煤矿电能质量综合治理研究.pdf

第 4 2 卷 第 9期 2 0 1 6年 9 月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i o n V0 L 4 2 NO ． 9 Se p ． 2 O 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 6 0 0 5 D OI 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 9 ． 0 1 4 郭松梅． 煤矿 电能质量综合治理研究E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 9 6 0 6 4 ． 煤矿电能质量综合治理研究 郭松 梅 重 庆能 源职业 学 院 汽 车 与信息 工程 系 ， 重 庆4 0 1 3 2 1 摘 要 针 对现 有 煤矿 电 网电能质 量存 在谐 波 污染和 电压 波动 等 问题 ， 提 出 了一 种基 于 S VG 的 煤矿 电能 质量 综合 治理 方法 。该 方法基 于 正交 变换理 论 实现有 功 、 无功 电流 直接 控 制 ， 可提 高动 态无功 补偿过 程 的精 度 ， 且能抑制电网频率波动的影响。仿真结果表明， 该方法能抑制非线性 负载产生的谐 波， 有效改善 了煤矿 电网的综 合 电能质 量 。 关键 词 煤 矿 ；电能质 量 ；正 交变换 ；直接 电流控 制 ；S VG；综合 治理 中图分 类号 T D6 0 8 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 9 0 2 1 0 1 7 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 ． TP ． 2 0 1 6 0 9 0 2 ． 1 0 1 7 ． 0 1 4 ． h t ml Re s e a r c h o n p o we r q u a l i t y c o mp r e he ns i v e t r e a t me n t f or c o a l mi n e GUo Son gme i De p a r t me n t o f Au t o mo b i l e a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ，Ch o n g q i n g En e r g y Co l l e g e Cho ng q i ng 4 0 13 2 1，Ch i na Ab s t r a c t Fo r pr o bl e m s o f ha r mo ni c s p ol l ut i on a nd v o l t a ge f l u c t ua t i on e x i s t e d i n po we r qu a l i t y o f c o a l mi ne ，a po we r q u a l i t y c o mpr e h e ns i v e t r e a t me nt m e t ho d b a s e d o n S V G f o r c o a l m i n e wa s pr o po s e d．Th e me t h od us e s or t h og o na l t r a ns f o r ma t i o ns t he or y t o r e a l i z e di r e c t c ont r ol o f a c t i ve a n d r e a c t i v e c ur r e n t ，c a n i m p r o v e pr e c i s i o n o f d y na mi c r e a c t i ve po we r c omp e ns a t i o n，a n d c a n s up pr e s s i n f l ue nc e of gr i d f r e q ue nc y f l u c t ua t i on．