矿用动态电压恢复器优化组合补偿策略.pdf
第 4 2卷 第 1 期 2 0 1 6年 1月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 . 4 2 NO . 1 J a l1 .2 O 1 6 文 章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 2 8 0 5 D O I 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 6 . 0 1 .0 09 李 占凯 , 王景芹 , 张福民. 矿用动态电压恢复器优化组合补偿策略E J 3 . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 1 2 8 3 2 . 矿用动态电压恢复器优化组合补偿策略 李 占凯 , 王景 芹, 张福 民 河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 , 天津 3 0 0 1 3 0 摘 要 针 对长 时 间电压跌 落下矿 用动 态 电压 恢复 器直 流链 路 电容储 能利 用率较低 的问题 , 提 出 了一种 从 完全补偿 法到 同相补 偿 法的优 化组合 补偿 策略 , 即 2 种 补偿 策略之 间平滑缓慢 过 渡 , 从 而抑制跌 落时刻 的 负 载 电压 畸 变 , 降低动 态电压恢 复器 注入 电压 幅值 , 延 长动 态 电压恢 复 器 的补偿 时 间。 实验 结果表 明 , 该 策 略 在平衡和不平衡 电压跌落条件下均能正确可靠地补偿 电网电压跌落。 关键 词 动 态电压恢 复 器 ;电压跌 落 ; 相 位跳 变 ;同相补 偿 ;完全补偿 中图分类 号 TD 6 1 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 - 1 2 3 l 1 5 5 5 网络 出版 地址 h t t p / / www . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 5 1 2 3 1 . 1 5 5 5 . 0 0 9 . h t ml Re s e a r c h o f o p t i mi z e d c o mp e ns a t i o n s t r a t e g y f o r mi n e u s e d d y n a mi c v o l t a g e r e s t o r e r LI Z h a n k a i , W ANG J i n g q i n , ZHANG Fu mi n P r o v i n c e Mi n i s t r y J o i n t Ke y La b o r a t o r y o f El e c t r o ma g n e t i c Fi e l d a n d El e c t r i c a l Ap p a r a t u s Re l i a b i l i t y,He b e i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Ti a n j i n 3 0 0 1 3 0 ,Ch i n a Ab s t r a c t To s o l v e l O W u t i l i z a t i o n o f DC- l i n k c a p a c i t o r o f mi n e u s e d d y n a mi c v o l t a g e r e s t o r e r u n d e r l o ng v o l t a ge s a g,a n o pt i mi z e d c ompe ns a t i o n s t r a t e gy wa s p r op o s e d,n a m e l y a s moo t h t r a ns i t i on be t we e n p r e s a g c o mpe n s a t i o n a nd i n p ha s e c o mpe ns a t i o n,S O a s t o r e s t r a i n a be r r a t i o n o f l oa d v o l t a ge dur i ng t he s a g ,r e d u c e a mp l i t u d e o f i n j e c t e d v o l t a g e o f d y n a mi c v o l t a g e r e s t o r e r a n d i n c r e a s e c o mp e n s a t i o n t i me .Th e e x pe r i me nt a l r e s u l t s v e r i f y f e a s i b i l i t y a n d r e