郭松梅

(重慶能源職業(yè)學(xué)院 汽車與信息工程系， 重慶　401321)

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煤礦電能質(zhì)量綜合治理研究

郭松梅

(重慶能源職業(yè)學(xué)院 汽車與信息工程系， 重慶401321)

針對(duì)現(xiàn)有煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量存在諧波污染和電壓波動(dòng)等問題，提出了一種基于SVG的煤礦電能質(zhì)量綜合治理方法。該方法基于正交變換理論實(shí)現(xiàn)有功、無功電流直接控制，可提高動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償過程的精度，且能抑制電網(wǎng)頻率波動(dòng)的影響。仿真結(jié)果表明，該方法能抑制非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波，有效改善了煤礦電網(wǎng)的綜合電能質(zhì)量。

煤礦； 電能質(zhì)量； 正交變換； 直接電流控制；SVG； 綜合治理

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1017.014.html

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大功率電力電子設(shè)備和非線性負(fù)載等被廣泛應(yīng)用于煤礦供電系統(tǒng)，如礦用提升機(jī)采用的變頻電源含有電力電子開關(guān)器件[1]，電路的控制系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制技術(shù)會(huì)帶來大量的諧波而引起電網(wǎng)電壓畸變。除此之外，一些大型非線性負(fù)載設(shè)備的瞬間啟動(dòng)也引起較大的無功沖擊，降低功率因數(shù)，這些都嚴(yán)重?fù)p害了煤礦供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，從而影響煤礦企業(yè)的高效生產(chǎn)運(yùn)行。因此，如何改善因諧波和功率因數(shù)降低引起的電能質(zhì)量問題，是目前煤礦供電系統(tǒng)亟需解決的問題[2-3]。

傳統(tǒng)的煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量治理措施一般是采用投切并聯(lián)電容器和靜止無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator，SVC)。然而，并聯(lián)電容器調(diào)節(jié)性能較差，不能快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)沖擊性負(fù)荷的影響[4-5]；SVC雖然應(yīng)用較為廣泛，但是其無功輸出特性會(huì)受公共連接點(diǎn)電壓的影響，在公共點(diǎn)電壓達(dá)到上限之后，無功輸出會(huì)隨著電壓的跌落而急劇下降，補(bǔ)償效果較差[6-7]。靜止無功發(fā)生器(StaticVarGenerator,SVG)因具有響應(yīng)速度快、連續(xù)雙向補(bǔ)償和補(bǔ)償效果優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)在煤礦供電系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[8-9]。

為進(jìn)一步提高煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理的效果，本文提出了一種基于SVG的煤礦電能質(zhì)量綜合治理方法。該方法基于正交變換理論實(shí)現(xiàn)了有功、無功電流的直接控制，能提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度，有效改善了煤礦供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

1　煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)以采用非線性電力電子負(fù)荷的提升機(jī)為例，采用交直流控制策略，整流部分采用12脈波。變電所內(nèi)安裝有3臺(tái)變壓器，將地面的110kV和礦井內(nèi)6kV母線相連，其中供電電源來自6kVII段母線，6kVII段母線不僅給提升機(jī)供電，且接有生產(chǎn)系統(tǒng)的其他負(fù)荷。

圖1　某煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　SVG綜合治理方法

2.1SVG數(shù)學(xué)模型

SVG等效電路如圖2所示，其中uga，ugb，ugc為電網(wǎng)的三相電壓；usa，usb，usc為SVG輸出三相電壓；R為線路等效電阻;L為線路等效阻抗。由圖2可知，SVG相當(dāng)于一個(gè)逆變電源經(jīng)電抗器并聯(lián)至大電網(wǎng)，形成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率和諧波補(bǔ)償。

圖2　SVG等效電路

設(shè)電網(wǎng)三相電壓為

(1)

式中U為電網(wǎng)電壓幅值。

根據(jù)等效電路可得SVG輸出電壓為

(2)

式中：M為SVG逆變電路的調(diào)制比；Ud為直流側(cè)電壓幅值；ω為電網(wǎng)角頻率；δ為SVG與電網(wǎng)電壓的相對(duì)角度。

進(jìn)一步可得SVG的三相動(dòng)態(tài)方程為

(3)

式中ia,ib,ic為SVG輸出三相電流。

根據(jù)SVG結(jié)構(gòu)可求得直流側(cè)動(dòng)態(tài)電壓方程為

usb(t)ib(t)+usc(t)ic(t)]

(4)

