煤矿电网统一电能质量调节器（UPQC）关键技术的研究

发布时间：2017-10-10 19:47

  本文关键词：煤矿电网统一电能质量调节器（UPQC）关键技术的研究

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【摘要】：随着煤炭行业大规模的技术升级改造,一方面越来越多的煤矿敏感负荷对电能质量提出了更高的要求,另一方面煤矿中大量的非线性、阻感性、冲击性负荷对煤矿电网造成了谐波污染、无功冲击和电压波动等各种电能质量问题,二者的矛盾愈来愈突出。煤矿电网电能质量的下降不仅危及电网安全,而且影响着煤矿电力设备的安全稳定运行。因此,提高煤矿电网电能质量、满足煤矿生产发展需求日益成为煤矿供用电双方共同的愿望。为改善煤矿电网电能质量,提供给用户纯净的电源,则需要对煤矿电网进行电能质量综合补偿,而目前的补偿装置,如有源电力滤波器、静止无功补偿器、静止无功发生器等都具有一定的局限性,只能解决某一方面的电能质量问题,如装设多套不同电能质量补偿装置又面临难于维护、协调配合、资源浪费等问题。所以研究一种煤矿电网的电能质量综合补偿装置迫在眉睫。统一电能质量控制器(UPQC)作为一种电能质量综合调节装置改变了传统煤矿电能质量治理中电压或电流分别补偿的方法,可根据用户的需求控制煤矿电力,提高煤矿电网的电能质量。UPQC不仅可以快速补偿供电电压中的突变、波动、中断和闪变,还可以抑制谐波、补偿无功功率,一机多能,节约了成本,降低了设备维护的复杂性,被认为是最有前途的电能质量调节器。本文以煤矿中压配电网为研究对象,针对煤矿UPQC进行了深入系统的研究。为了给煤矿UPQC的研究提供理论依据,对煤矿电网的电能质量进行了分析。首先对煤矿电网中主要的电能质量问题即电压偏差、电压波动、功率因数、谐波及电压跌落进行了分析,然后对煤矿的主要谐波源,即大功率三相桥式整流电路、矿井提升机,进行了电能质量分析,并进行了相应的仿真验证。研究表明,煤矿电网中存在着多种电能质量问题,为提高电能质量需对其进行综合补偿。因此对煤矿电网的电能质量综合调节装置UPQC进行研究是非常必要的。研究了应用在煤矿中压配电网的UPQC拓扑结构。国内外小容量的UPQC实验样机已有报道,但在煤矿中压配电网中,小容量UPQC由于受到单个功率器件耐压能力的限制已无法满足电能质量综合补偿要求,而大容量UPQC装置仍属空白。因此为解决煤矿中压电网电能质量问题,将多电平技术应用到UPQC领域,研究一种新型的UPQC拓扑结构是非常必要的。模块化多电平换流器(MMC)相比其他传统多电平换流器在中高压、大容量领域具有明显的应用优势,将MMC应用到UPQC领域,提出了一种新型的MMC-UPQC拓扑结构。在研究模块化多电平换流器工作机理的基础上建立了MMC的数学模型。以MMC物理电路模型为基础,建立了MMC的静止坐标开关模型,通过开关模型连续化、坐标变换推导出MMC的静止坐标系和dq旋转坐标系平均值模型,最后采用小信号的建模方法,得到MMC小信号线性化模型,进而为研究MMC-UPQC的系统特性、主电路参数设计和控制系统设计提供指导作用。提出了一种新颖的MMC-UPQC补偿量检测方法。利用线性神经元在线自适应调整学习率获得基波电压分量,再根据对称分量法提取基波正序电压分量,从而获得电压补偿量,然后利用已得结果根据能量平衡原理计算出电流补偿量。该方法能够有效地对电能质量进行补偿,动态响应速度快,学习率调整范围较宽,结构简单,易于数字信号处理芯片等硬件实现。对MMC-UPQC的调制算法进行了深入的研究,提出了一种新型的适用于MMC的多电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法。