煤矿电网多谐波源分散抑制和APFs接入点优化研究

发布时间：2018-03-31 20:23

本文选题：有源电力滤波器　切入点：井下电网谐波抑制　出处：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文

【摘要】：为了提高井下生产设备的生产效率和自动化程度,整流器、变频器等电力电子开关器件不断渗透入煤矿电网中。这些非线性阻抗特性设备在提高了煤矿生产效率和产量的同时,不可避免的为电网引入了谐波污染等电能质量问题。在煤矿井下电网中,谐波会引起采煤机、掘进机、风机等采用电动机作为动力的设备产生震动;干扰井下供电与通讯系统;引起井下供电电缆产生附加损耗、电缆绝缘热力升高;诱导井下电网中发生局部的并联谐振或串联谐振。谐波为煤矿的安全生产埋下了隐患,谐波严重时甚至可能引发生产事故,造成人员伤亡。目前,谐波污染被动治理的一个基本方式是接入滤波装置来抑制谐波,可分为无源治理和有源治理两种方法。无源治理方法一般采用LC滤波器,主要缺点包括:只能补偿固定频率的谐波,补偿效果不甚理想,且补偿特性受电网阻抗和运行状态影响大,容易和系统阻抗发生谐振现象,放大谐波电流。因此,在煤矿井下爆炸性环境中,LC滤波器的应用受到一定的限制。有源治理方法以有源电力滤波器为代表,其工作原理是通过检测电路从补偿对象中检测得到一个与谐波分量大小相等、相位相反的补偿分量,通过控制PWM变流器将补偿分量注入到补偿对象中,从而使补偿对象中只含有基波分量。有源电力滤波器具有动态补偿特性好、灵活方便的优点,受到一定的关注和研究。论文调研了我国煤矿井下的供电现状,并对具有代表性的井下电网谐波进行了测量和分析。结果显示谐波源主要分布于带式输送机、刮板输送机、无极绳绞车、采煤机等变频控制设备中,井下电网支路的谐波畸变较为严重。目前,多数煤矿企业采用在地面变电站安装滤波设备集中治理谐波污染。但是该方法只能降低井下电网谐波对地面电网造成的危害,不能有效的解决井下电网的谐波污染问题。为了切实解决煤矿电网谐波污染的问题,论文选择了有源电力滤波器抑制谐波,并对其工作原理、检测算法、控制算法进行了介绍。在井下应用有源电力滤波器时,深刻理解煤矿电网的特性是抑制井下谐波的基础,因为煤矿电网的环境有异于其他工业电网环境,有其自身的特殊性:井下设备额定电压高、功率大、启停频繁;各种负荷需要电压等级不同,从660V到3300V不等,存在多电压等级特性;硐室、巷道空间狭窄。有源电力滤波器标准化模块设计的方法可以依据工作需要灵活的串并联模块,适应多电压等级的特性,同时还可以有效减少因为电压等级和容量不同而进行的多次防爆试验,设计为冷插拔模式,可方便快速更换故障模块,大大降低了井下维修的复杂程度。煤矿井下狭窄空间、散热和防爆设计、设备经常移动的要求等因素需要有源电力滤波器的体积小、质量轻,限制了有源电力滤波器的容量。为了有效减小体积及容量,可以通过减小有源电力滤波器的补偿电流来实现。有源电力滤波器输出的补偿电流与其实现功能相关,当有源电力滤波器只抑制电网中的谐波分量时容量最小。针对煤矿电网的特殊环境和谐波源特性,可以在井下电网中接入多个有源电力滤波器实现多谐波源分散抑制。因此首先针对煤矿井下的特殊性因素,研究了单台有源电力滤波器的接入点环境及相应的谐波检测算法。由于地面变电站谐波电压和本级谐波源的影响,井下电网电压存在非理想电压特性。为了解决非理想电压下电网零谐波和单位功率因数之间的矛盾,本文提出了基于有源电力滤波器容量约束条件的非迭代优化检测算法。针对煤矿的特殊性环境对有源电力滤波器的容量限制,提出了有源电力滤波器单次补偿电流约束条件。为了解决迭代算法计算时间长、收敛不确定的不足,使用了非迭代求解方法。该方法将优化模型的求解分为主、子两个问题,主问题只考虑功率等式约束条件和电流总谐波畸变率约束条件,求解各次谐波电导;子问题考虑电网的单次谐波电流含有率、有源电力滤波器的单次补偿电流约束条件,对主问题计算得到的谐波电导进行修正。为了分析所提方法的鲁棒性,在四种不同的情形对所提方法进行了对比分析,同时为了验证方法的可行性和有效性,将本文提出的方法和其他方法进行了对比。结果显示:基于有源电力滤波器容量约束条件的非迭代优化检测算法在抑制井下电网谐波的同时,有效的提高了功率因数和计算时间,保证了有源电力滤波器具有更快的动态响应速度,为其提供了可靠的谐波参考电流。从经济因素思考和处理问题,谐波抑制的成本主要和有源电力滤波器的容量相关。实际工程中,谐波抑制的成本随着有源电力滤波器容量的增加而逐渐增大。因此,需要针对井下特殊环境,优化有源电力滤波器在井下电网中的接入点,在谐波畸变符合标准的前提下,使工程成本最少。假设有源电力滤波器的pwm主电路理想,不产生谐波和时间延迟,其数学模型可以近似以指令电流代替。因此,本文提出了基于瞬时无功功率理论的指令电流决策变量,有效的减少了决策变量的数量。煤矿井下环境中的诸多因素直接或者间接的对有源电力滤波器的体积、接入点提出了一定的要求,基于此考虑提出了体积约束条件和接入点约束条件,配合电压谐波畸变率约束条件和单次电压含有率约束条件,以项目的工程成本为目标函数,建立了井下电网中有源电力滤波器接入点的优化模型。随后,基于粒子群算法对优化模型进行了求解,优化了有源电力滤波器的接入点,实现了在电网的谐波畸变低于标准的前提下,使工程成本最少的目的。面对煤矿电网呈现日益扩大的趋势,提出了基于协同进化粒子群算法的接入点优化方法,以应对基于标准粒子群的优化算法在大规模电网中应用陷入局部收敛的情况。为了验证论文中所提方法的有效性,对基于有源电力滤波器容量约束条件的非迭代优化检测算法进行了仿真验证,同时,以我国某矿实际的井下电网为基础进行了电网建模,对论文中所提的有源电力滤波器接入点优化方法进行了仿真验证。仿真结果表明本文所提方法是正确和有效的。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分类号】：TD611

【引证文献】