基于可調(diào)Q因子的煤礦井下電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)與抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 婷

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

基于可調(diào)Q因子的煤礦井下電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)與抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 婷

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

針對(duì)諧波對(duì)煤礦井下電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)并且還耗費(fèi)較多無功等問題,同時(shí)結(jié)合基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)方法在三相四線制電路的應(yīng)用局限性，采用可調(diào)Q因子小波變換改進(jìn)瞬時(shí)無功功率理論對(duì)諧波總含量進(jìn)行檢測(cè)。運(yùn)用MATLAB/SIMULINK創(chuàng)建三相四線制有源濾波器的仿真模型，將其使用到有源濾波器的諧波檢測(cè)模塊中，設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)，根據(jù)仿真結(jié)果分析該有源濾波器的諧波抑制效果，很好的改善了煤礦電能質(zhì)量。

煤礦；電力系統(tǒng)；瞬時(shí)無功功率理論；諧波檢測(cè)；可調(diào)Q因子小波變換

隨著煤礦企業(yè)產(chǎn)能及其自動(dòng)化水平的不斷擴(kuò)張以及提高，不僅使得其電動(dòng)機(jī)的容量逐漸增大，而且在生產(chǎn)運(yùn)行過程中變頻器的使用量也隨之增長(zhǎng)，這將引入大量的諧波進(jìn)而導(dǎo)致煤礦的電能質(zhì)量大幅度降低。電力系統(tǒng)中存在著很多具有非線性阻抗特征的供用電設(shè)備，通過這種方式形成的諧波問題越來越嚴(yán)重，諧波的出現(xiàn)在縮減電能質(zhì)量的同時(shí)還將減小電氣設(shè)備的使用壽命，更嚴(yán)重的將導(dǎo)致故障或燒毀。近年來由于諧波等原因還引發(fā)了多次煤礦停電事故，不僅給人們生活帶來麻煩，還嚴(yán)重影響著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此為了減小煤礦井下電力系統(tǒng)諧波對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，對(duì)電力系統(tǒng)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測(cè)并采取相應(yīng)措施對(duì)其進(jìn)行抑制，對(duì)改觀煤礦電能質(zhì)量以及減小煤礦事故的出現(xiàn)具有很大作用。

1 基于可調(diào)Q因子小波變換與瞬時(shí)無功功率理論的總諧波含量的檢測(cè)設(shè)計(jì)

1.1 瞬時(shí)無功功率諧波檢測(cè)法及其局限性

瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)法被廣泛應(yīng)用于有源濾波器中，通過合理的推廣及創(chuàng)新以致產(chǎn)生了p-q檢測(cè)法、ip-iq檢測(cè)法以及d-q坐標(biāo)變換檢測(cè)法。

瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)法的局限性如下所述。

1)電網(wǎng)電壓畸變。由于諸多因素的影響，實(shí)際的電壓波形并不是理想的正弦曲線，其波形存在一定程度的畸變。對(duì)三相四線電路和單相電路而言，ip-iq檢測(cè)法的檢測(cè)精度會(huì)受到影響。

2)三相電路不平衡。針對(duì)三相三線制電路來說，如果出現(xiàn)三相電流不平衡的情況，p-q、ip-iq以及d-q檢測(cè)法均可精確的檢測(cè)出基波電流，但不能檢測(cè)出基波正序有功及無功分量。

3)零序分量。瞬時(shí)無功功率的諧波檢測(cè)法關(guān)鍵是適宜用于三相三線制電路，而以三相四線制電路和單相電路來說，由于中性線上零序電流的存在以及沒有足夠的變換信息，使得其檢測(cè)效果很差。同時(shí)如果電網(wǎng)存在畸變、非線性負(fù)載以及三相負(fù)載嚴(yán)重不對(duì)稱時(shí)，該檢測(cè)結(jié)果也存在較大誤差。

4)間諧波對(duì)諧波檢測(cè)的影響。瞬時(shí)無功功率理論把電壓或電流分解成了基波、3k+1次正序、3k-1次負(fù)序以及3k次零序諧波分量，此諧波均為整數(shù)次，同時(shí)忽略了非整數(shù)次間諧波。針對(duì)實(shí)際情況來說諧波的種類很繁雜，同時(shí)包含整數(shù)次諧波以及非整數(shù)次的間諧波，間諧波的出現(xiàn)導(dǎo)致了更大誤差。

1.2 可調(diào)Q因子小波變換改進(jìn)瞬時(shí)無功功率理論的總諧波含量的檢測(cè)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原理圖見圖1。

圖1 結(jié)合可調(diào)Q因子小波變換的ip-iq檢測(cè)法原理圖

2 諧波抑制方法的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三相四線制并聯(lián)有源濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。有源濾波系統(tǒng)包含指令電流運(yùn)算電路以及補(bǔ)償電流發(fā)生電路，其中補(bǔ)償電流發(fā)生電路包含電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及主電路。

圖2 三相四線制并聯(lián)有源濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 三相四線制有源濾波器主要參數(shù)的計(jì)算

三相四線制有源濾波器主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)直接影響其整體的濾波效果，參數(shù)包含主電路容量、電容總電壓、直流側(cè)電容以及交流進(jìn)線電感四部分。

2.2.1 主電路容量計(jì)算

有源濾波器的容量SA的計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：E代表電網(wǎng)相電壓的有效值；Ic、Iq、In及Ik分別代表最大補(bǔ)償電流有效值、無功電流有效值、負(fù)序電流有效值及各次諧波有效值。

2.2.2 電容總電壓

2.2.3 直流側(cè)電容的計(jì)算

在有源濾波器中，直流側(cè)電容的功能為穩(wěn)壓，穩(wěn)壓功能隨著電容值的增大而升高，但是這要花費(fèi)一定成本，同時(shí)也將導(dǎo)致體積膨脹，不利于工程應(yīng)用。直流側(cè)電容一般可根據(jù)式(2)計(jì)算。

