高壓電力有源濾波器的研制與應(yīng)用

1、題 目：高壓電力有源濾波器的研制與應(yīng)用目 錄摘要.11 研究依據(jù)41.1 項目背景41.2 煤礦供電系統(tǒng)中諧波的原因和危害61.3 與國內(nèi)同類技術(shù)比較81.4 項目研究的意義102 承擔(dān)單位的條件和工作基礎(chǔ)122.1 項目承擔(dān)單位122.2 項目協(xié)作單位143 項目研究內(nèi)容和目標143.1 項目的研究內(nèi)容143.2 項目的總體目標144 項目研究的技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù)154.1 基于瞬時無功理論控制算法154.2 電流跟蹤技術(shù)204.3 技術(shù)方案234.4 技術(shù)路線265 項目的特色和創(chuàng)新之處285.1 項目的特色285.2 項目的創(chuàng)新點296 項目的成果與技術(shù)指標306.1 技術(shù)成果與形式30

2、6.2 設(shè)備主要技術(shù)指標306.3 考核指標30參考文獻摘要： 根據(jù)高壓電力有源波濾器項目研究的背景，并且把國內(nèi)外的技術(shù)相比較，取其精華，在一定的基礎(chǔ)上改革和創(chuàng)新，了解項目研究的基礎(chǔ)路線和相應(yīng)技術(shù)，使項目研究取得一定的成果并有相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新。1 研究依據(jù)1.1 項目背景六礦主井供電系統(tǒng)入井6KV的電纜分三相接入三臺500KVA 6/1.14KV特種變壓器后，匯接到一臺變頻器，然后接入1000KW的電動機。變頻器在運行的過程中產(chǎn)生大量的諧波，同時供電網(wǎng)上的諧波注入疊加后，使電動機異常抖動、發(fā)熱甚至有燒毀的危險；三臺變壓器發(fā)熱現(xiàn)象嚴重；控制室內(nèi)的無功補償用的電容器被多次擊穿；控制柜里面的繼電保護多

3、次出現(xiàn)越級跳閘等現(xiàn)象和事故，為了主井出煤生產(chǎn)的安全，有效地保護電動機、變壓器、電容器的運行安全必須徹底抑制或治理諧波，使諧波控制在國標規(guī)定的安全值內(nèi)。通過在1140V側(cè)，使用日制HIOKI 3196電能質(zhì)量測試儀測試后得到的數(shù)據(jù)分析報告得知：電流的畸變率為69%、諧波電流的有效值為296.7A。針對1140V供電測諧波現(xiàn)狀，找出供電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生根源和諧波特征，通過調(diào)研國內(nèi)各類諧波治理技術(shù)現(xiàn)場使用情況和優(yōu)缺點的對比分析，設(shè)計出用于1140V供電系統(tǒng)的有源電力濾波器（APF）。煤礦廠諧波含量超標將嚴重威脅礦井供電安全，目前針對煤礦廠的諧波裝置為無源濾波裝置，但存在著體積大、重量重等缺點。而有源電力

4、濾波器（APF）則可以實現(xiàn)諧波自動跟蹤濾波，且體積小、重量輕。我國對煤礦業(yè)1140V供電系統(tǒng)APF的研究還主要集中在試驗研究階段，此項目的成功應(yīng)用將推動我國APF在煤礦行業(yè)的全面普及。同時在石油抽油機、鐵路電力機車牽引站、制造業(yè)中頻爐等用電環(huán)境中具有很大的需求市場。消除電網(wǎng)中的諧波可防止旋轉(zhuǎn)電機和變壓器過熱甚至燒毀；減少對電力系統(tǒng)中的發(fā)電機、調(diào)相機、繼電保護自動裝置和電能計量儀表等的危害，防止繼電保護誤動作造成的重大停電事故；消除諧波對計算機通信、檢測儀表等用電設(shè)備的干擾?？蔀槊旱V供電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉(MFourier)分析原理證明，周期為T的信

5、號中有大量正弦波，其頻率分別為1/T Hz、2/T Hz、n/THz，稱頻率為 1/THz 的正弦波為“基波”，頻率為等 n/THz（n1）的正弦波為 n 次“諧波”。諧波也是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)。在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是各種大容量變流設(shè)備及其非線性負載所致，當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。常見的諧波裝置有變壓器、各種變流裝置、整流裝置、交流調(diào)壓裝置、鐵磁非線性設(shè)備、提升裝置等，這些裝置都是存在的諧波源。這些用電設(shè)備的使用，使得電力系統(tǒng)的電壓、電流波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生諧波。在煤礦供電

6、系統(tǒng)中，用電負載大多為感性負載。如感應(yīng)電動機、變壓器、旋轉(zhuǎn)電機、電抗器、相控交流電力調(diào)節(jié)裝置、絞車等，在運行過程中都將產(chǎn)生大量的諧波，同時也要吸收大量的無功功率。1.2 煤礦供電系統(tǒng)中諧波的原因和危害隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，煤礦供電系統(tǒng)中大量的采用含半導(dǎo)體的非線性元件的負載，例如礦井提升機、通風(fēng)機、主排水泵、帶式輸送機、架線式電機車等設(shè)備節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備，諸如各種變頻器、交直流換流設(shè)備、變流器、整流設(shè)備、軟啟動設(shè)備等。它們都會在電網(wǎng)中產(chǎn)生不同頻率和幅值的諧波。煤礦供電網(wǎng)絡(luò)諧波的危害主要是造成電網(wǎng)的功率損耗增加，設(shè)備壽命縮短，接地保護功能失靈，遙控功能失常，線路和設(shè)備過熱等，還會引起變