l i a bi l i t y o f t he s t r a t e gy i n ba l a n c e d a nd u nb a l a nc e d g r i d v o l t a g e s ag. Ke y wo r d s d y n a mi c v o l t a g e r e s t o r e r ;v o l t a g e s a g;p h a s e j u mp;i n p h a s e c o mp e n s a t i o n;c o mp l e t e c o mp e ns a t i on 0引言 煤矿 供 电系统 中 , 受井 下 电 网容 量 的限制 , 母 线 短路故障、 大型设备开关浪涌 、 重型负载启动等引起 的电压跌 落 导致重 要 敏 感 设备 停 机 , 是 煤 矿安 全 生 产 的重 要 隐患【 1 。 ] 。为避免 井下 负荷欠 压脱 扣跳 闸 , 采 用动 态 电压 恢 复 器 Dy n a mi c Vo l t a g e R e s t o r e r , DVR 恢 复 有 限 时 段 的 电 压 跌 落 是 一 项 有 效 措 施[ 5 6 3 。 矿用 D VR 的直流链 路 电容容 量 过 大会 导 致装 置 成本增 加 , 这 就需 要 对 电容 存 储 能 量 进 行充 分 利 用 l l7 ] 。如果 仅采 用 同相 补偿 法 生成 D VR 注入 电压 来补偿电压跌落, 注入电压 幅值低 , 可以减小电容尺 寸 , 但无 法解 决跌 落瞬 间相位 突变 问题 , 相 位 敏感型 负载无 法适用 。仅 采用完 全补 偿法 可 以缓解 电压 幅 值 、 相位 变化 , 但 注入 电压 偏 高 , 在 补偿 期 间 直 流链 路 电容会 缓慢 放 电 , 导致 直流母 线 电压偏 低 , 此 时为 保 证补偿 效果 , 不 能改变 注入 电压基 波 幅值 , 逆变装 置只能工作于过调制状态或增加辅助充电装置 , 过 调制 会 导致 电 网中 引入 大量 谐 波_ 8 ] , 而增 加 辅 助 充 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 - 0 3 ; 修 回日期 2 0 1 5 1 2 1 2 ; 责任编辑 李明 。 基金项 目 国家自然科学基金资助项 目 5 1 4 7 7 0 4 0 。 作者简介 李 占凯 1 9 7 9一 , 男 , 河 北邢 台人 , 讲 师 , 博士 研究 生 , 研究 方 向为 柔性 交 流输 电 、 煤矿 电力 电子 设 备、 煤 矿 电 气安 全 , E 一 * n a i l a b c d 4 9 0 7 1 2 6 . c o rn。 2 0 1 6年 第 1期 李 占凯等 矿 用 动 态电压 恢复 器优 化组合 补偿 策略 2 9 电装 置会 额 外 增 加 DVR 成 本 。针 对 该 问 题 , 本 文 在 分析 对 比常 用 电压 跌 落 补 偿 策 略 的基 础 上 , 提 出 了一种 优化 组合 补 偿 策 略 , 即通 过 完 全 补偿 法 和 同 相 补偿 法 的缓 慢过 渡 , 逐 步 实现 相位 逼近 , 降低 补偿 电压幅值 , 在保证负载波形 畸变最低的前提下延 长 补偿时间。实验结果表 明, 该组合补偿策略实现简 单 , 能 够有 效利 用 直流链 路 电容储 能 。 1 优 化 组合 补偿 策 略 1 . 1 现有补偿 策略的对比分析 常用 电压 跌 落 补偿 策 略 有 同相 补 偿 法 ] 、 完 全 补 偿 法l 1 、 最小 能量 法 _ 】 。 D VR补偿时间与电压跌落深度 、 负载侧功率因 数及跌落时相位跳变均存在较强的耦合关系。补偿 时间与电压跌落深度的关系如图 1所示 。可看出在 各种跌落深度情况下 , 完全补偿法效果最 佳。同相 补偿法在跌落深度较小 时, 其补偿 时间略低于完全 补 偿 法 ; 在 跌 落深 度较 大 时 , 与 完全 补偿法 效 果基 本 相同。最小能量法所需能量最小 , 但其仅能在跌落 深度较小时提供较长的补偿时间。 g \ 厘 营 逍 l{ 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 电压跌落深度/ % 图 1 补偿 时间与电压跌落深度 的关 系 补偿时问 与负 载侧功率 因数 的关 系如 图 2所 示 。可看 出完 全 补偿法 和 同相 补偿 法在 任意 功率 因 数 下 均可 以补 偿 电压 跌 落 ; 最 小 能 量 法 仅 适 用 于 功 率 因数高 于 0 . 8的场 合 , 且 补 偿 时 间低 于 前 2种 方 法 , 应用场合受到限制 。 吕 \ 厘 留 越 素 0 0 . 2 0 . 4 0. 6 0. 8 1. 0 功率 因数 图 2补偿时间与负载侧功率 因数 的关 系 补偿 时间 与相 位 跳 变 的 关 系如 图 3所 示 , 可看 出同相补偿法和最小能量法的补偿时间与相位跳变 无关。