劉光起 楊錦忠

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京市石景山區(qū)，100042)

隨著社會發(fā)展對能源需求量的不斷提升，傳統(tǒng)能源尤其是煤炭開采量日益增多，礦井自動化及礦井信息化成為煤礦保證產(chǎn)量提升的重要手段，然而過多大功率機(jī)械設(shè)備的使用對電網(wǎng)也產(chǎn)生了無功和諧波等方面的污染。在含有大量無功與諧波的電網(wǎng)供電下運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備不但工作效率偏低，甚至容易造成電氣設(shè)備故障而產(chǎn)生隱患，而且在多個大功率設(shè)備同時運(yùn)行時，設(shè)備會因電網(wǎng)無功功率不足而無法啟動，從而影響正常生產(chǎn)。此外惡劣的電網(wǎng)質(zhì)量也會對煤礦井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，造成安全隱患。

針對以上問題，采用煤礦井下隔爆型無功補(bǔ)償發(fā)生器 (SVG)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，由于傳統(tǒng)的兩電平全橋結(jié)構(gòu)不適用于煤礦井下660V交流電壓環(huán)境，所以采用二極管箝位型三電平拓?fù)渥鳛槊旱V井下隔爆型SVG的主電路拓?fù)?，使用普通開關(guān)管的同時降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，諧波含量小。

1 二極管箝位型SVG主拓?fù)渑c工作原理分析

1.1 二極管箝位型SVG主拓?fù)?/h3>

二極管箝位型三電平逆變器作為SVG的電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 二極管箝位型三電平逆變器作為SVG的電路拓?fù)鋱D

由圖1可見，采用并聯(lián)補(bǔ)償無功的方式，對負(fù)載側(cè)電流的無功量進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，從而使電源側(cè)功率因數(shù)為1。在SVG主拓?fù)渲校珹、B和C三相各自連接有4個開關(guān)管的橋臂，每個橋臂輸出有3種狀態(tài)，即P、O、N狀態(tài) (其中x取值為1、2和3):當(dāng)開關(guān)管Sx1、Sx2導(dǎo)通且Sx3、Sx4關(guān)斷時，該相交流側(cè)連至逆變器直流側(cè)正極，輸出電壓為＋Ud，為P狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)管Sx2、Sx3導(dǎo)通且Sx1、Sx4關(guān)斷時，該相交流側(cè)與逆變器直流側(cè)中點(diǎn)相連，輸出電壓為0，為O狀態(tài)；當(dāng)Sx1、Sx2關(guān)斷且Sx3、Sx4導(dǎo)通時，該相交流側(cè)連至逆變器直流側(cè)負(fù)極，輸出電壓為-Ud，為N狀態(tài)。

1.2 靜止無功補(bǔ)償器工作原理分析

靜止無功補(bǔ)償器的基本原理是將逆變電路通過電抗器并聯(lián)在負(fù)載電網(wǎng)的接入端，用以調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電流的幅值和相位，使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。SVG單相等效電路如圖2所示。

圖2 SVG單相等效電路

電網(wǎng)電壓與SVG輸出的交流電壓、電抗器上的電壓以及電阻上的電壓關(guān)系見式(1):

式中:——電網(wǎng)電壓，V；

——交流電壓，V；

——電抗器上的電壓，V；

——電阻上的電壓，V。

當(dāng)為適當(dāng)?shù)姆岛拖辔粫r，交流側(cè)電流超前于網(wǎng)側(cè)電壓90°，SVG可等效為吸收容性無功；同樣可以通過設(shè)置的幅值和相位使滯后于90°，對其幅值進(jìn)行調(diào)整吸收感性無功。

2 三電平SVG雙閉環(huán)控制器

三電平SVG系統(tǒng)由信號采集與坐標(biāo)變換、PI控制器和SVPWM調(diào)制3部分組成，三電平SVG控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 三電平SVG控制結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號采集與坐標(biāo)變換