Th e s i mul a t i o n r e s u l t s s h ow t ha t t he pr o po s e d c omp r e he n s i v e t r e a t m e nt m e t h od c a n s u pp r e s s ha r m o ni c s c a u s e d by n o nl i ne a r l o a d s，whi c h i m p r ov e s t he c o m p r e he n s i ve po we r q ua l i t y o f c oa l mi ne p o we r g r i d． Ke y wo r d sc o a l mi ne； p o we r q u al i t y； or t h og o na l t r a n s f o r m a t i on s； d i r e c t c u r r e nt c o nt r o l ； SVG ； c ompr e he ns i v e t r e a t m e nt 0 引言 随着 科 学技 术 的 快速 发 展 ， 大 功率 电力 电子 设 备和非线性负载等被广泛应用于煤矿供 电系统 ， 如 矿 用提 升 机 采 用 的 变 频 电 源 含 有 电力 电 子 开 关 器 件[ ， 电路 的控制系统采用脉宽调制技术会带来大 量 的谐 波而 引起 电 网 电压 畸变 。除 此之 外 ， 一些 大 型非线性负载设备的瞬间启动也引起较大的无功冲 击 ， 降低功率因数 ， 这些都严重损害了煤矿供电系统 的电能质量 ， 从而影 响煤 矿企业 的高效生 产运行。 因此 ， 如何 改善 因谐 波 和 功 率 因数 降低 引 起 的 电能 质 量 问 题 ， 是 目前 煤 矿 供 电 系 统 亟 需 解 决 的 问 题 ] 。 传统的煤矿电网电能质量治理措施一般是采用 投切并 联 电容 器 和静 止 无 功 补 偿 器 S t a t i c Va r C o mp e n s a t o r ， S VC 。然 而 ， 并 联 电 容 器 调 节 性 能 较差 ， 不能快速 、 连续地调节冲击性负荷 的影响 J ； s V c虽然应用较为广泛 ， 但是其无功输出特性会受 公共 连接 点 电压 的影 响 ， 在 公 共 点 电压达 到 上 限之 后 ， 无 功输 出会 随着 电压 的跌 落而 急剧 下降 ， 补偿 效 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 7 0 1 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 7 2 9 ； 责任编辑 张强。 基金项 目 重庆市高等职业院校专业 提升能力项 目 5 9 0 2 0 7 。 作者简介 郭松梅 1 9 7 6 一 ， 女 ， 湖北英 山人 ， 讲师 ， 硕士 ， 研究方 向为电气_ [ 程及其 自动化， E ma i l g u o s o n g me i 一 1 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 6年 第 9 期 郭 松梅 煤矿 电能质 量综合 治理 研 究 6 1 果 较 差 _ 6 。 ] 。 静 止 无 功 发 生 器 S t a t i c Va r Ge n e r a t o r ， S VG 因具有 响应 速度 快 、 连 续 双 向补 偿 和补偿效果优异等优势在煤矿供电系统 中得到越来 越广 泛 的应 用l 8 ] 。 为进 一 步提 高煤 矿 电网 电能质 量综 合治 理 的效 果 ， 本文提出了一种基于 S V G 的煤矿电能质量综合 治 理方 法 。该方 法 基 于 正 交 变换 理 论 实 现 了有 功 、 无功电流的直接控制 ， 能提高系统响应速度和控制 精 度 ， 有 效 改善 了煤 矿供 电 系统 的电能 质量 。 1煤矿 供 电 系统结 构 某煤矿供 电系统结构如 图 1所示 ， 系统以采用 非线性 电力 电子负荷的提升机为例 ， 采用交直流控 制策 略 ， 整 流 部 分 采 用 1 2脉 波 。变 电所 内 安 装 有 3台变压器 ， 将地面 的 1 1 0 k V 和矿井 内 6 k V母 线相 连 ， 其 中供 电电源 来 自 6 k V I I 段母 线 ， 6 k V I I 段 母 线不仅给提升机供电， 且接有生产系统的其他负荷。 6 k V 非线性负载 S V G 图 1 某煤矿供 电系统结构 2 S V G综 合 治理 方法 2 ． 1 S VG 数 学模 型 S VG 等效 电路 如 图 2所 示 ， 其 中 U U g b ， 为 电网的三相 电压 ； ， 12 。 