針對目前煤礦供電系統中非線性負荷無功消耗大，諧波污染嚴重的問題，該文介紹了一種混合型無功補償及濾波方案TCR+TSF，分析了該方案的原理結構、工作方式和控制系統，此外還討論了TSF支路的投切時間，最后通過MATLAB對該方案進行仿真，仿真結果驗證了方案的有效性。

　　TCR+TSF方案的總體結構和工作原理

　　TCR+TSF裝置是一種特殊的TCR+TSC型混合靜止無功補償器，它一般由一組相控電抗器和幾組濾波支路組成，為了使3次諧波不流入電網，TCR支路和TSF支路均采用三角形連接。它所產生的諧波次數包括5，7，11，13，…，在一般的電路中，11次以上的諧波含量對系統的影響很小，因此，這次方案主要實現5次，7次，11次諧波的濾除。在此，我們把濾波器分為：兩組5次TSF支路，一組7次TSF支路，一組11次TSF支路，根據系統不同的無功狀況，投切不同組態的TSF支路。需要注意的是：若有多個TSF支路進行投切時，必須由低次向高次依次投入，而在切除時剛好相反，必須由高次向低次依次切除。另外，TCR支路的容量應該稍大于TSF支路的容量，這樣可以保證系統無功功率的平滑調節。圖1所示是TCR+TSF補償裝置的總體結構圖。

　　圖1 TCR+TSF補償裝置的總體結構

　　TCR+TSF裝置的基本工作原理是：首先根據系統需要補償的無功功率量，投入一定數量的TSF支路，由于投入的TSF支路容量一定，可能會出現過補償，然后通過調節TCR支路的無功功率來補償部分過補償的容性無功功率。如果斷開TCR支路僅投入所有TSF支路，裝置會輸出最大的容性無功 QCmax；而如果僅僅投入TCR支路（=0），裝置會輸出最大的感性無功功率QLmax。

　　在TSF支路中，一般采用兩個反向并聯的晶閘管和系統相連，但是這樣會限制濾波器快速頻繁地投切。考慮操作和成本的因素，本文方案采用一個晶閘管和一個二極管反向并聯的接線方式實現控制。TSF支路的工作方式是：晶閘管未導通時，二極管先導通，系統給電容器充電，理想情況是電容器兩端電壓充電到系統峰值電壓，此時系統電壓的變化率為零，觸發晶閘管導通，TSF支路開始工作［8］。從上面的分析可以看出，投入TSF支路時，電容器兩端電壓已經和系統電壓相同到達了峰值。因此，晶閘管導通后，不會出現電容充放電振蕩現象，實現濾波支路的快速投入和切除。TSF支路采用三角形連接方式，晶閘管采用過零觸發，盡量減小投切TSF支路時的電流沖擊和對煤礦供電系統的影響。

　　TCR+TSF方案的控制系統

　　控制系統可以分為操作和顯示界面、狀態監測、控制器和保護等幾個部分。其中，控制器是控制系統的核心。控制器選用DSP作為主控芯片，采用TI DSP 2812，利用DSP運算速度快、精度高的特點，保證了信號的實時性和運算的準確性。此外，編寫控制算法，由DSP實現，確定出應當輸出的TCR相位信號和TSF投切指令，送到各自獨立的觸發板，并根據DSP主控制板同步信號產生給TCR和TSF的觸發脈沖信號。

　　控制器可分為3個部分的電路：電網信號檢測電路、控制電路和TSF過零觸發電路。電網信號檢測電路采集電網中電壓和電流信號，通過計算快速檢測出煤礦供電系統無功功率的變化，根據需要補償的無功功率值，投入對應的TSF支路，再計算系統容性無功功率，通過控制TCR觸發延遲角α實現動態平滑調節無功功率的目的，最終在補償無功功率的同時達到濾除諧波的效果。圖2所示是控制系統結構圖。

　　圖2 TCR+TSF控制系統結構圖

　　TSF支路投切時間分析

　　TSF支路投切的關鍵在于晶閘管觸發時刻的選取，研究表明，TSF支路最佳投切時間是晶閘管兩端的電壓為零的時刻。TSF支路要求在晶閘管電壓過零點觸發，在這里采用實時從電網電壓取得同步信號來判斷電壓過零點，由軟件算法實現。每一個周期采樣128個點（根據DSP處理器的定時器產生采樣周期，每個周期為156.25μs，即采樣頻率是6.4kHz），對采樣信號進行計算，找出峰值點（即晶閘管電壓過零點），投切適當組態的TSF支路。整個過程可分為2部分：電網電壓頻率的檢測和峰值點的捕捉。

　　檢測電網電壓頻率是為了保持和電網電壓同步，減少實際電網頻率波動引起的非同步采樣產生的分析誤差。在三相電路中，基波的頻率應該為50Hz，但在實際情況中，頻率不可能保持在50Hz，因此需要根據電網頻率的變動，來相應地改變采樣間隔，這樣才能做到等間隔的采樣和準確的測量［9］。要使采樣間隔隨電網頻率的變動而實時調整，可先測得電網信號周期，然后根據每周期采樣點數N，計算出每次采樣間隔Ts，以Ts作為采樣步長，完成等時間間隔采樣。為實現這一過程，經過零檢測電路將電壓采樣信號整形成方波，送到TMS320F2812(＄16.0312)的捕獲引腳CAP1，捕獲單元1對方波的上升沿進行捕獲，通過測量兩次跳變的時間間隔即可獲得信號周期T，從而得到信號頻率。設采樣點數為N，可得采樣間隔，以Ts作為下一周期的采樣間隔，完成跟蹤采樣。此外，將信號進行128倍頻形成的高頻脈沖列作為ADC啟動信號，以使得采樣數據更為精確。圖3所示是過零檢測電路。

　　圖3 過零檢測電路

　　它實際上是一個由LM339(＄0.0760)組成的電壓比較器，當供電電壓為3.3V時能輸出0～3.3V的同步方波，該方波連接DSP的CAP1引腳，經捕捉模塊1處理可實現對電網電壓頻率的實時跟蹤。通過對128個采樣點的計算比較，找出其中的最大值點，即為系統信號峰值點，在峰值點投切適當組態的TSF支路。每過一個基頻周期在峰值點投切時，再根據電網電壓頻率值對峰值點進行修正，這樣可以保證投切峰值點和電網電壓一直保持同步。

　　本文對TCR+TSF型混合無功補償及濾波方案的結構、工作原理和控制系統做了介紹，TCR+TSF同時具有 TCR和 TSF的優點，能夠有效地實現無功補償和諧波抑制的功能，解決電壓波動和諧波電流大的問題，是一種比較理想的改善煤礦供電系統電能質量的方案。仿真結果表明，TCR+TSF型混合無功補償及濾波方案能夠滿足礦井提升機的無功需求，有效抑制諧波，提高了電網功率因數，在煤礦供電系統中有廣闊的應用前景。