式中：C為直流側(cè)電容值；ud為直流側(cè)電壓。

綜合上述方程可求得SVG的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為

(5)

式中id,iq為SVG輸出電流的有功和無功分量。

2.2SVG電流控制方法

SVG控制部分主要包括檢測(cè)電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路等，首先通過傳感器檢測(cè)電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)，將這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理得到參考指令，參考指令信號(hào)經(jīng)過比較生成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制SVG功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。而SVG無功功率的調(diào)節(jié)是通過控制無功功率參考值來實(shí)現(xiàn)的，而無功功率參考值的控制方法一般分為2種，分別是間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制是將SVG等效為交流電壓源，通過控制交流電壓的幅值和相位達(dá)到對(duì)無功電流的間接控制，而直接電流控制則是對(duì)SVG輸出交流電流的無功分量反饋進(jìn)行直接控制。直接電流控制相對(duì)間接電流控制而言，具有更快的響應(yīng)速度和更高的控制精度，可以有效降低輸出信號(hào)的諧波。直接電流控制又可分為abc軸瞬時(shí)電流控制和dq軸有功、無功電流控制2種。由于采用dq軸有功、無功電流控制能夠達(dá)到無靜差控制且易于設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，所以,dq軸有功、無功電流控制要優(yōu)于abc軸瞬時(shí)電流控制?；谏鲜龇治觯疚奶岢鲆环N基于正交變換理論的SVG直接電流控制方法，如圖3所示。

圖3　SVG直接電流控制方法

由圖3可知，該控制方法以輸出電流為控制目標(biāo)，形成電流有功和無功分量的解耦控制。其中id*為輸出電流有功分量的參考值，iq*為輸出電流無功分量的參考值?；究刂圃恚河泄Ψ至颗c參考值作差，經(jīng)過PI控制器控制輸出電流的有功分量，用以補(bǔ)償SVG吸收的部分有功功率，根據(jù)諧波特性實(shí)時(shí)改變其參考值,能起到有源濾波的作用；輸出電流無功分量反饋值與參考值作差，經(jīng)過PI控制，實(shí)現(xiàn)無功功率的實(shí)時(shí)跟蹤和補(bǔ)償。該方法可實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制，且以控制直流信號(hào)為目標(biāo),消除了靜態(tài)誤差，提高了無功功率控制的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，實(shí)現(xiàn)了諧波抑制和無功補(bǔ)償功能。

2.3基于正交變換理論的電流檢測(cè)方法

由于SVG電流控制方法是以輸出電流的直流分量為控制目標(biāo)，所以,如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高速獲取輸出電流的有功和無功直流分量是控制的關(guān)鍵。同時(shí)，為消除諧波分量，首先需分離出諧波分量，向供電系統(tǒng)輸入大小相等、方向相反的分量便可疊加抵消諧波?；诖耍岢鲆环N基于正交變換理論的電流檢測(cè)方法，該方法在諧波環(huán)境下檢測(cè)精度高，且不受頻率波動(dòng)影響，其原理如圖4所示。

以三相系統(tǒng)的A相系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。設(shè)A相電流表達(dá)式為

(6)

式中：ia_b(t),ia_h(t)為電流的基波和諧波；Ia_b為電流的幅值；φ為電流的初相位；ω為基波角頻率；Id，Iq分別為正交變換后的有功和無功分量；Inh為n次諧波的幅值；φn為n次諧波的相位。

圖4　基于正交變換理論的電流檢測(cè)方法原理

將式(6)乘以正弦信號(hào)可得

(7)

式(6)乘以余弦信號(hào)可得

(8)

從式(7)、式(8)可以看出，式中包含直流分量和偶數(shù)次諧波分量，采用半周期積分可將偶數(shù)次諧波濾除，從而提取出直流分量Id和Iq。

(9)

式中T為基波信號(hào)周期。

傳統(tǒng)正交變換采用20kHz采樣頻率和50Hz基波頻率離散化實(shí)現(xiàn)，在半個(gè)周期內(nèi)有200個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)，通過正交變換求出的無功和有功直流分量分別為

(10)

式中：ia(k-n)為電流信號(hào)的離散值；sin(k-n)，cos(k-n)分別為正、余弦信號(hào)的離散信號(hào)。

基波和諧波分量為

(11)

(12)