采用完全补偿法时 , 负载 电压幅值和相位均 需正确恢复 , 因此补偿效果受相位跳变影响较大 , 当 相位 跳 变为 9 。 左 右时补偿 效 果最佳 。 吕 \ 厘 留 趟 素 相位跳变/ 图 3 补偿时间与相位跳变的关系 可见完全补偿法的优势取决于网侧电压相位跳 变 大小 , 相 位跳 变较 小时 补偿效 果较 好 , 相 位跳 变较 大 时应 考虑 其他 补偿 策略 。考 虑到 最小能 量法 不适 用 于相 位 敏感 型负 载 , 本 文 提 出 一种 基 于 同相 补偿 法和完全补偿法的 DVR优化组合补偿策略 , 即电 压跌落初始时刻采用完全补偿法 , 保证负载电压波 形 无暂 态 畸 变 , 然 后 逐 步 过 渡 为 同相 补 偿 法 , 降低 DVR注入电压幅值 , 提高直流链路电容储 能的利用 率 , 延长跌落补偿时间。 1 . 2 补偿 原理 DVR优 化 组合补 偿 策略基 本原 理 如 图 4所 示 , 其 中 u 为跌落前 的网侧 电压, u。 为跌落前的负载 电压 , u 为跌落后的网侧 电压, u 为跌落补偿过程 中的负载电压 , 为跌落补偿过程中的 DV R注入 电压幅值 , I 。 为跌 落前的负载 电流 , I 为跌落补偿 过 程 中的负 载 电流 , 为功 率 因数角 , 为相 位跳 变 。 图 4 a 为补偿过程的第 1个 阶段 模式 1 , 在电压 跌落时刻采用完全补偿法 , 锁相环锁定 网侧电压相 位并进行存储, 此时负载侧 电压波形无畸变, 在此期 间直流 链路 电容 缓慢 放 电 ; 图 4 b 为补偿 过 程 的第 2个 阶段 过 渡阶段 , 模 式 2 , 直流 母 线 电 压低 于设 定 值后 , D VR 注入 电压相 位 由完全 补偿 法 向 同相补 偿法缓慢过渡, 锁相环立刻锁定负载电压相位 , 注入 电压幅值减小 ; 图 4 c 为补偿过 程 的第 3个 阶段 过渡阶段 , 模式 3 , 通过锁相环将负载 电压相位缓 慢 平滑 过渡 至 网侧 电压 相 位 , 进 一 步 减 小 注入 电压 幅值; 图 4 d 为补偿过程的第 4 个阶段 模式 4 , 采 用 同相 补偿法 , D VR输 出 电压 、 网侧 电压 和负 载 电 压的相位完全相 同, 注入 电压幅值达到最小。采用 该 优化 组合 补偿 策略 时 , 在 短 时间 电压跌 落情况 下 , 可实现负载侧 电压无 畸变 ; 在长时间电压跌落情况 下 , 若 没有出现过调制且无大容量存储装置 , 可保证 负载电压畸变很小。 相位敏感型负载无法承受较大相位跳变 , 但可 3 0 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 i i c 模式 3 d 模式 4 图 4 优化组合补偿策略基本原理 以承受相位的持续变化 , 为 了保证负载侧电压畸变 较小, 相位过渡应尽可能缓慢进行。该优化组合策 略 中, 锁相环用于跌落 时刻网侧 电压相位的锁定存 储 , 在过 渡 阶段 , 锁 相 环 必 须 实 时追 踪 负 载 电压 相 位 , 以保证相位平滑过渡。 1 . 3 实现 原理 图 5 描述了 D VR优化组合补偿策略的实现原 理, 其 中l U a v r 为 DV R注入 电压 , 为网侧电压相位 , 为负载电压相位 , 耐为参考电压 d轴分量 , 【 , 。 为参考 电压 q轴 分量, 为 网侧 电压 d轴分量 , U 为网侧电压 q轴分量, u 为直流母线平均电 压 参 考 值 , U ⋯ 为 直 流 母 线 平 均 电 压 , 【 , ⋯ 为 D VR A 相注 入 电压 , Ub 为 DVR B相 注 入 电 压 , U⋯r 为 D VR C相 注入 电压 , U。 为 D VR 最 大 电压, u t 为负载电压参考值, Q 1 为负载无功功率, Pt 为负载有功功率 , a为计算幅值 和相位的输 出相 位 。当发生 电压跌 落 时 , 同步 电压 检测模 块 、 电压跌 落检测模块检测出网侧 电压幅值 , 锁相环检测 到跌 落时刻相位 , 将其特征量与参考值进行比较 , 以确定 D VR是否投入补偿。将网侧 电压与期望值 比较 , 生 成误 差 信 号 , 首 先 采 用 完 全补 偿 法 计 算 D VR 注入 电压 幅值 和相位 , 当直 流母线 电压低于设 定值 时 , 开 始执 行 同相补偿 法 , 锁 相 环被 解 锁 并 与 网侧 电压 同 步 , 控制补偿 电压 与 网侧 电压 同相位 。注入信 号 u r e { , 己 , , U⋯ 输入 P WM 脉冲产生模块形成脉 冲调 制信 号 , 由 H 桥逆 变单 元控 制逆 变 器功 率器 件 的开关输出电压 , 最后经 L C滤波器消除高次谐波 , 完 成对 负载 电压 的补偿 。 电源 图 5 D VR优化组合补偿策略的实现原理 2实验 验证 为验证 D VR优化组合补偿策略 的有效 性, 搭 建 了 1 0 k V/ 2 MVA级 联 多 电平 D VR实 验样 机 , 包 括逆变 H 桥单元 、 电容储能装置 、 滤波器 、 控制系统 等 , 如图 6所示 仅描 述 了主 回路 中的一相 , 其 中 C 一 C 为 H 桥 单 元 的 直 流 电 容 , . 