b ， U 为 S VG输出三相 电压 ； R为线路等效 电阻 ； L为线路 等效 阻抗 。由图 2可 知 ， S VG相 当于一 个逆 变 电源 经 电抗 器并 联 至 大 电 网 ， 形 成实 时动 态无 功补 偿装 置 ， 可灵 活调 节 系统无 功 功率 和谐 波补 偿 。 f g 一 Us i n ￡ I t g b Us i n G o t 一 2 ／ 3 【 U g Us i n o t 2 7 c ／ 3 1 式 中 己 ， 为电网电压幅值 。 根据等效电路可得 S VG输出电压为 f 一 MUd s i n wt U b MUd s i n o t 一 2 7 c ／ 3一 2 【 12 。 。一 MUd s i n t 2 7 c ／ 3一 式 中 M 为 S VG 逆变 电路 的调制 比； Ua为直流侧 电压幅值 ； 为 电网角 频率； 为 S VG与 电网电压 的相对 角度 。 进一步 可得 S VG 的三 相动 态方程 为 f r d ￡ I L J d i b 1 L l r d 1 L ￡ 一 一 Ri 一 g b ￡ 一 Ri b 3 一 U g 一 Ri 式 中 i ， i ， i 。 为 S VG 输 出三相 电流 。 根据 S VG结构可求得直流侧动态电压方程为 d ／ l - a 2 _ [ ‰ s b ￡ i b ￡ U 。 ￡ i ￡ ] 4 式中 c为直流侧电容值 ； a 为直流侧 电压。 综合上述方程可求得 S VG的动态数学模型为 R 。●_ L ∞ 一 4 -3 -M s i n √ 2 L R 一 c 0 s L ⋯ c os 0 4 2 L 5 式 中 i ， i 为 S VG输 出 电流的有 功和无 功分 量 。 2 ． 2 S VG 电 流 控 制 方 法 S VG控制 部分 主要包 括 检测 电路 、 控 制 电 路 和 驱动电路等 ， 首先通过传感器检测 电网电压和电流 信号 ， 将这些信号进行运算处理得到参考指令 ， 参考 指令信号经过 比较生成 P WM 驱动信号 ， 从而控制 S VG功率开关管的导通和截止。而 S VG无功功率 的调节是通过控制无功功率参考值来实现的， 而无 功功率参考值的控制方法一般分为 2种 ， 分别是间 接 电流控 制 和 直 接 电流 控 制 。间 接 电流 控 制 是 将 S VG等效为交流电压源 ， 通过控制交流电压的幅值 和相位达到对无功 电流 的间接控制 ， 而直接电流控 制则是对 S VG输出交流电流的无 功分量反馈 进行 叫 一 逞 l 一 1●●● ●●●●●●J d一 出 6 2 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 直接 控制 。直 接 电流 控 制 相 对 间接 电流 控 制 而 言 ， 具有 更快 的 响应速 度 和 更 高 的控 制 精 度 ， 可 以有 效 降低输出信号 的谐波 。直接 电流控制又可分为 a b c 轴瞬时电流控制和 口轴有功、 无 功电流控制 2种。 由于采用 q轴 有 功 、 无 功 电 流 控 制 能 够 达 到 无 静 差控制且易于设计控制器参数 ， 所 以， q轴有功 、 无 功 电流控 制要 优 于 a b c 轴 瞬时 电流控 制 。基 于上 述 分 析 ， 本 文提 出一 种基 于正交 变换 理论 的 S VG 直接 电流控 制方 法 ， 如 图 3所示 。 图 3 S VG直 接 电 流控 制 方 法 由图 3可知 ， 该控 制 方 法 以输 出 电流 为 控 制 目 标 ， 形 成 电 流 有 功 和 无 功 分 量 的解 耦 控 制 。其 中 i 为输 出电流有功分量的参考值 ， i 。 为输出电流 无功分量的参考值。基本控制原理 有功分量与参 考值 作差 ， 经 过 P I 控 制 器 控 制 输 出 电流 的有 功 分 量 ， 用 以补偿 S VG 吸收 的部 分有 功 功 率 ， 根 据 谐 波 特性 实 时改 变其参 考值 ， 能起 到有 源滤 波 的作用 ； 输 出电流无功分量 反馈值与参考值作 差， 经过 P I 控 制 ， 实现 无功 功 率 的实 时 跟 踪 和补 偿 。该 方 法 可 实 现有功 、 无功的解耦控制 ， 且 以控制直 流信号为 目 标 ， 消 除 了静 态误 差 ， 提高 了无 功功率 控制 的动 态特 性和控制精度 ， 实现了谐波抑制和无功补偿功能。 2 ． 