2.1.1 三相交流電壓采集

三相交流電壓經(jīng)過三線／四線制變壓器降壓后的相電壓分別輸入單相交流電壓采集電路，其電路原理圖如圖4所示。

由圖4可見，經(jīng)檢測得到的相電壓信號經(jīng)RC濾波后送入運(yùn)放正極性輸入端，經(jīng)過運(yùn)算放大器由R30、R29、R32、R35、C43以及運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器作用，輸出與測得的交流相電壓大小及相位均相等的信號，之后再經(jīng)過硬件濾波送入AD模塊。

2.1.2 三相交流電流采集

由于負(fù)載電流與SVG接入電網(wǎng)電流大小相近且頻率相同，因而三相負(fù)載電流與SVG接入電網(wǎng)電流采集電路相同，單相交流電流采集電路原理圖如圖5所示。

圖4 單相交流電壓采集電路原理圖

圖5 單相交流電流采集電路原理圖

由圖5可見，電流通過霍爾電流傳感器轉(zhuǎn)為差分電壓信號，首先通過R18、R19、R15、R21構(gòu)成的分壓電路將霍爾傳感器檢測得到的電流信號轉(zhuǎn)化為差分電壓信號，并將其送入帶有輸出濾波環(huán)節(jié)的電壓跟隨器，從而輸出與差分電壓大小和相位均相等的電壓信號，并送入AD模塊。

2.1.3 瞬時無功功率坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

根據(jù)瞬時無功功率理論，將abc坐標(biāo)系上三相電壓與三相電流瞬時狀態(tài)變量轉(zhuǎn)化α／β坐標(biāo)系，再分解出有功和無功的d／q坐標(biāo)系，理想狀態(tài)下物理相量圖如圖6所示。

三相交流電壓在abc坐標(biāo)系上的瞬時值見式(2):

式中:ua——A相瞬時電壓，V；

ub——B相瞬時電壓，V；

uc——C相瞬時電壓，V；

Um——最大值，V。

將abc坐標(biāo)系中a軸與α／β坐標(biāo)系中α軸重合，則三相交流電壓分解為α／β坐標(biāo)系上見式 (3)，其中，對應(yīng)圖6中交流電壓相位θ＝arctan(uβ／uα):

式中:uα——瞬時電壓在α軸分量，V；

uβ——瞬時電壓在β軸分量，V。

圖6 坐標(biāo)變換物理相量圖

當(dāng)d／q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系繞零點(diǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)時，d軸為有功分量，q軸為無功分量超前d軸90°，為了方便運(yùn)算，可認(rèn)為d軸與α／β坐標(biāo)系中合成相量VS＊重合共同逆時針旋轉(zhuǎn)，則q軸上電壓分量為零，即無功軸上無電壓分量；d軸與a軸 (α軸)夾角為θ＝arctan(uβ／uα)；三相交流電壓分解為d／q坐標(biāo)系上見式 (4):

式中:ud——瞬時電壓在d軸分量，V；

uq——瞬時電壓在q軸分量，V。

應(yīng)用同樣原理將三相負(fù)載電流瞬時值ila、ilb、ilc以及SVG接入電網(wǎng)電流isa、isb、isc相同的坐標(biāo)變換見式 (5):

式中:——SVG 并入電網(wǎng)電流α／β坐標(biāo)系分量，A；

——負(fù)載電流α／β坐標(biāo)系分量，A。

SVG接入電網(wǎng)電流與，負(fù)載電流與ilβ分量分解為α／β坐標(biāo)系上時，以電壓相角為相位基準(zhǔn)分解見式 (6):

式中:——SVG并入電網(wǎng)電流d／q坐標(biāo)系分量，A；

——負(fù)載電流d／q坐標(biāo)系分量，A。

2.2 PI控制器

電網(wǎng)電壓、SVG交流電流與負(fù)載電流經(jīng)過信號采集與坐標(biāo)變換后，作為電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)PI控制器的控制變量，按照瞬時無功功率坐標(biāo)系變換原理補(bǔ)償負(fù)載無功，具體過程如下:直流電壓在電壓外環(huán)的作用下保持穩(wěn)定，電壓外環(huán)d軸輸出作為輸出電流有功分量值isd＊，輸出電流有功分量isd時刻跟蹤isd＊，電流環(huán)d軸輸出電壓有功分量期望值upd＊；輸出電流無功分量isq＊時刻跟蹤負(fù)載無功電流ilq，即isq＊＝0-ilq，無功電流環(huán)輸出為電壓無功分量指令值upq＊；upd＊和upq＊經(jīng)過坐標(biāo)反變換獲得逆變器輸出相電壓的指令值upa＊、upb＊和upc＊。