7、電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電力互感器、變電站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，從而造成供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)施損壞、元器件老化，造成電子保護裝置誤動作，增大附加磁場的干擾等。諧波對煤礦設(shè)備與線路的主要影響分析如下：1) 變壓器。當諧波電流流經(jīng)變壓器時，會導(dǎo)致銅損和雜散損耗增加，諧波電壓則會使鐵損增加。由于諧波所引起的額外損耗與電流和頻率的平方成比例上升，進而導(dǎo)致變壓器的基波負載容量下降，效率降低。同時諧波還導(dǎo)致變壓器鐵芯振動，噪聲增加，壽命縮短。2) 電動機。諧波電流和電壓對電動機所造成的影響，首先是鐵損和銅損的增加，引起額外溫升，導(dǎo)致電動機效率降低，同時還產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，進而增加噪聲，造成電動機振

8、動而降低使用壽命，嚴重時，電機燒毀。3) 補償電容器。諧波會造成電容器過電流，使電容器與供配電系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，這將造成電容器迅速發(fā)生故障。同時，電容器會放大諧波，增大諧波對礦井供配電系統(tǒng)的影響。4) 電力電纜。在導(dǎo)體中非正弦波電流與具有相同方均根值的純正弦波電流相比，會引起額外溫升。由于導(dǎo)體對高頻率諧波電流有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，將導(dǎo)致電力電纜損耗( IR2)增加，電纜因過載而過熱，使額定載流量減小，發(fā)生導(dǎo)體絕緣放炮或燒毀存在火災(zāi)隱患。5) 通信和信息線路。當供配電線路與通訊和信息線路平行或相距較近時，由于兩者之間存在靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，容易形成電場耦合和

9、磁場耦合，諧波會對通訊和信息系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低信號的傳輸質(zhì)量，不僅影響聲、像的清晰度和信息傳輸?shù)臏蚀_性，嚴重時還會造成設(shè)備損壞，危及人身安全。6) 微機保護和控制設(shè)備。煤礦供配電系統(tǒng)中的諧波電壓和電流，會導(dǎo)致供配電系統(tǒng)中各類保護及自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動，特別在廣泛應(yīng)用的微機保護、綜合自動化裝置中表現(xiàn)更為突出，容易引起越級跳閘，區(qū)域系統(tǒng)瓦解，造成故障擴大等惡性后果。諧波還會使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差。采用 PLC 控制的設(shè)備可能發(fā)生失控、死機、程序紊亂等現(xiàn)象，對于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能會使晶閘管誤動作或使控制回路誤觸發(fā)。會使煤礦井下供電的高低壓供電系統(tǒng)上的漏電裝置誤動作，嚴重影響礦井供

10、電及生產(chǎn)安全。諧波如果不經(jīng)過治理直接進入上級電網(wǎng)，將會給電網(wǎng)帶來嚴重的諧波污染。1.3 與國內(nèi)同類技術(shù)比較抑制諧波主要有兩種方法：主動的方法。從諧波源出發(fā)，減少諧波的產(chǎn)生，即設(shè)法提高電力系統(tǒng)中主要的諧波源即整流裝置的相數(shù)，或者采用高功率因數(shù)整流器、有源功率因數(shù)校正器等：被動的方法。安裝濾波裝置，如無源電力濾波器、有源電力濾波器。無源電力濾波器結(jié)構(gòu)簡單，既可補償無功，又可抑制諧波，因而在電力系統(tǒng)中裝設(shè)無源電力濾波器一直是傳統(tǒng)補償無功和諧波的主要手段。但無源電力濾波器也存在濾波特性依賴于電網(wǎng)和負載參數(shù)，電感、電容參數(shù)漂移會導(dǎo)致濾波特性的改變，同時重量大，體積大，存在過載的問題，易與電網(wǎng)發(fā)生諧振等缺

11、點。有源電力濾波器是電力系統(tǒng)中重要的電力電子技術(shù)應(yīng)用裝置，是保證電力系統(tǒng)良好運行環(huán)境和城市電網(wǎng)改造所迫切需要的技術(shù)手段。與傳統(tǒng)的無源電力濾波器相比，有源電力諧波抑制裝置具有下列優(yōu)勢：1） 對頻率和大小變化的諧波進行動態(tài)補償，反應(yīng)快；2） 所需貯能元件容量較??；3） 即使諧波電流過大，抑制裝置也不會發(fā)生過載；4） 補償效果受電網(wǎng)阻抗變化的影響小，且不會發(fā)生諧振；5） 跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，其補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響；6） 安裝方便。有源電力濾波器的原理是通過對電網(wǎng)電流諧波進行實時檢測，利用高頻電力電子變流器對諧波進行主動的對消。有源電力濾波器的概念最早由Gyugyi于1976年提出，經(jīng)過三十