3基 于正 交 变换 理论 的 电流检 测方 法 由于 S VG 电流控 制 方 法 是 以输 出 电流 的直 流 分量 为控制 目标 ， 所 以 ， 如 何准 确 、 实 时 、 高速 获取输 出 电流 的有 功 和 无 功 直 流 分 量 是 控 制 的 关 键 。同 时， 为消除谐波分量 ， 首先需分离 出谐波分量 ， 向供 电系统输人大小相等、 方 向相反的分量便可叠加抵 消谐 波 。基于 此 ， 提 出一 种 基 于正 交 变 换 理 论 的 电 流检测方法 ， 该方法在谐波环境下检测精度高， 且不 受频 率波 动影 响 ， 其 原理 如 图 4所示 。 以三相 系统 的 A 相 系统 为例进 行分 析。设 A相 电流表达 式 为 i ￡ 一 i b ￡ i h 一 b s i n Go t a _ b 一 d C O S U t I q s i n O ．I t ∑ I ． h s i n n o t 6 “ 3 式 中 i a _b ￡ ， i h 为 电流 的基 波 和 谐 波 ； 一 为 电 流 的 幅值 ； 为 电流 的初 相 位 ； 为 基 波 角 频率 ； I d ， I 分别 为正 交变换 后 的有功 和 无 功分 量 ； 为 次 谐波的幅值 ； 为 次谐波的相位 。 图 4基 于 正交 变 换 理 论 的 电流 检测 方法 原理 将式 6 乘以正弦信号可得 n∞ 1 I q 一 1 c 。 s 2 ∞ ￡ 1 i d s i n 2 u￡ 告∑工 { c o s E n 一1 ∞ ] 一 c o s [ 1 t ] } 7 式 6 乘 以余 弦信号 可得 c 。 s叫￡一 1 一 1 c 。 s 2 ￡ 丢 L s in 2 叫 f 去 ∑I ． h { s i n E n 一 1 cu ￡ ] 一 s i n [ 1 c o t ] 8 从式 7 、 式 8 可 以看 出 ， 式 中包 含直 流分量 和 偶 数次谐 波 分量 ， 采 用 半周 期 积 分 可 将偶 数 次 谐 波 滤 除 ， 从 而 提取 出直流 分量 I 和 I 。 。 d 一下4 j fP * f z． ￡ s i n叫 d I 一 睾 c o s f 9 式 中 T为基波 信号 周期 。 传统 正交 变换 采 用 2 0 k Hz采样 频 率 和 5 0 Hz 基波 频率 离散化 实 现 ， 在 半 个 周期 内有 2 0 0个 采样 点数 ， 通过正交变换求 出的无功和有功直流分量分 别 为 一 k-- n s i n k-- n k-- n c o s k-- n 1 0 式中 i k 为 电流信号 的离散值 ； s i n k n ， c o s k 一 分别为正 、 余弦信号的离散信号。 基 波和谐 波分 量 为 I b 是 一 I d s i n k I C O S k 1 1 J h 忌 一 愚 I b 是 1 2 2 0 1 6年 第 9 期 郭 松梅 煤矿 电能质 量 综合 治理研 究 6 3 式中 志 为 电流基波离散信号 ； 愚 为 电流谐 波离散信号 。 可以看出， 基波的合成与有功 、 无功直流分量紧 密相关 ， 而谐波的获取又依赖于基 波 ， 因此 ， 当供 电 系统 频率 变化 时会 改 变采样 点 数 ， 从 而 影响有 功 、 无 功直流分量的取值 ， 给基波和谐波带来较大的误差。 针对 该 问题 ， 本文 对采 样点 数进 行 了改 进 ， 通 过采 样 的实时频率计算采样点数 。 重新 计算 的点 数 为 ， K0一 J O 1 3 厶 式 中 ， 0 为 采样 频率 ； f为基 波 频率 。 根据 改进 的正 交 变换 可求 出精确 的无 功 和有 功 直流分 量 K O 一 1 一 ∑ 尼 一n s i n k u”一 0 n K0 1 一 ∑i a 是 一 O S 是 一 1 4 U n O 所 以 ， 当系统频 率 变动 时 ， 通 过改 变采 样点 数 能 够精确计算有功 、 无 功分量 I 和 J ， 从而求得更加 精 确 的基 波和谐 波分 量 。以 此类 推 ， 可 求得 三相 系 统 B相 和 C相 的基波 和谐 波分 量 。 3仿真 验 证 为 了验 证 煤 矿 电能 质 量 综 合 治 理 方 法 的 有 效 性 ， 在 P S C AD ／ E MTD C软件上建立了仿真模型 ， 仿 真 电路 主要 包括 煤矿 供 电系 统模 块 、 S VG 主 电路 模 块 、 有 功无 功 电 流和 基 波 谐 波 检 测模 块 、 S VG 控 制 系统 模块 及非 线性 电力 电子 负载模 块 。 