该调制算法首先通过引入中间变量,使得扇区的判断仅需要中间变量的值及其符号来实现,摒弃了反正切函数、无理数运算过程,计算量大大减小,接着给出了参考矢量所在小三角形的判据,将多电平的矢量合成及导通时间的计算转化为两电平的问题,使小三角形的判定及矢量作用时间的计算仅需要通过计算参考矢量对应的线电压值即可实现,计算过程十分简单,最后利用矢量的冗余开关状态给出了优化的输出开关序列,降低了开关器件的损耗,同时省去了查表过程,易于实现。该调制算法可以扩展到任意电平换流器中。分析了MMC的子模块电容电压平衡问题。针对传统电容电压平衡控制方法存在着排序运算浪费系统大量资源、器件开关频率过高、没有考虑子模块的初始投切状态等问题,提出了一种降低开关频率、不需要排序的电容电压平衡控制优化方法。该优化方法在保证输出电压质量和子模块电容电压相对一致的前提下,通过设定子模块电容电压的上下限系数,使子模块尽量保持其原来的投切状态,避免了因细微的电容电压变化而带来的频繁开关动作；通过设定子模块电容电压间差值的门槛值,保证了子模块之间的电容电压差值不至于太大；省去了传统的排序过程,提高了系统的动态响应速度。针对模块化多电平换流器的环流问题,详细分析了MMC内部环流产生的机理,设计了一种基于准比例谐振控制器的环流抑制器,省去了二倍频负序坐标变换及相间电流解耦,实现了二倍频环流的充分抑制。研究了MMC-UPQC的并联侧、串联侧的控制策略。由于MMC的桥臂电感直接串联在各相桥臂内,使MMC在dq坐标系下的小信号模型的电流d、q轴之间依然相互耦合,不利于控制。针对此问题,为实现MMC-UPQC良好的补偿效果,在MMC数学模型的基础上分别设计了MMC-UPQC的并联侧、串联侧双环控制系统,即外环电压控制和内环电流解耦控制,实现了d轴分量与q轴分量的解耦及换流器交流侧参考电流、电压的快速跟踪。仿真结果证明了MMC-UPQC的并联侧及串联侧控制策略的正确性。研究了MMC-UPQC样机的系统设计,并以此样机为实验平台对本文提出的策略进行了实验验证。给出了MMC-UPQC样机整体结构,对MMC-UPQC的主电路参数进行了设计,提出了一种适用于MMC-UPQC的三级控制系统架构,并对样机控制系统进行了软硬件设计。实验结果验证了本文所提出的MMC-UPQC策略的可行性。
【关键词】：煤矿电网 统一电能质量调节器 模块化多电平换流器 检测 空间矢量脉宽调制
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD61;TM761
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 选题的背景与意义15-16
• 1.2 煤矿电能质量问题16-19
• 1.2.1 电能质量的定义16-17
• 1.2.2 电能质量问题的危害17-19
• 1.3 煤矿电能质量控制技术19-20
• 1.4 统一电能质量调节器的研究现状20-22
• 1.5 多电平技术22-25
• 1.6 本文的主要研究内容25-27
• 第二章 煤矿电能质量分析27-41
• 2.1 煤矿电能质量方面的主要问题27-31
• 2.2 三相桥式整流电路谐波分析31-34
• 2.2.1 工作原理及谐波分析31-32
• 2.2.2 仿真分析32-34
• 2.3 矿井提升机电能质量分析34-39
• 2.3.1 矿井提升机主电路34-36
• 2.3.2 顺序控制变流器谐波分析36-37
• 2.3.3 仿真研究及谐波分析37-38
• 2.3.4 提升机工作过程中无功分析38-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第三章 MMC-UPQC的工作原理和数学模型41-55
• 3.1 MMC-UPQC基本结构和工作原理41-42
• 3.2 MMC的基本原理42-45
• 3.2.1 MMC的拓扑结构42-43
• 3.2.2 MMC的基本原理43-45
• 3.3 MMC的数学模型45-54
• 3.3.1 MMC的静止坐标开关模型45-48
• 3.3.2 MMC的静止坐标平均值模型48-52