12、多年的發(fā)展，有源電力濾波器的研究取得了許多進展：1987年Takeda等的并聯(lián)APF加并聯(lián)PPF的混合有源電力濾波器；1988年，F(xiàn).z.Peng等的串聯(lián)APF加并聯(lián)PPF的混合有源電力濾波器；1990年，H.Fujit等的APF與PPF相串聯(lián)的混合有源電力濾波器；1994年，H.Akagi等的串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的混合有源電力濾波器等。90年代后期，并聯(lián)有源電力濾波器在日本、美國等國開始應(yīng)用。從1983年到1995年，日本共有455套有源電力濾波器投入使用。下面是1997年日本電氣委員會發(fā)表的諧波危害的調(diào)查報告給出的有源電力濾波器應(yīng)用情況：從1991年到1995年累計生產(chǎn)355臺，與198

13、3年到1991年約7年間共生產(chǎn)了近100臺相比，產(chǎn)量有了大幅度上升。200KVA以下的約占70%，超過1000kVA的約占7%，近幾年50kVA以下的臺數(shù)增加顯著，反映了公眾對諧波抑制重要性的認識在提高。大部分中小容量的有源電力濾波器主回路采用的開關(guān)器件基本為IGBT，兆瓦級的大容量裝置使用GTO器件。國內(nèi)對有源電力濾波器的研究始于80年代末期，陸續(xù)出版了一些這方面的專著。國內(nèi)目前對高壓有源電力濾波器的研究還主要停留在高校的實驗樣機水平上，距離工業(yè)化產(chǎn)品還有相當距離。從近年來的研究可以看出APF具有以下的發(fā)展前景：1)將智能控制引入傳統(tǒng)控制方法中?，F(xiàn)在的智能控制方法雖然已經(jīng)逐漸應(yīng)用到有源濾波器

14、的研究中，如無差拍控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，但現(xiàn)階段還沒有真正用于實際的例子。因此，建立統(tǒng)一的、能用于實際工程的有源濾波器模型是智能控制需要解決的問題。2)采用多電平或多重化主電路來實現(xiàn)大容量APF。近幾年，多電平逆變技術(shù)以及多電平并聯(lián)技術(shù)由于其在輸出波形質(zhì)量、開關(guān)損耗、器件應(yīng)力等方面的突出優(yōu)點，引起了廣泛的關(guān)注。隨著門極可關(guān)斷高壓半導(dǎo)體器件的發(fā)展和多電平逆變器技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見，APF將會有更大的發(fā)展前途。3)隨著DSP技術(shù)數(shù)字信號處理專用高速芯片控制技術(shù)的不斷發(fā)展，實現(xiàn)APF控制的全數(shù)字化,將更有利于降低成本、全面工業(yè)化。1.4 項目研究的意義因此，無論是從保障煤礦電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、

15、經(jīng)濟運行的角度，還是從用電設(shè)備的安全、正常工作的角度，有效地治理諧波，將其限制在允許范圍之內(nèi)，還電網(wǎng)一個潔凈的電氣環(huán)境，營造“綠色電網(wǎng)”，已經(jīng)迫在眉睫。因此，煤礦諧波治理問題的研究具有十分重大的理論和現(xiàn)實意義。在礦井供電系統(tǒng)中，積極采取消除或抑制諧波危害的防范措施。例如：1）電力電纜的選擇在礦井供電系統(tǒng)電力電纜截面的選擇中，應(yīng)考慮諧波引起電纜發(fā)熱的危害。對于連接諧波主要擾動源設(shè)備的配線，確定電纜載流量時應(yīng)留有足夠裕量，必要時可適當放大一級選擇電纜截面。2）合理選擇變壓器正確合理地選擇變壓器的接線方式，能阻止不平衡電流和 3N 次諧波電流從原邊傳到電源配電系統(tǒng)中。在三角形/星形變壓器里，不平衡電

16、流和 3N 次諧波電流在原邊繞組內(nèi)循環(huán)流動而不會傳入電源配電系統(tǒng)中。礦井供配電系統(tǒng)中各級變壓器應(yīng)多采用三角形/星形變壓器。在根據(jù)負載確定電力變壓器額定容量時，應(yīng)考慮諧波畸變而留有裕量。在礦井設(shè)計中一般應(yīng)保證變壓器負荷率在 70 80%，該裕量可防范諧波引起的變壓器發(fā)熱危害。3）無功補償電容器的配置在有諧波背景的礦井供電系統(tǒng)中，不能采用常規(guī)的補償系統(tǒng)來進行無功補償。為避免電容器組與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，必須采用調(diào)諧式電容器組。調(diào)諧式電容器組即在補償電容器中加串調(diào)諧電抗器。電抗器的主要作用是避開諧波電流可能出現(xiàn)的頻率。這種電抗器被稱為調(diào)諧電抗器，帶有這種電抗器的電容器組則被稱為調(diào)諧電容器組。