为 负 载 电压 d轴分量, U。 。 为负载电压 q轴分量 。 , 实验参数见 表 1 。 C 3 6 单 元 } 流 电 负载 ⋯⋯⋯.. 墨 簦⋯ 阿 流 电 压 调 口 P A R K 变 换 l l 环 补偿策略算法模块 ; 圆圆圉 图 6 DVR实 验 样 机 结 构 实验 方法 直 流母 线 电压 降至 其标 称 值 的 8 0 时 , 快 速 启 动 补 偿 策 略 的模 式 2 , 同 步 电压 检 测 模 块 、 电压跌 落 检测 模 块测 量 D VR 输 出 电压 、 电 网 电 压和负载电压的幅值和相位角 使用正序组件 , 通 过以下 3组实验验证优化组合补偿策略。 1 短时间平衡电压跌落 。 设置 1 0 5 ms 时发 生 电压跌 落 , 持 续 1 0 0 ms , 网 2 0 1 6 年 第 1期 李占凯等 矿用动态电压恢复器优化组合补偿策略 3 1 表 1 实验参数 指标 参数 规格 电 网 电压 / k V 电网频率/ Hz 电网电压跌落深度/ % 电网电压波 动时 间/ s 电网谐波畸变率/ 电网 电压不平衡度/ 负载类型 级联形式 滤波电感/ “ H 滤 波电容 / , F 1 0 5 0 0 . 1 1 0 ~ 9 0 0 ~ 1 1 0 2 0 整流桥等非线性负载 单相 1 2 个 H桥模块 6 0 0 6 0 侧 电压跌落深度为 3 0 , 相位跳变一1 O 。 。图 7为该 情 况下 网侧 电压 、 DVR 注入 电压 、 负 载 电压 测 量 波 形 。 由于 跌落 时 间较 短 , 直 流链 路 电容储 能 足够 , 直 流 母线 电压未 低 于判 断 阀值 , 补 偿 策 略 的模 式 2未 被触发 , 因此采用优化组 合补偿策 略中的模式 1即 可完 成 电压补 偿 。 髻 主入 电 压 麟 粼 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 l 8 0 2 l 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 时间/ ms 图 7短 时间平衡 电压跌落时 的测量波形 2 长 时 间平衡 电压 跌落 。 设置 2 0 ms时发 生 电压跌 落 , 持 续 时 间超过 2 8 0 ms , 电压 跌 落 深度 为 5 O %, 相 位跳 变 5 O 。 。 图 8 为 该情 况下 的测 量 波形 。电压跌 落发 生 时刻 采 用完 全补 偿法 , 负载侧 电压波形 无 任何 暂态 过 渡 , 跌 落前后幅值 和相 位完全相 同; 1 0 0 ms后 , 改变补偿 策略 , 负 载 电压相 位角 缓慢 过 渡至 网侧 电压 相位 角 , 该过程 中 D VR注入 电压 幅值 明显 降低 , 补偿时间 大大 提高 。 3 长 时 间不平 衡 电压跌 落 。 设置 2 5 ms 时发生 电压跌落 , 网侧 电压 以正序 2 O 速度 下 降和 逆序 1 O 速 度 注 人 , 且 发 生 电压 跌 落 时 伴 随 一2 0 。 相 位 跳 变 。 图 9 为 该 情 况 下 的测 量 鞋 ≥ 出 瓣 至 唧 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 O 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 时间/ m s 图 8 长时间平衡 电压跌落时的测量波形 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 I 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 时间/ ms 图 9 长 时 I司不 平 衡 电压 跌 落 时 的 测 量 波 形 波形 , 可看 出 网侧 电压 波形 畸变 很大 , 但负 载 电压 不 受影 响 , 1 5 0 ms 左 右 开 始改 变 补 偿 策 略 且 DV R 注 入电压幅值降低, 三相 DVR注入 电压 幅值 明显不 同。当补偿 策 略改 变 后 , 有 两相 电压 的 幅值 和相 位 非常接近 。另外 , 三相 电压的补偿幅值都有所减小 , 与平衡跌落现象相同。实验结果与理论分析相符, 可见 优化组 合 补偿策 略 在 不对 D VR直 流 链路 电容 进行扩充的情况下 , 对长时间电压跌落具有 良好的 补偿 效果 。 3 结语 D VR优化组合补偿策略在平衡 和非平衡 电压 跌落 情况 下均 有效 可 行 , 既 可快 速 响 应 短 时 电压 跌 落, 又能有效补偿长时间电压跌落, 负载电压瞬态畸 变小 ; 对 于大相 位跳 变跌 落情况 , 可保 证负 载 电压 暂 态过 渡无 畸变 。 