(2)

式中：SA為有源濾波的容量；fs為電路器件的開關(guān)頻率；Udcmax、Udcmin分別為直流側(cè)電容電壓的最大值、最小值。

若直流側(cè)電壓的波動(dòng)系數(shù)為λ，則有式(3)。

(3)

一般λ=1%，則可以得到式(4)。

(4)

將SA=20kVA、fs=10kHz、λ=0.01、Udc=1000V代入上式可求得Cdc>25μH，綜合考慮，本文直流側(cè)電容取1000μF。

2.2.4 交流進(jìn)線電感的設(shè)計(jì)

并聯(lián)有源濾波器經(jīng)過電感向電網(wǎng)注入或吸收電流，流經(jīng)變流器電流值取決于電感值，同時(shí)也對(duì)其補(bǔ)償作用產(chǎn)生影響。若電感太大，跟蹤電流不能及時(shí)變化，會(huì)增大跟蹤電流與指令電流的誤差，進(jìn)而影響并聯(lián)有源濾波器對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤能力；如果電感太小，補(bǔ)償電流中會(huì)出現(xiàn)較大紋波，不能達(dá)到要求，因此交流側(cè)進(jìn)線電感的計(jì)算必須要綜合考慮補(bǔ)償電流跟蹤速度和對(duì)紋波的要求。

2.2.4.1 電感最大值的計(jì)算

并聯(lián)有源濾波器輸出補(bǔ)償電流的最大變化率的計(jì)算見式(5)。

(5)

式中：ica代表A相補(bǔ)償電流；Udc、Um分別代表直流側(cè)電容電壓及電網(wǎng)電壓幅值。

如若確保并聯(lián)有源濾波器對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤控制能力，則需滿足式(6)。

(6)

依照式(5)和式(6)能夠獲得電感最大值，見式(7)。

(7)

由經(jīng)驗(yàn)公式可得式(8)。

(8)

2.2.4.2 電感最小值的計(jì)算

設(shè)并聯(lián)有源濾波器實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流與指令電流的最大偏差為imax，則有式(9)、式(10)。

(9)

(10)

結(jié)合式(9)和式(10)，可得式(11)。

(11)

交流進(jìn)線電感的取值為：Lmax>L>Lmin，綜上所述，此設(shè)計(jì)交流進(jìn)線電感值選1mH。

3 仿真分析

利用MATLAB/SIMULINK中元件來構(gòu)建三相四線制有源濾波器的系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行分析。運(yùn)用ode45算法，時(shí)間選定0.2 s，電網(wǎng)模擬電路設(shè)計(jì)三相交流電壓源向包含10 kW/4 kVar阻感性負(fù)載的三相全控晶閘管整流橋以及包含5 kW/2kVar阻感性負(fù)載的單相整流橋供電。

(12)

在三相可編程電壓源模塊中，按照上式的參數(shù)設(shè)定了基波分量的源程序，此外，還設(shè)定了三次諧波和五次諧波的程序，并疊加在基波信號(hào)上。

補(bǔ)償前A相負(fù)載側(cè)的電流波形、有源濾波器中檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出的諧波電流信號(hào)的波形以及通過補(bǔ)償電路補(bǔ)償后的A相的負(fù)載側(cè)的電流波形分別見圖3、圖4以及圖5。

圖3 補(bǔ)償前A相負(fù)載側(cè)的電流波形

圖4 檢測(cè)出的諧波電流信號(hào)的波形

圖5 補(bǔ)償后A相負(fù)載側(cè)的電流波形

從圖4可以看出，有源濾波器補(bǔ)償之前，A相負(fù)載側(cè)的電流波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，測(cè)得此時(shí)A相負(fù)載電流諧波總畸變率為29.77%。從圖6能夠得知，補(bǔ)償之后的A相負(fù)載側(cè)的電流波形非常靠近正弦波，此時(shí)A相負(fù)載電流諧波總畸變率為3.61%，滿足5%的國標(biāo)要求。

4 結(jié) 論

通過仿真分析可知，該三相四線制有源濾波器中的檢測(cè)方法和控制策略是可行的，能夠在三相電壓畸變的狀況下，精確地檢測(cè)出諧波電流，同時(shí)有效的完成對(duì)其補(bǔ)償，達(dá)到了煤礦電網(wǎng)諧波抑制的目的。該方法不僅在很大程度上消除了系統(tǒng)諧波電流，而且還很好的改觀了電壓波動(dòng)以及大大的提升了煤礦電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，擁有很高的推廣價(jià)值。

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Underground coal mine power system harmonic detection and suppression system design based on adjustable Q factor

LI Ting
(Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nanning 530007, China)

Aiming at the problem of harmonic disturbance to power system in coal mine, and also consuming more reactive power, at the same time, based on the instantaneous reactive power theory of harmonic detection method in three-phase four-wire circuit application limitations, the use of adjustable Q-factor wavelet transform to improve the instantaneous reactive power theory of total harmonic content detection. Using MATLAB/SIMULINK to create three-phase four-wire system active filter simulation model, it is applied to the harmonic detection module of the active filter, set the corresponding simulation parameters, according to the simulation results analysis of the active filter harmonic suppression effect, a good improvement of the coal mine power quality.

coal mine; power system; instantaneous reactive power theory; harmonic detection; adjustable Q factor of the wavelet transform

2016-08-08

李婷(1983-)，女，黑龍江訥河人，碩士，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)橹悄軜怯?、智能算法、電力市?chǎng)。

TD61

A

1004-4051(2017)04-0162-004