17、使用調(diào)諧電容器組的目的不是為了顯著地降低諧波畸變，而是為了確保電容器組不會因為諸如系統(tǒng)阻抗、投入段數(shù)、系統(tǒng)配置、負荷狀況變化等原因而發(fā)生諧振。4）諧波補償裝置進行補償對礦井中的主要諧波源，如: 大功率提升機、通風(fēng)機、帶式輸送機的變頻設(shè)備，在運行過程中會引起較嚴重的高次諧波污染。為了擬制變頻器在運行中產(chǎn)生的諧波，需增加諧波補償裝置，使輸入電流成為正弦波。傳統(tǒng)的諧波補償裝置是采用 LC 調(diào)諧濾波器，它既可補償諧波，又可補償無功功率。但其補償特性受礦井供配電系統(tǒng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使 LC 濾波器過載甚至燒壞。另外，它只能補償固定頻率的諧波，效果不甚理想，但該裝置

18、結(jié)構(gòu)簡單，目前仍被廣泛應(yīng)用。電力電子器件普及后，運用有源電力濾波器進行諧波補償將成為主要方法，有源濾波器的工作原理是從補償對象中檢測出諧波電流，然后產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。煤礦廠諧波含量超標將嚴重威脅礦井供電安全，目前針對煤礦廠的諧波裝置為無源濾波裝置，但存在著體積大、重量重等缺點。而有源電力濾波器（APF）則可以實現(xiàn)諧波自動跟蹤濾波，且體積小、重量輕。與傳統(tǒng)的LC濾波器相比, APF具有動態(tài)濾除低高次諧波（50次以下）、抑制閃變、補償無功、自動跟蹤負荷變化等

19、技術(shù)優(yōu)勢; APF濾波效果受系統(tǒng)阻抗變化影響小，不用擔(dān)心濾波器與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振問題；單臺APF可對250次諧波進行補償，裝置簡單，補償范圍廣，克服了LC無源濾波需要多組單調(diào)諧濾波支路組合補償且補償面窄的缺點。我國對660v至10KV高壓段APF的研究還主要集中在試驗研究階段，此項目的成功應(yīng)用將推動我國高壓APF在煤礦行業(yè)的全面普及。市場需求大。2 承擔(dān)單位的條件和工作基礎(chǔ)2.1 項目承擔(dān)單位項目承擔(dān)單位平煤股份公司是一個大型煤礦集團企業(yè)，“以煤為主、相關(guān)多元化”為發(fā)展戰(zhàn)略，走新型工業(yè)道路，將建成煤炭主業(yè)突出、核心競爭能力強、可持續(xù)發(fā)展能力強，煤電化一體，在全國有重要影響的特大型能源企業(yè)，

20、成為全國重要的火電基地、煤化工基地和冶金用煤基地，步入全國企業(yè)百強行列。平煤股份六礦位于平頂山市區(qū)西10Km，于1958年興建，1970年簡易投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a，經(jīng)過三次技術(shù)改造，在生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)測、信息通訊等方面實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理，是一座技術(shù)先進的大型現(xiàn)代化礦井，連續(xù)多年獲得“行業(yè)級質(zhì)量標準化礦井”“煤炭工業(yè)科技進步世家礦井”、“煤炭行業(yè)特級安全高效”礦井等榮譽稱號，2011年實際生產(chǎn)原煤426萬t，是平煤股份主力生產(chǎn)礦井。項目承擔(dān)單位平煤股份公司是一個大型煤礦集團企業(yè)，“以煤為主、相關(guān)多元化”為發(fā)展戰(zhàn)略，走新型工業(yè)道路，將建成煤炭主業(yè)突出、核心競爭能力強、可持續(xù)發(fā)展能力強，煤電

21、化一體，在全國有重要影響的特大型能源企業(yè)，成為全國重要的火電基地、煤化工基地和冶金用煤基地，步入全國企業(yè)百強行列。隨著煤礦井下各種開關(guān)功率器件以及其它非線性負載的廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)致諧波大量的注入電網(wǎng)，即電力污染。平煤股份六礦井上下通過變頻器驅(qū)動的大功率異步電機越來越多，由于變頻裝置中整流和逆變部分采用的是變流技術(shù)，在工作時不同程度地產(chǎn)生了諧波，諧波的存在導(dǎo)致六礦井下電子設(shè)備及控制系統(tǒng)受干擾而無法正常工作，如井下饋電開關(guān)誤跳閘和多次燒壞，主電機繞組也被擊穿過，直接威脅煤礦井下供電和用電設(shè)備的安全。諧波污染問題日益突出，將對礦井的供電安全帶來巨大的威脅，而供電安全與礦井安全息息相關(guān)，該項目研究不僅為

22、平煤集團其他煤業(yè)集團井下供電系統(tǒng)諧波治理提供了寶貴經(jīng)驗，而且適用于其他礦山和工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)諧波治理中使用，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。2.2 項目協(xié)作單位協(xié)作單位武漢武新電氣科技有限公司常年與清華大學(xué)、武漢大學(xué)緊密合作，從事動態(tài)無功補償TSC、SVC、SVG及有源電力濾波器的研發(fā)及生產(chǎn)。低壓400v APF產(chǎn)品已經(jīng)成熟，并成功應(yīng)用于武重、武鋼、武船、二汽等大中小企業(yè)；公司產(chǎn)品都通過ISO9001、ISO14001、CCC、CQC等認證，技術(shù)規(guī)范完全符合相關(guān)的行業(yè)標準；擁有自己的研發(fā)團隊；擁有各類先進的生產(chǎn)設(shè)備和檢測設(shè)備。3 項目研究內(nèi)容和目標3.1 項目的研究內(nèi)容該項目包括了以下主要研究內(nèi)容：1