实验结果表明, 负载电压波形几乎无畸变 , 与完 全补偿法相 比, 该优化组合 补偿策略 减小 了 D VR 注入电压幅值 , 最大补偿时间显著提升, 且相位跳变 第 4 2卷 第 1期 2 0 1 6年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 . 4 2 No . 1 J a n.2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 3 2 0 3 DO I 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 6 . 0 1 . 0 1 0 徐辉 , 贺耀宜. 一种煤矿井下监控视频图像预处理方法[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 1 3 2 3 4 . 一 种煤矿井下监控视频图像预处理方法 徐 辉 , 贺耀 宜 1 . 中煤科 工集 团常 州研究 院有 限公 司 ,江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ; 2 . 天 地 常州 自动化 股份有 限公 司 ,江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针对 煤矿 井下照 度低 、 粉 尘大 、 强光干扰 多而导致监 控视 频 图像模糊 、 容 易出现 目标检 测 失误 等 问 题, 提 出了一种煤矿井下监控视频 图像预处理方法。引入 直方图均衡化算法将灰度值从集 中在 某段 灰度级 区域 的非 均 匀分布状 态 变换 为均 匀分 布状 态 , 扩展像 素灰度值 的动 态范 围; 采 用 多特征判 断 法即通 过灰度 阈 值 、 差分 阈值 、 尺 寸 阈值 3个方 面判 断检 测到 的 目标是 否 为光 斑 。 实验 结 果表 明, 该 方 法能 有 效增 强 图像 对 比度 , 改善 图像 质量 , 识 别 并滤 除光斑 , 从 而提 高 目标检 测 的有 效性 。 关键 词 井下监控视 频 ;图像预 处理 ;图像 增 强 ;光斑 滤除 ; 直 方 图均衡 化 ;多特征判 断 中 图分类号 T D6 7 2 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 1 2 3 1 1 5 5 6 网络 出版地 址 h t t p / / ww w. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 5 1 2 3 1 . 1 5 5 6 . 0 1 0 . h t ml 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 2 4 ; 修 回日期 2 0 1 5 1 2 1 6 ; 责任编辑 盛男 。 基金项 目 中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金青年基金项 目 2 0 1 4 QNO 3 0 。 作者简介 徐辉 1 9 8 0 一 , 女 , 河北沧州人, 工程师 , 硕士 , 从事智能视频分 析、 智能监控系统研发工作, E - ma i l x u h u i t d k j 1 6 3 . c o rn。 越大, 效果越明显 , 从而提高了直流链路电容储能利 用 率 。 参考文献 [ 1] 吉 丽萍. 受 电铁影 响 的煤矿 电 网 电能质 量 问题研 究 E J ] . 煤 炭科 学技术 , 2 0 1 2 , 4 0 2 8 0 8 6 . [ 2] 郭金龙 , 吕景江 , 王 以磊. 矿井 电网谐波治理及 无功补 偿 的研 究 与 应 用 [ J ] . 工 矿 自动 化 , 2 0 1 2 , 3 8 1 1 6 4 6 6. [ 3] 王彦文 , 卢丹 , 高彦. 基于广域同步测量技 术的煤矿高 压电网故障区段定位算法_ J ] . 煤炭学报 , 2 0 1 5 , 4 0 增 刊 1 2 8 5 2 9 1 . [4] ANS AR I A Q,S I NGH B ,HAS AN M.Al g o r i t h m f or po we r a n gl e c o nt r ol t O i mpr ov e p owe r qu a l i t y i n d i s t r i b u t i o n s y s t e m u s i n g u n i f i e d p o we r q u a l i t y c o n d i t i o n e r [ J ] .I E T Ge n e r a t i o n ,T r a n s mi s s i o n a n d Di s t r i b u t i o n ,2 0 1 5 , ’ 9 1 2 1 4 3 9 1 4 4 7 . 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