煤礦電能質量綜合治理研究

郭松梅

(重慶能源職業學院 汽車與信息工程系， 重慶　401321)

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煤礦電能質量綜合治理研究

郭松梅

(重慶能源職業學院 汽車與信息工程系， 重慶401321)

針對現有煤礦電網電能質量存在諧波污染和電壓波動等問題，提出了一種基于SVG的煤礦電能質量綜合治理方法。該方法基于正交變換理論實現有功、無功電流直接控制，可提高動態無功補償過程的精度，且能抑制電網頻率波動的影響。仿真結果表明，該方法能抑制非線性負載產生的諧波，有效改善了煤礦電網的綜合電能質量。

煤礦； 電能質量； 正交變換； 直接電流控制；SVG； 綜合治理

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1017.014.html

0　引言

隨著科學技術的快速發展，大功率電力電子設備和非線性負載等被廣泛應用于煤礦供電系統，如礦用提升機采用的變頻電源含有電力電子開關器件[1]，電路的控制系統采用脈寬調制技術會帶來大量的諧波而引起電網電壓畸變。除此之外，一些大型非線性負載設備的瞬間啟動也引起較大的無功沖擊，降低功率因數，這些都嚴重損害了煤礦供電系統的電能質量，從而影響煤礦企業的高效生產運行。因此，如何改善因諧波和功率因數降低引起的電能質量問題，是目前煤礦供電系統亟需解決的問題[2-3]。

傳統的煤礦電網電能質量治理措施一般是采用投切并聯電容器和靜止無功補償器(StaticVarCompensator，SVC)。然而，并聯電容器調節性能較差，不能快速、連續地調節沖擊性負荷的影響[4-5]；SVC雖然應用較為廣泛，但是其無功輸出特性會受公共連接點電壓的影響，在公共點電壓達到上限之后，無功輸出會隨著電壓的跌落而急劇下降，補償效果較差[6-7]。靜止無功發生器(StaticVarGenerator,SVG)因具有響應速度快、連續雙向補償和補償效果優異等優勢在煤礦供電系統中得到越來越廣泛的應用[8-9]。

為進一步提高煤礦電網電能質量綜合治理的效果，本文提出了一種基于SVG的煤礦電能質量綜合治理方法。該方法基于正交變換理論實現了有功、無功電流的直接控制，能提高系統響應速度和控制精度，有效改善了煤礦供電系統的電能質量。

1　煤礦供電系統結構

某煤礦供電系統結構如圖1所示，系統以采用非線性電力電子負荷的提升機為例，采用交直流控制策略，整流部分采用12脈波。變電所內安裝有3臺變壓器，將地面的110kV和礦井內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供電，且接有生產系統的其他負荷。

圖1　某煤礦供電系統結構

2　SVG綜合治理方法

2.1SVG數學模型

SVG等效電路如圖2所示，其中uga，ugb，ugc為電網的三相電壓；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相當于一個逆變電源經電抗器并聯至大電網，形成實時動態無功補償裝置，可靈活調節系統無功功率和諧波補償。

圖2　SVG等效電路

設電網三相電壓為

(1)

式中U為電網電壓幅值。

根據等效電路可得SVG輸出電壓為

(2)

式中：M為SVG逆變電路的調制比；Ud為直流側電壓幅值；ω為電網角頻率；δ為SVG與電網電壓的相對角度。

進一步可得SVG的三相動態方程為

(3)

式中ia,ib,ic為SVG輸出三相電流。

根據SVG結構可求得直流側動態電壓方程為

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

(4)