23、）針對六礦主井1140V側(cè)供電系統(tǒng)諧波現(xiàn)狀，找到了供電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生根源和諧波特征。2）調(diào)研了國內(nèi)各類諧波治理技術(shù)現(xiàn)場使用情況和優(yōu)缺點的對比分析3）已經(jīng)設(shè)計制造三臺100A用于變頻器和變壓器之間1140V供電系統(tǒng)的有源電力濾波器，已經(jīng)安裝調(diào)試完畢。3.2 項目的總體目標把六礦主井口的諧波治理到國標規(guī)定的范圍內(nèi)，把660V至10KV電壓等級的高壓電力有源濾波器產(chǎn)業(yè)化，標準化，并在煤炭行業(yè)推廣使用，并為申請國家級項目打?qū)嵒A(chǔ)。4 項目研究的技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù)4.1 基于瞬時無功理論控制算法本有源濾波器是全數(shù)字化控制，采用先進的基于瞬時無功理論的控制算法，實時以及精確地補償系統(tǒng)中的諧波和無功電流。目前

24、對諧波電流分量的檢測方法大體分為頻域檢測法和時域檢測法兩類。頻域檢測法（如 FFT）一般計算量大、實時性差，在系統(tǒng)三相不對稱時也無法得到精確的檢測結(jié)果。而時域檢測法在實時性上則要好得多，目前的方法主要有有功電流分離法、瞬時無功功率理論運算法、自適應(yīng)電流檢測法和 dq0 坐標系下的廣義瞬時無功檢測法?；?Fryze 時域分析的有功電流分離法簡單但有效，在電壓和電流不對稱時，其有功電流中將含有基波負序分量，從而使得補償效果不好。基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法有兩種，分別是 p-q 分解法和直接分解法。p-q 分解法受電壓諧波含量和三相不平衡的影響較大，無法在電壓波形畸變時得到準確的結(jié)果；直接

25、分解法不受諧波影響，并在三相電壓不對稱時，能準確的檢測到基波正序電流，但對其有功和無功電流的分解將受到三相不平衡程度的影響，誤差無法消除。自適應(yīng)電流檢測法基于自適應(yīng)干擾對消原理，把電壓作為參考輸入，負載電流作為原始輸入，電壓經(jīng)自適應(yīng)濾波器處理后，輸出一個與負載電流基波有功分量幅值、相位均相等的信號，將此信號從負載電流中扣除，得到高次諧波和無功電流分量的總和。其自適應(yīng)濾波器又可采用模擬方式和數(shù)字方式(如 ANN)來實現(xiàn)，但這種方法不能濾除基波負序電流?；谂煽俗儞Q的廣義瞬時無功功率的檢測法可以準確的檢測出三相基波正序電流，但是對有功和無功電流的檢測也是不準確的。有學(xué)者提出了基于瞬時無功功率理論和

26、同步坐標變換的基波正序有功電流檢測方法，通過計算基波正序電壓的相位可以正確的檢測出基波正序有功電流，但這些算法均依賴于總負載電流的檢測，并且算法中使用低通濾波器進行濾波，算法的精度和實時性無法得到保證，若要在微電網(wǎng)的補償中獲得應(yīng)用還需要作出改進。4.1.1 瞬時無功理論簡述三相瞬時無功功率理論于1983年由赤木泰文提出，此后該理論經(jīng)過不斷研究得到逐漸完善。赤木最初提出的理論亦稱pq理論，是以瞬時實功率p和瞬時虛功率q的定義為基礎(chǔ)，其主要的一點不足是未對有關(guān)的電流量進行定義。三相瞬時無功功率理論是以瞬時有功功率p和瞬時無功功率q的定義為基礎(chǔ)的，它的核心是采用變換矩陣將三相電路的電壓、電流瞬時值變

27、換到相互正交的二維坐標系上研究。設(shè)三相電路的電壓和電流瞬時值分別為，和,通過Clarke變換矩陣分別變換到兩相正交的坐標系上，可得兩相瞬時電壓，和兩相瞬時電流。 ， （1） （2）如圖 所示的的平面上，矢量和可合成旋轉(zhuǎn)的電壓矢量和旋轉(zhuǎn)電流矢量 （3）三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流 是電流矢量在電壓矢量及其法線上的投影，即： （4）其中三相電路的瞬時有功功率p 和瞬時無功功率q為電壓矢量的模與三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流的乘積, 即 （5）把（4）式及代入式（5）中，并寫成矩陣的形式，即: （6）且設(shè)三相電壓、電流的瞬時值如式（1）定義，代入式（6）可得 （7）由式（6）（7）可以看出