煤矿供电系统 电网侧三相电流和负载侧三相电 流 波形 如 图 4 一 图 6 所 示 。S VG输 出 的有 功补偿 电 流波 形如 图 7所 示 。从 仿 真 结 果 可 看 出 ， 由于 非 线 性负载的接人会 带来较大谐波 而导致负载 电流畸 变 ， S VG 检 测 并 分 析 出谐 波 分 量 ， 向供 电 系 统 输 人 与谐 波 电流大 小相 等 、 方 向相反 的分 量 ， 该 分量 与谐 波分量叠加相消， 从而保证了供电系统的电能质量 。 图 4 电网和负载侧的 A相 电流波形 避 删 图 5 电网和负载侧 的 B相电流波形 图 6 电网和负载侧的 C相电流波形 图 7 S VG 输 出 的 有 功 补 偿 电 流 波 形 设在 1 ． 5 s 时增 加无 功 负载 投入 ， S VG输 出 的无 功功率和直流侧电压波形如图 8 、 图 9所示。当投入 负载的无功容量变化时， S V G输 出的无功功率及直 流侧 电压 以 相 同 的趋势 发 生 变化 ， 即本 文方 法 能快 速、 准确地跟踪负载无功变化， 实现无功补偿功能。 将 脚 图 8 S VG输 出的无功功率波形 图 9 S VG输 出的直流侧 电压波形 一 流 电 6 一 一 一 ． 一 一L 一 一 加 O n O O 0 O ＼蜷衄 0 0 O O ＼ ＼ 爆 第 4 2卷 第 9 期 2 0 1 6年 9月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n V0 1 ． 42 NO ． 9 Se p ． 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 6 4 0 4 DOI 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 9 ． 0 1 5 郝建华． 煤矿变电所数显仪表字符识别研究E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 9 6 4 6 7 ． 煤矿变电所数显仪表字符识别研究 郝 建 华 山西汾西矿业 集 团 有限责任公司 供用 电分公司，山西 介休0 3 2 0 0 O 摘要 针对煤矿变电所数显式仪表存在巡检 自动化程度低和识别可靠性差等 问题 ， 提 出了一种基于改进 遗传 算 法和 支持 向量 机 算法 的字符 识别 算 法 。该 算 法采 用 Ha r r L i k e特征 作 为 字符 识 别 特征 ， 通过 改 进 的 遗传算法对分类器支持向量机的参数进行寻优 ， 利用主元分析法进行降维处理 ， 并使用支持向量机识别数显 式仪表字符。实验验证 了该算法的有效性和可行性。 关键 词 煤矿 变 电所 ；数显 式仪表 ；字符 识别 ； Ha r r L i k e 特 征 ；改进 遗传 算 法 中图分类号 TD 6 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 9 0 2 1 0 1 8 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 6 0 9 0 2 ． 1 0 1 8 ． 0 1 5 ． h t ml S t u d y o f c ha r a c t e r r e c o g ni t i o n o f d i gi t a l d i s p l a y i n s t r u me nt i n c o a l mi ne s u bs t a t i o n HAU J l a n h u a B r a n c h o f P o we r S u p p l y a n d Co n s u p t i o n ，S h a n x i F e n x i M i n i n g Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，J i e x i u 0 3 2 0 0 0 ，Ch i n a Abs t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m s of l o w a ut oma t i o n d e gr e e a nd r e c o gn i t i o n r e l i a b i l i t y o f d i g i t a l d i s p l a y i ns t r ume n t i n c o a l m i ne s u bs t a t i on，a k i nd of c ha r a c t e r r e c o gn i t i o n a l g o r i t hm ba s e d on i m p r ov e d ge ne t i c a l g or i t hm a n d s u ppo r t v e c t o r ma c h i ne a l go r i t hm wa s p r o po s e d．