式中：C為直流側電容值；ud為直流側電壓。

綜合上述方程可求得SVG的動態數學模型為

(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電路、控制電路和驅動電路等，首先通過傳感器檢測電網電壓和電流信號，將這些信號進行運算處理得到參考指令，參考指令信號經過比較生成PWM驅動信號，從而控制SVG功率開關管的導通和截止。而SVG無功功率的調節是通過控制無功功率參考值來實現的，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到對無功電流的間接控制，而直接電流控制則是對SVG輸出交流電流的無功分量反饋進行直接控制。直接電流控制相對間接電流控制而言，具有更快的響應速度和更高的控制精度，可以有效降低輸出信號的諧波。直接電流控制又可分為abc軸瞬時電流控制和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到無靜差控制且易于設計控制器參數，所以,dq軸有功、無功電流控制要優于abc軸瞬時電流控制?；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，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，經過PI控制器控制輸出電流的有功分量，用以補償SVG吸收的部分有功功率，根據諧波特性實時改變其參考值,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，經過PI控制，實現無功功率的實時跟蹤和補償。該方法可實現有功、無功的解耦控制，且以控制直流信號為目標,消除了靜態誤差，提高了無功功率控制的動態特性和控制精度，實現了諧波抑制和無功補償功能。

2.3基于正交變換理論的電流檢測方法

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，所以,如何準確、實時、高速獲取輸出電流的有功和無功直流分量是控制的關鍵。同時，為消除諧波分量，首先需分離出諧波分量，向供電系統輸入大小相等、方向相反的分量便可疊加抵消諧波。基于此，提出一種基于正交變換理論的電流檢測方法，該方法在諧波環境下檢測精度高，且不受頻率波動影響，其原理如圖4所示。

以三相系統的A相系統為例進行分析。設A相電流表達式為

(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方法原理

將式(6)乘以正弦信號可得

(7)

式(6)乘以余弦信號可得

(8)

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

(9)

式中T為基波信號周期。

傳統正交變換采用20kHz采樣頻率和50Hz基波頻率離散化實現，在半個周期內有200個采樣點數，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)為電流信號的離散值；sin(k-n)，cos(k-n)分別為正、余弦信號的離散信號。

基波和諧波分量為

(11)

(12)

式中：Ia_b(k)為電流基波離散信號；Ia_h(k)為電流諧波離散信號。

可以看出，基波的合成與有功、無功直流分量緊密相關，而諧波的獲取又依賴于基波，因此，當供電系統頻率變化時會改變采樣點數，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。針對該問題，本文對采樣點數進行了改進，通過采樣的實時頻率計算采樣點數。

重新計算的點數為

(13)

式中：f0為采樣頻率；f為基波頻率。

根據改進的正交變換可求出精確的無功和有功直流分量：

(14)

所以，當系統頻率變動時，通過改變采樣點數能夠精確計算有功、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B相和C相的基波和諧波分量。

3　仿真驗證

為了驗證煤礦電能質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模塊、SVG主電路模塊、有功無功電流和基波諧波檢測模塊、SVG控制系統模塊及非線性電力電子負載模塊。

煤礦供電系統電網側三相電流和負載側三相電流波形如圖4—圖6所示。SVG輸出的有功補償電流波形如圖7所示。從仿真結果可看出，由于非線性負載的接入會帶來較大諧波而導致負載電流畸變，SVG檢測并分析出諧波分量，向供電系統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的電能質量。

圖4　電網和負載側的A相電流波形

圖5　電網和負載側的B相電流波形

圖6　電網和負載側的C相電流波形

圖7　SVG輸出的有功補償電流波形

設在1.5s時增加無功負載投入，SVG輸出的無功功率和直流側電壓波形如圖8、圖9所示。當投入負載的無功容量變化時，SVG輸出的無功功率及直流側電壓以相同的趨勢發生變化，即本文方法能快速、準確地跟蹤負載無功變化，實現無功補償功能。

圖8　SVG輸出的無功功率波形

圖9　SVG輸出的直流側電壓波形

4　結語

為提高非線性負載接入煤礦供電系統的電能質量，提出了一種基于SVG的煤礦電能質量綜合治理方法。該方法根據正交變換理論，采用有功和無功電流直接閉環控制，在諧波及頻率變化條件下，能夠精確、快速檢測電網的有功、無功電流信號，通過電流閉環控制實現諧波抑制和無功補償，有效提高了煤礦供電系統的電能質量。

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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；責任編輯：張強。

重慶市高等職業院校專業提升能力項目(590207)。

郭松梅(1976-)，女，湖北英山人，講師，碩士，研究方向為電氣工程及其自動化，E-mail:guosongmei_1@126.com。

TD608

A網絡出版時間：2016-09-02 10:17

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