28、，在三相電壓和電流均為正弦波時p、q均為常數(shù)，其值與傳統(tǒng)理論中算出的有功功率p和無功功率q相同.4.1.2 p-q檢測法該檢測方法的框圖如圖2所示。該方法根據(jù)瞬時無功功率理論算出p、q，經(jīng)低通濾波器(LPF)得p、q的直流分量。當電網(wǎng)電壓波形無畸變時，基波正序有功電流與電壓作用產(chǎn)生瞬時有功功率p，基波正序無功電流與電壓作用產(chǎn)生瞬時無功功率q。于是，可計算出被檢測電流的基波正序分量。從而得到需要檢測的諧波電流。當有源電力濾波器同時補償諧波和無功時，就需要同時檢測出補償對象中的諧波和無功電流。在這種情況下，只需斷開圖3-1中計算q的通道即可。這時，由即可計算出被檢測電流的基波有功分量:從而可以得到

29、諧波分量和基波無功分量之和。由于采用了LPF低通濾波器，故當被檢測電流發(fā)生變化時，要經(jīng)過一定延遲能得到準確的量，檢測結(jié)果有延遲。但當只檢測無功電流時，則無需LPF低通濾波器，而直接將q反變換即可得到無功電流，這樣就不存在延時了。4.1.3 檢測法檢測方法的原理框圖如圖所示。其中該方法中，需用到與電網(wǎng)a相電壓同相位的正弦信號和對應(yīng)的余弦信號，它們由一個鎖相環(huán)(PLL)和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到的。根據(jù)定義可以計算出，進而計算出諧波分量。與p-q檢測法同理，當檢測無功電流和諧波電流之和時，斷開計算的通道即可。而只需檢測無功電流時，則需要對進行反變換即可。4.2 電流跟蹤技術(shù)變流器的運行控制關(guān)鍵

30、在于對交流側(cè)電流的控制，也就是要使三相交流電流跟蹤參考信號。其基本思想是將測量得到的實際相電流的瞬時值和參考電流進行比較，產(chǎn)生逆變狀態(tài)開關(guān)信號，從而達到電流跟蹤的目的。一般來說，對于電流控制的要求主要有以下幾點：1）在較寬的輸出頻率范圍內(nèi)，無相位和幅值誤差；2）系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)好；3）能夠限制或保持開關(guān)頻率恒定，使功率開關(guān)管工作在安全工作區(qū)內(nèi)；4）諧波含量低；5）直流電壓利用率高。這些要求往往不能同時滿足，甚至相互矛盾，比如快速響應(yīng)和低諧波含量。所以，對不同的應(yīng)用場合，電流控制性能要求也不同。根據(jù)是否直接選取電感電流的瞬時值作為反饋和被控制量，PWM變流器的控制方式分為直接電流控制和間接電流控制兩

31、種。間接電流控制又稱作幅值相位控制，是通過調(diào)節(jié)變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位來控制電流。其電流控制的依據(jù)是變流器的空間矢量圖，對電流的控制是開環(huán)的。間接控制的靜態(tài)性能很好，控制結(jié)構(gòu)簡單。由于不需要電流傳感器，成本也比較低。但是間接控制時，電流的動態(tài)響應(yīng)不夠快，甚至在交流側(cè)電流中含有直流分量、且對系統(tǒng)參數(shù)波動較敏感，因而常用于對變流器動態(tài)響應(yīng)不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡單的場合。直接電流控制是一種通過引入交流電流反饋，對其進行直接控制而使其跟蹤給定電流信號的控制方法。直接電流控制一般都可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，但其控制結(jié)構(gòu)和算法也相對較為復(fù)雜。并聯(lián)電壓型變流器常用的直接電流跟蹤控制方法有主要有周期采樣控

32、制，滯環(huán)比較控制、三角載波控制等。具有理論成熟、實現(xiàn)簡單、對并聯(lián)型變流器的參數(shù)及結(jié)構(gòu)的依賴性小等優(yōu)點。4.2.1 滯環(huán)比較控制方式僅以單相的控制為例，如上圖所示。補償電流的指令信號與實際的補償電流信號比較，再把偏差作為輸入信號輸入滯環(huán)比較器中，由滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制功率器件開關(guān)的PWM信號。滯環(huán)比較控制方式既能降低功率器件的開關(guān)頻率又能快速進行電流跟蹤，滯環(huán)比較器環(huán)寬H的大小決定了電流跟蹤的速率，當時，滯環(huán)比較器輸出信號保持不變；如果，滯環(huán)比較器的輸出將翻轉(zhuǎn)，補償電流ic的變化方向發(fā)生改變。補償電流信號只在和 的區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)鋸齒波形狀跟隨波形的變化。滯環(huán)比較控制方式屬于瞬時值比較方式，電流響應(yīng)快，

33、硬件電路十分簡單，應(yīng)用比較廣泛。其缺點仍然明顯，即在固定環(huán)寬情況下功率器件的開關(guān)頻率仍是變化的，當補償電流值較小的時候，滯環(huán)寬度的固定導(dǎo)致補償電流相對跟隨誤差較大，當補償電流值較大時，滯環(huán)寬度的固定導(dǎo)致功率器件開關(guān)頻率過高，影響使用壽命。4.2.2 三角波比較方式三角波比較方式的原理圖如下圖所示該方法將調(diào)制后的實際補償電流與電流指令信號的偏差。經(jīng)放大器A放大后，與高頻三角調(diào)制波進行實時比較，從而得到不同時刻逆變器的開關(guān)狀態(tài)。放大器A往往采用比例放大器或比例積分放大器，這樣組成的一個控制系統(tǒng)是基于把控制為最小來設(shè)計的。電流的控制既可以是在靜止坐標系，也可以是在同步坐標中進行。在同步坐標系下可以實