式中：Ia_b(k)為電流基波離散信號(hào)；Ia_h(k)為電流諧波離散信號(hào)。

可以看出，基波的合成與有功、無功直流分量緊密相關(guān)，而諧波的獲取又依賴于基波，因此，當(dāng)供電系統(tǒng)頻率變化時(shí)會(huì)改變采樣點(diǎn)數(shù)，從而影響有功、無功直流分量的取值，給基波和諧波帶來較大的誤差。針對(duì)該問題，本文對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，通過采樣的實(shí)時(shí)頻率計(jì)算采樣點(diǎn)數(shù)。

重新計(jì)算的點(diǎn)數(shù)為

(13)

式中：f0為采樣頻率；f為基波頻率。

根據(jù)改進(jìn)的正交變換可求出精確的無功和有功直流分量：

(14)

所以，當(dāng)系統(tǒng)頻率變動(dòng)時(shí)，通過改變采樣點(diǎn)數(shù)能夠精確計(jì)算有功、無功分量Id和Iq，從而求得更加精確的基波和諧波分量。以此類推，可求得三相系統(tǒng)B相和C相的基波和諧波分量。

3　仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證煤礦電能質(zhì)量綜合治理方法的有效性，在PSCAD/EMTDC軟件上建立了仿真模型，仿真電路主要包括煤礦供電系統(tǒng)模塊、SVG主電路模塊、有功無功電流和基波諧波檢測(cè)模塊、SVG控制系統(tǒng)模塊及非線性電力電子負(fù)載模塊。

煤礦供電系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)三相電流和負(fù)載側(cè)三相電流波形如圖4—圖6所示。SVG輸出的有功補(bǔ)償電流波形如圖7所示。從仿真結(jié)果可看出，由于非線性負(fù)載的接入會(huì)帶來較大諧波而導(dǎo)致負(fù)載電流畸變，SVG檢測(cè)并分析出諧波分量，向供電系統(tǒng)輸入與諧波電流大小相等、方向相反的分量，該分量與諧波分量疊加相消，從而保證了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

圖4　電網(wǎng)和負(fù)載側(cè)的A相電流波形

圖5　電網(wǎng)和負(fù)載側(cè)的B相電流波形

圖6　電網(wǎng)和負(fù)載側(cè)的C相電流波形

圖7　SVG輸出的有功補(bǔ)償電流波形

設(shè)在1.5s時(shí)增加無功負(fù)載投入，SVG輸出的無功功率和直流側(cè)電壓波形如圖8、圖9所示。當(dāng)投入負(fù)載的無功容量變化時(shí)，SVG輸出的無功功率及直流側(cè)電壓以相同的趨勢(shì)發(fā)生變化，即本文方法能快速、準(zhǔn)確地跟蹤負(fù)載無功變化，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償功能。

圖8　SVG輸出的無功功率波形

圖9　SVG輸出的直流側(cè)電壓波形

4　結(jié)語

為提高非線性負(fù)載接入煤礦供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，提出了一種基于SVG的煤礦電能質(zhì)量綜合治理方法。該方法根據(jù)正交變換理論，采用有功和無功電流直接閉環(huán)控制，在諧波及頻率變化條件下，能夠精確、快速檢測(cè)電網(wǎng)的有功、無功電流信號(hào)，通過電流閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)諧波抑制和無功補(bǔ)償，有效提高了煤礦供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

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Research on power quality comprehensive treatment for coal mine

GUO Songmei

(DepartmentofAutomobileandInformationEngineering,ChongqingEnergyCollege,Chongqing401321,China)

Forproblemsofharmonicspollutionandvoltagefluctuationexistedinpowerqualityofcoalmine,apowerqualitycomprehensivetreatmentmethodbasedonSVGforcoalminewasproposed.Themethodusesorthogonaltransformationstheorytorealizedirectcontrolofactiveandreactivecurrent,canimproveprecisionofdynamicreactivepowercompensation,andcansuppressinfluenceofgridfrequencyfluctuation.Thesimulationresultsshowthattheproposedcomprehensivetreatmentmethodcansuppressharmonicscausedbynonlinearloads,whichimprovesthecomprehensivepowerqualityofcoalminepowergrid.

coalmine;powerquality;orthogonaltransformations;directcurrentcontrol;SVG;comprehensivetreatment

1671-251X(2016)09-0060-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.014

2016-07-01；

2016-07-29；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

重慶市高等職業(yè)院校專業(yè)提升能力項(xiàng)目(590207)。

郭松梅(1976-)，女，湖北英山人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化，E-mail:guosongmei_1@126.com。

TD608

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-02 10:17

郭松梅.煤礦電能質(zhì)量綜合治理研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(9)：60-64.