滤除谐波的要求得以满足。在此期间，投切操作应保持无冲击、无过度与无涌流的过程。

3.3 过零投切研究

过零投切需从电压与电流、复合三个方面分析：

电压过零投入：为避免配电系统运行过程中产生涌流等状况，此种措施通常需要在电源电压与电容器电压相位相等的位置安装电容器，确保能够在电压数值超过变动极限的瞬间接入系统，以便使配电网系统运行保持稳定。

电流过零切除：为避免在开关接电处存有电弧分断情况，电流过零切除通常需要电容器与电压、电流方向保持垂直相位差，待电压抵达某一峰值或某处电流数值为零时，极易对配电网设备造成损伤的瞬间，便可以将电容器接入，以便电流归零切除，使配电网持续处于稳定的运行状态。[6]

复合过零投切：此种开关方式的原理是将PPF与TSC并联，通过谐波过滤与无功补偿装置可有效落实电压过零导通和电流过零切断的要求，以便配电网系统持续保持稳定的运行状态。期间，复合开关在与配电网接通和断开过程中，能够通过可控硅瞬间改变电压与电流的运行状态，并在正常接通期间避免接触器产生不必要的功耗，使配电系统运行的可控性得以显著增强。在复合过零投切应用期间，需首先在装置投入前在电压过零瞬间，凭借可控硅预先触发，查看能否有效干预配电网运行环境，而后待电压及电流稳定后，再将电磁继电器安置在配电系统内。在复合开关切除时，则需要优先将电磁继电器断开，而后再将可控硅延时过零断开以避免对配电网运行状况带来较大的影响，并实现电流过零切除要求。

4 仿真分析

在非线性动力学建模仿真分析过程中，管理人员须对煤矿集团变电站第二变侧产生的无功与谐波状态进行测试，确定二者对电网质量造成的实质性影响，同时根据谐波范围、电压畸变率、电流畸变率、谐波电流、功率因数等资料，拟定详细的无功补偿与谐波设计方案。

首先，根据5次配电网电压及电流矢量关系的验证资料可知，单纯的TSC设备在第二变侧6.3kV应用的电压畸变率有效降到了4%以下，而TSC与PPF同时安装至配电网内，便能够将电压畸变率降低至1.6%以下;而TSC设备在同一位置安装后，测得电流畸变率从25%下降至8%标准值以内，而当TSC与PPF设备同时安装至配电网内，便能够将电流畸变率降低至3.9%以下，可见不论述电压与电流畸变率，TSC与PPF装置组合使用的效果更好。

其次，在谐波电流分析期间，设计者依照国际标准对配电网内公共连接点的最小短路容量进行了调查，通过谐波电流允许值的计算可知，在配电网运行过程中，曾有多次谐波值超过国家标准，而在此参照资料下，通过TSC与PPF投切装置的应用，可知测试资料中的各次谐波电流均呈现出不同的降低，并且均满足了国标的基本要求。

最后，为明确TSC与PPF装置对配电系统功率因数可能造成的影响，本次仿真分析对原有系统的功率因数与改造后的系统功率因数进行了比对，期间，需确保静补与动补装置按常规要求安装。而根据实际调查资料可知，TSC与PPF装置的同时投运，使其功率因数最大值达到了0.99，对比国标可知满足使用要求。具体实际功率因数曲线详见图1。

5 结论

TSC与PPF装置在煤矿变电所中的有效利用，既能够有效降低谐波与无功情况对配电系统正常运行的影响，使电网中的电力设备均能够持续利用，避免对设备寿命造成损害，同时凭借非线性动力学模型计算平台，更便于查看配电网系统中落实静补与动补的适用性，以便使无功补偿系统的质量可控性得以显著增强。故而，在论述基于非线性动力学建模的PTSC滤波与无功补偿系统研究期间，必须明确变电所实际面临的问题，并提供有效的补偿调节装置，确保安装规范且性能适宜，才能为后续配电系统的稳定运行提供更全面的技术保障。

参考文献：

[1]张文军，唐鸣，何鹤，等.基于分段非线性函数的无功补偿经济性模型研究[J].浙江电力，2017.

[2]王明帅.基于空域追踪的多通道无功补偿和谐波抑制系统研究[J].电网与清洁能源，2017（4）.

[3]刘海舰，曾庆军，赵冰冰，等.基于滑模控制的SVG无功补偿控制策略研究[J].电力电容器与无功补偿，2017（1）.

[4]蒋炜华，马临超，郑先锋.基于滑模控制的三电平并网风力发电系统研究[J].电力电容器与无功补偿，2017（3）.

[5]石耀慧.滤波无功补偿技术在煤矿高压供电系统的应用[J].煤炭科技，2017（1）.

[6]耿进魁.电力自动化中智能无功补偿技术的应用[J].中国高新区，2017（12）：30.