34、現(xiàn)電流的無靜差跟蹤，電流響應(yīng)也快一些。早期的電流控制主要用模擬電路，要實現(xiàn)坐標變換還非常復(fù)雜，所以控制器一般在靜止坐標系實現(xiàn)。為彌補不足，在靜止系坐標下電流控制器中引入電網(wǎng)反電動勢信號作為前饋補償可以使靜止坐標的電流控制效果和旋轉(zhuǎn)系很接近。隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化系統(tǒng)正在逐步取代模擬電路，在數(shù)字化系統(tǒng)中進行坐標變換非常方便，所以現(xiàn)在使用的控制器大都建立在同步坐標系中。4.3 技術(shù)方案對于高壓有源濾波一般有兩種基本的開發(fā)思路或策略，從而形成兩類不同性質(zhì)的產(chǎn)品，也就是該項目的兩種研究開發(fā)方案。一種方式利用相對比較成熟的低壓電力有源濾波裝置，與專有的寬頻帶變壓器串聯(lián)，從而將可以將相對成熟的低壓電

35、力有源濾波裝置應(yīng)用于高電壓等級的電網(wǎng)上。另一種方案則是重新開發(fā)直掛式的高壓電力有源濾波裝置。這兩種方案各有優(yōu)缺點：方案一的優(yōu)勢是：開發(fā)周期短，相對來說技術(shù)比較成熟。方案一的不足之處是：寬頻變壓器比較難設(shè)計，而且體積大，價格高，安裝不方便；更重要的是，這種方式的濾波效果不一定好，不能自適應(yīng)地跟隨電網(wǎng)或負載的變化而變化，根本原因是連接變壓器是固定設(shè)計的。方案二的優(yōu)勢是濾波效果肯定好，可以動態(tài)地跟隨電網(wǎng)或負載的特性的變化而變化，體積小，運行安裝都比較方便。不足之處是：技術(shù)成熟度不夠，在國內(nèi)外均缺少現(xiàn)場運行經(jīng)驗。通過綜合比較分析，在該項目中，最終確定選用方案二。方案二的基本原理和技術(shù)闡述如下：直掛式高

36、壓有源電力濾波器是一種基于電壓源逆變器的用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置。該裝置實時檢測負荷電流中的諧波分量、基波無功分量，經(jīng)微機快速運算，通過由大容量IGBT管組成的三相并聯(lián)變流器向系統(tǒng)注入補償電流，該補償電流與負荷電流中的諧波電流大小相等、方向相反而互相抵消，保證流入電源變壓器的系統(tǒng)電流及其他負荷的電流是純凈的正弦波。該裝置可克服LC濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制設(shè)備的缺點，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤補償。有源濾波器原理圖如下所示：如上圖所示，有源電力濾波器由四部分構(gòu)成：主電路、指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路和驅(qū)動電路。其基本工作原理是：通過檢測補償對象中含有諧波的電流，經(jīng)指令電流運算電路運算得出

37、補償電流的指令信號，該指令信號經(jīng)跟蹤控制電路，控制主電路得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波電流相互抵消，最終得到希望的不含諧波的電源電流。即有源濾波器將負載諧波電流限制在了負載端，阻塞其向電力系統(tǒng)擴散。當負載產(chǎn)生諧波電流時，有源電力濾波器檢測出負載電流中的諧波分量，將其反極性后作為指令信號，由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流，因補償電流即與負載電流中的諧波分量大小相等、方向相反，可互相抵消，使得電源電流i、中只含基波，不含諧波補償電流在連接點相互抵消諧波。并聯(lián)型有源電力濾波器的原理可以用以下一組公式來描述：故其中，為負載電流的基波分量高壓有源電力濾波器的主電路由PWM變流器構(gòu)成。根據(jù)

38、變流器直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型（儲能元件為電容）和電流型（儲能元件為電抗器）兩種。電流型 PWM 變流器直流側(cè)大電感上始終有電流流過，該電流在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用?，F(xiàn)在比較常用的有源電力濾波器主電路均為電壓型 PWM 變流器。它的直流側(cè)接有大電容，在正常工作時其電壓基本保持不變，可以看作電壓源。電壓型變流器的控制方法是：根據(jù)開關(guān)控制信號變流器輸出相應(yīng)的電壓，使之與電源的電壓在變流器輸入端的電抗器上相互作用，得到所需要的補償電流。這種主電路具有結(jié)構(gòu)簡單、對逆變器開關(guān)器件反向耐壓要求不高、能量消耗小、控制容易實現(xiàn)等優(yōu)點。指令電流運算電路采集電網(wǎng)含有諧波的三相電流