The a l go r i t hm a d o pt s Ha r r Li ke f e a t u r e s a s c ha r a c t e r r e c o g ni t i o n f e a t ur e s ，i m p r ov e d ge ne t i c a l g o r i t hm wa s c hos e n t o s e a r c h t he op t i ma l pa r a m e t e r s 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 6 2 9 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 7 2 8 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 江苏省 自然科学基金项 目 B K2 0 1 3 0 2 0 7 。 作者简介 郝建华 1 9 6 3 一 ， 男 ， 山西太古人 ， 工程师 ， 现主要从事煤矿供电安全研究及管理等工作 ， E ma il 2 0 0 5 1 0 3 2 2 1 6 3 ． c o rn。 4 结语 为提 高非线 性负 载接 人煤 矿供 电系 统 的电能 质 量 ， 提 出了一种基于 s VG的煤矿电能质量综合治理 方法 。该 方法 根据 正 交 变 换理 论 ， 采 用 有 功 和无 功 电流直接闭环控制 ， 在谐波及频率变化条件下 ， 能够 精确 、 快速检测电网的有 功、 无 功电流信号 ， 通过电 流 闭环控 制实 现谐 波 抑 制 和 无 功补 偿 ， 有 效 提 高 了 煤矿 供 电系统 的电能质 量 。 参 考文献 [1 ] [2] [3] 黄炳义 ， 孟 红秀 ， 李立君． 煤矿 提升机电气控 制系统 的 技术改造I- J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 3 ， 3 4 5 1 9 8 1 9 9 ． 张学松． 煤矿电能质 量分 析与控 制I- J ] ． 工 矿 自动化 ， 20 0 9， 3 5 9 68 70 ． 王清亮 ， 姚苗． 煤矿 电能质量综 合量 化评 价研究 E J ] ． [ 4] [5 ] [6 ] [7] [8] [ 9] 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 2 4 2 4 6 ． 郑 飞扬 ， 席世友 ， 欧 阳沙 ， 等． 母 线系 统变化对 1 O k V 并联 电容器分闸操 作影 响机理的研究E J ] ． 高压 电器 ， 2 O l 6， 5 2 3 1 6 5 - 1 7 O ． 胡彪 ， 邰能灵 ， 钱立 俊 ， 等 ． 含 冲击负 荷的 配电 网动态 无功补偿[ J ] ． 水电能源科学 ， 2 0 1 5 ， 3 3 1 1 8 6 1 8 9 ． 何健 ， 丁晓群 ， 陈光宇 ， 等． 基于 D F I G与 S V C的风 电 场无功 电压协 调控 制 策略 [ J ] ． 电力 建设 ， 2 O 1 5 5 1 - 6 ． 刘 晓军 ， 杨冬锋 ， 高磊． 一类 多静 止无 功补偿器阻尼控 制器 间的交互 影 响机理 I- J ] ． 电网技 术 ， 2 0 1 6 ， 4 0 2 53 4 5 4 0． 付文秀 ， 范春菊． S VG在 双馈风力发 电系统 电压无 功 控制 中 的 应 用 [ J ] ．电 力 系 统 保 护 与 控 制 ， 2 0 1 5 ， 4 3 3 6 1 - 6 8 ． 陈丽 兵 ， 史丽萍 ， 杨 晓冬 ， 等． 煤矿井下低 压 S VG几个 关键 问题 [ J ] ． 煤炭 学报 ， 2 0 1 5 ， 3 9 增 刊 2 5 9 6 6 0 2 ．