2.3 SVPWM調(diào)制策略

三電平SVPWM調(diào)制策略圖見圖7。

由于二極管箝位型SVG每個橋臂有3種狀態(tài)，因此共有27種空間電壓矢量分布 (如圖7(a)所示)，按照長度和空間矢量分為4種，分別是零矢量、大矢量、中矢量和小矢量。每個小矢量都有一個冗余開關(guān)狀態(tài)，稱為正小矢量和負(fù)小矢量，如PPO和OON，互為冗余的正、負(fù)小矢量在合成參考空間矢量時是等效的，在兩電平6個四邊形大扇區(qū)的基礎(chǔ)上，每個四邊形大扇區(qū)又可以是一個兩電平六邊形矢量圖的一部分。

將三電平SVPWM簡化為兩電平合成策略的具體步驟如下:

(1)確定參考空間矢量V＊的扇區(qū)n；

(2)將V＊逆時針旋轉(zhuǎn) (n-1)×60°到1扇區(qū)中V＊＊(如圖7(b)所示)；

(3)用轉(zhuǎn)至1大扇區(qū)中的空間電壓矢量減去小矢量POO (或ONN)，可得到在六邊形小扇區(qū)1中的參考空間矢量V＊＊＊(如圖7(c)所示)；

(4)在六邊形小扇區(qū)1中應(yīng)用兩電平合成方法計算出合成矢量作用時間。

3 控制延遲與電流補(bǔ)償

3.1 控制系統(tǒng)時間延遲分析

在坐標(biāo)變換過程中，負(fù)載電流和SVG接入電網(wǎng)電流都以檢測到的電源電壓相位θ為基準(zhǔn)進(jìn)行分解變換，即SVG不補(bǔ)償無功，穩(wěn)定直流電壓時保證自身單位功率因數(shù)；負(fù)載電流以電源電壓為相位基準(zhǔn)坐標(biāo)變換，保證準(zhǔn)備計算負(fù)載電流無功量。

實(shí)際應(yīng)用控制系統(tǒng)中造成控制時間延遲的具體情況如下:

圖7 三電平SVPWM調(diào)制策略圖

(1)信號采集過程中需要對模擬信號進(jìn)行降壓和濾波處理，不同的硬件濾波器截止頻率造成不同程度的時間延遲，此部分時間延遲稱為信號采集處理延遲；

(2)經(jīng)過處理后模擬信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換作為數(shù)字控制器輸入；

(3)為了保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，需對部分?jǐn)?shù)字信號平均值或軟件濾波進(jìn)行處理，同樣造成不同程度的時間延遲；

(4)經(jīng)過數(shù)字控制器主函數(shù)運(yùn)算以及調(diào)用相應(yīng)中斷函數(shù)產(chǎn)生驅(qū)動信號，運(yùn)算過程也會造成時間延遲，此部分延遲統(tǒng)稱為數(shù)字處理器延遲。

3.2 電流環(huán)相位補(bǔ)償控制延遲原理

根據(jù)以上分析本文提出通過對電流環(huán)輸出補(bǔ)償時間相位的方法，可以補(bǔ)償控制系統(tǒng)的時間延遲。以簡單實(shí)例說明本補(bǔ)償方法，即電壓與電流在檢測過程中硬件與軟件濾波器使得電壓與電流分別發(fā)生不同程度的相位延遲，因而在實(shí)際設(shè)計中需要對負(fù)載電流環(huán)和SVG接入電網(wǎng)進(jìn)行電流相角補(bǔ)償。