39、，根據(jù)相應(yīng)的諧波檢測理論，經(jīng)過運算，濾除其中的諧波電流得到基波電流。并用采集的電流減去計算所的基波電流得到應(yīng)該補償?shù)闹噶铍娏?。電流跟蹤控制電路較指令電流和系統(tǒng)實際補償給電網(wǎng)的電流，根據(jù)它們之間的關(guān)系輸出控制主電路逆變器橋的開通和關(guān)斷信號，最終使實際補償?shù)碾娏髂軌蚩焖贉蚀_的跟蹤指令電流。驅(qū)動電路根據(jù)電流控制電路的開通和關(guān)斷信號，產(chǎn)生驅(qū)動信號驅(qū)動逆變橋各橋臂的開通和關(guān)斷，主要是由逆變器驅(qū)動模塊及其外圍電路組成。4.4 技術(shù)路線本項目技術(shù)路線分為理論研究、算法研究、系統(tǒng)開發(fā)和實驗研究四個部分，理論研究主要包括研究針對六礦主井1140V供電系統(tǒng)諧波現(xiàn)狀，找出供電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生根源和諧波特征，研究在線的諧

40、波污染評價標準，研究諧波治理的新理論，為有源濾波器在配電網(wǎng)中應(yīng)用的可行性和適應(yīng)性奠定堅實的基礎(chǔ)；算法研究主要包括諧波治理的新算法，APF設(shè)備應(yīng)用的控制算法；系統(tǒng)開發(fā)主要是開發(fā)城市配電網(wǎng)中諧波綜合治理與管理系統(tǒng)；實驗研究主要是選擇一個典型的小范圍配電網(wǎng)絡(luò)，研究有源濾波器的運用方法，現(xiàn)場試運行有源濾波器新技術(shù)，并建立一套判斷有源濾波器運行狀態(tài)的算法，開發(fā)適應(yīng)于煤礦諧波管理的軟件系統(tǒng)，力爭達到實用化程度。按照上文提供的技術(shù)路線，我們進行了以下工作：1建模與仿真應(yīng)用電網(wǎng)的建模與仿真建模與仿真是電力系統(tǒng)計算與分析的基礎(chǔ)。通過建模計算，分析實際中含諧波源的配電網(wǎng)的運行特性以及電能質(zhì)量改善設(shè)備接入后配電網(wǎng)的

41、運行情況，研究配電網(wǎng)諧波補償控制策略，對指導(dǎo)現(xiàn)場運行有重大意義。根據(jù)現(xiàn)場電網(wǎng)諧波控制計算分析的需要，收集了相關(guān)的數(shù)據(jù)，建立了煤礦電網(wǎng)模型。1）通過對六礦主井電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、線路參數(shù)狀況的調(diào)研，深入了解六礦主井現(xiàn)狀，分析存在的問題。2）建立六礦主井模型，根據(jù)采集的參數(shù)建立六礦主井的數(shù)學(xué)模型。研究其電網(wǎng)的運行特性，分析加入諧波的電網(wǎng)運行特性，提出六礦主井諧波補償技術(shù)措施及實際可行的控制方案。3）根據(jù)諧波補償方案，研究諧波補償技術(shù)手段和具體措施，計算優(yōu)化調(diào)節(jié)后的電網(wǎng)諧波畸變率，分析優(yōu)化效果。2電能質(zhì)量補償設(shè)備的研發(fā)本項目以電力電子技術(shù)及理論的最新研究成果為基礎(chǔ)，借助最新的電子控制技術(shù)、綜合自動化技術(shù)及微電

42、腦技術(shù)，使用有源電力濾波器（APF），結(jié)合智能綜合管理系統(tǒng)等后臺軟件的使用，減少或消除因電能質(zhì)量問題對煤礦帶來嚴重的危害，提高供電可靠性及供電質(zhì)量，減少電網(wǎng)損耗，進一步提高供電服務(wù)的水平。有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，通過實時檢測負載的諧波分量，采用PWM變換技術(shù)，將與諧波大小相等、方向相反的電流注入供配電系統(tǒng)中，實現(xiàn)抑制諧波、動態(tài)補償諧波的功能。3智能綜合管理系統(tǒng)本軟件包含能源管理專家，設(shè)備運行智能管理，電網(wǎng)自愈控制等部分，通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設(shè)備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)

43、濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。系統(tǒng)是在采用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無線傳感絡(luò)技術(shù)等國內(nèi)外先進成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)計算無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器/路由/終端器的配電專網(wǎng)用有線接入和無線通訊系列產(chǎn)品，構(gòu)建滿足電力生產(chǎn)管理服務(wù)需求的配電專用數(shù)據(jù)通訊組網(wǎng)方案。通過對各個檢測節(jié)點進行實施綜合電能質(zhì)量在線監(jiān)測，初步建立起電能質(zhì)量的監(jiān)測系統(tǒng)，做到電能質(zhì)量管理實時化與網(wǎng)絡(luò)化。對電能質(zhì)量進行實時監(jiān)測，為綜合治理諧波污染源、無功容量不足和運行工況分析提供詳細的實時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析，為我們掌握地區(qū)電網(wǎng)的諧波及其他電能質(zhì)量水平與狀況、發(fā)現(xiàn)諧波源負荷的動態(tài)時間分布情況，從而為對電能質(zhì)量“污染”的分析、控制、治理提供了不可缺少的技術(shù)支持。一方面為研究各種儲能設(shè)備(電容器、電抗器)和非線性負載的運行對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響，為進一步開展電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理工作奠定了良好的