• 3.3.3 MMC的dq旋转坐标系平均值模型52-53
• 3.3.4 MMC的小信号模型53-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第四章 MMC-UPQC补偿量检测方法55-73
• 4.1 概述55-56
• 4.2 基于瞬时无功功率理论的补偿量检测方法56-58
• 4.2.1 基于dq0变换的电压补偿量检测方法56-57
• 4.2.2 i_p-i_q运算方式电流补偿量检测方法57-58
• 4.3 自适应线性神经元及其算法58-61
• 4.3.1 自适应线性神经元模型58-59
• 4.3.2 最速下降法59-60
• 4.3.3 LMS算法60-61
• 4.4 基于自适应神经网络的补偿量检测方法61-66
• 4.4.1 基于自适应线性神经元的电压补偿量检测算法61-64
• 4.4.2 基于能量平衡原理的电流补偿量检测算法64-66
• 4.5 仿真分析66-72
• 4.6 本章小结72-73
• 第五章 MMC-UPQC的调制算法和子模块电容电压平衡控制73-101
• 5.1 引言73-75
• 5.2 两电平SVPWM算法75-76
• 5.3 多电平换流器的SVPWM算法76-90
• 5.3.1 扇区的判断78-79
• 5.3.2 参考矢量所在小三角形的确定79-83
• 5.3.3 矢量作用时间的计算83-85
• 5.3.4 开关状态的确定85-86
• 5.3.5 开关序列的优化86-88
• 5.3.6 多电平SVPWM算法的仿真分析88-90
• 5.4 多电平换流器的电容电压平衡控制90-100
• 5.4.1 子模块电容电压不平衡现象研究90
• 5.4.2 传统电容电压平衡控制方法90-92
• 5.4.3 降低开关频率的电容电压平衡控制优化方法92-96
• 5.4.4 电容电压平衡控制方法的仿真分析96-100
• 5.5 本章小结100-101
• 第六章 MMC-UPQC的控制策略101-117
• 6.1 环流抑制器的设计101-108
• 6.1.1 MMC内部环流分析101-105
• 6.1.2 MMC环流器的设计105-106
• 6.1.3 环流的仿真分析106-108
• 6.2 MMC-UPQC控制器设计108-116
• 6.2.1 MMC-UPQC并联侧控制器设计108-110
• 6.2.2 MMC-UPQC串联侧控制器设计110-111
• 6.2.3 MMC-UPQC控制策略仿真分析111-116
• 6.3 本章小结116-117
• 第七章 MMC-UPQC样机设计及实验结果分析117-131
• 7.1 MMC-UPQC样机整体结构117-118
• 7.2 MMC-UPQC样机主电路参数设计118-120
• 7.2.1 IGBT的选取119
• 7.2.2 子模块电容容值的选取119-120
• 7.2.3 桥臂电抗器电感值的选取120
• 7.3 MMC-UPQC样机控制系统设计120-124
• 7.3.1 样机控制系统硬件设计120-122
• 7.3.2 样机控制系统软件设计122-124
• 7.4 实验结果与分析124-130
• 7.4.1 SVPWM调制策略实验124-125
• 7.4.2 UPQC补偿效果实验125-129
• 7.4.3 电容电压均衡策略实验129-130
• 7.5 本章小结130-131
• 第八章 结论与展望131-135
• 8.1 全文总结131-133
• 8.2 创新点133
• 8.3 今后工作展望133-135
• 参考文献135-147
• 致谢147-149
• 作者简介149
• 在学期间发表的学术论文149
• 在学期间参加科研项目149

【参考文献】

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本文编号：1008269