簡單計算電壓與電流相位延遲的方法:確定某時刻電源電壓過零點(diǎn)在示波器時間軸零點(diǎn)處，此時相位為θ；分別測得負(fù)載電流與SVG接入電網(wǎng)電流在一階RC低通濾波器和二階軟件濾波器輸出檢測信號的相位為θ＋β和θ＋α，從而坐標(biāo)變換中對負(fù)載電流補(bǔ)償β相位，對SVG接入電網(wǎng)電流補(bǔ)償α相位，將式 (5)補(bǔ)償β相位后變?yōu)槭?(7):

式中:——瞬時電流經(jīng)過相位補(bǔ)償后的α／β坐標(biāo)系分量，A；

Ⅰlm——負(fù)載電流峰值，A；

β——電流環(huán)補(bǔ)償相位角度，(°)；

補(bǔ)償相位后的負(fù)載電流信號的坐標(biāo)變換等效于將檢測到的矢量補(bǔ)償β相位變?yōu)?，補(bǔ)償控制系統(tǒng)時間延遲后坐標(biāo)變換物理相量圖如圖8所示。

圖8 補(bǔ)償控制系統(tǒng)時間延遲后坐標(biāo)變換物理相量圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，設(shè)計了一款煤礦井下隔爆型三電平SVG樣機(jī)，主電路由12個IGBT構(gòu)成三電平二極管箝位式逆變電路，IGBT型號是F3L300R12ME4 ＿B22、F3L300R12ME4＿B23；選擇三相感量0.45mH的鐵芯電感作為交流側(cè)濾波電感；SHP-900-1000-FC薄膜電容作為直流側(cè)電容。三電平SVG接入電網(wǎng)端口電壓與電流波形如圖9所示。

由圖9(a)可見，SVG三相輸出線電壓經(jīng)濾波前波形，線電壓呈五電平，符合三電平SVG輸出電壓特性；由圖9(b)可見，經(jīng)過無功補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可見諧波情況也較為理想，總諧波失真僅為0.5%。

圖9 三電平SVG接入電網(wǎng)端口電壓與電流諧波含量

負(fù)載電流與SVG發(fā)出的電流幅值與頻率基本相同，因而采用相同的濾波器。按照圖8中參數(shù)所設(shè)計硬件濾波，測得造成電流環(huán)延遲角度為12°；軟件二階低通濾波器采用巴特沃斯二階低通濾波器，截止頻率100Hz，將濾波后信號通過DA輸出測得軟件濾波器造成電流環(huán)延遲角度為39°，電流環(huán)坐標(biāo)變換前補(bǔ)償51°相位延遲。

三電平SVG補(bǔ)償無功效果比較圖如圖10所示。圖10(a)為未補(bǔ)償無功與延遲時電網(wǎng)側(cè)電壓電流相位圖，可見電流滯后于電壓約50°；圖10(b)為經(jīng)過補(bǔ)償無功與電流相位延遲后電網(wǎng)側(cè)電壓電流相位圖，可見經(jīng)過補(bǔ)償之后電壓和電流幾乎同相位，較為理想地達(dá)到了無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

5 結(jié)論

在分析了電網(wǎng)無功對煤礦生產(chǎn)造成的潛在危害后，根據(jù)煤礦不同于普通應(yīng)用場合電壓等級的特點(diǎn)以及煤礦井下特殊的生產(chǎn)環(huán)境，采用基于二極管箝位型三電平靜止無功補(bǔ)償器補(bǔ)償無功方案，基于瞬時無功功率理論的雙閉環(huán)控制和簡化的三電平SVPWM調(diào)制策略，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)、實(shí)時和按需補(bǔ)償網(wǎng)側(cè)無功的目標(biāo)。提出了在實(shí)際信號采用處理過程中濾波環(huán)節(jié)造成的電壓和電流信號延遲的問題，通過補(bǔ)償電流環(huán)的相位延遲，使得無功補(bǔ)償器的無功補(bǔ)償效果更好。最后，通過井下隔爆型三電平靜止無功補(bǔ)償器樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出問題和解決方法的正確性和有效性。

圖10 三電平SVG補(bǔ)償無功效果比較圖

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