一种煤矿供电系统正负序分解方法研究.pdf

第 4 1卷 第 1 1 期 2 0 1 5年 l 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on V0 I ． 4 1 NO ． 1 1 NO V ．2 O1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 1 1 0 0 6 0 0 5 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 1 5 黄知超 ， 廖志剑 ， 黄祥莉． 一种煤矿供电系统正负序分解方法研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 1 6 0 6 4 ． 一 种煤矿供电系统正负序分解方法研究 黄知 超 ， 廖 志 剑 ， 黄祥 莉 桂 林 电子科 技大 学 机 电工程 学 院 ， 广 西 桂林5 4 1 0 0 4 摘 要 针 对煤 矿 井下 电网不平衡 时产 生的 负序 分量 影响 电 力机 车稳 定运 行 的 问题 ， 同时为 了满足 机 车的 三相 P WM 整 流控 制 需求 ， 在 分析 旋转 坐标 系下 不对称 信号特 征 和改进 型 自适应 陷 波滤波 器原理 的基 础 上 ， 提 出 了一种 不对 称信 号正 负序分 解的 方 法。该 方法将 不 对称 信 号进 行 旋转 坐标 系运 算 ， 再 采 用改 进 型 自适 应 陷波滤 波 器滤除其 中的 2倍 工频信 号 ， 以 实现 正 负序 分 离。Ma t l a b ／ S i mu l i n k仿 真 结 果表 明 ， 采 用 该 方 法 可 以准确 快速地 分 解 出不对称信 号 中的 正 负序 直流 量 ， 且 可 以滤 除一定 的谐 波 。 关 键 词 煤矿 供 电 系统 ；正 负序 分 解 ；自适应 陷波滤波 器 ；不 对称 ；直 流量 中 图分 类号 T D6 1 1 文献 标志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 1 1 一 O 2 1 4 5 7 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 ． TP ． 2 O 1 5 1 1 0 2 ． 1 4 5 7 ． O 1 5 ． h t m1 Re s e a r c h o f a s e p a r a t i o n me t ho d o f p o s i t i ve a nd n e ga t i ve s e q ue n c e c o mp o n e n t i n c o a l mi ne p o we r s up p l y s y s t e m HUANG Z h i c h a o ， L I AO Z h i j i a n， HUANG Xi a n g l i El e c t r o me c h a n i c a l En g i n e e r i n g Co l l e g e ，Gu i l i n Un i v e r s i t y o f El e c t r o n i c Te c h n o l o g y Gu i l i n 5 4 1 0 0 4 ，Ch i n a Abs t r a c t I n v i e w o f p r o bl e m t ha t ne g a t i ve s e q u e nc e c o m p o ne n t s i n un ba l a n c e d c o al mi n e po we r s ys t e m a f f e c t s t a b l e r u nn i ng o f e l e c t r i c l oc o m o t i ve ， a nd i n o r d e r t o s a t i s f y c o nt r o l s t r a t e g y o f t h r e e ph a s e PW M r e c t i f i e r，t he c h a r a c t e r i s t i c s o f a s y mm e t r i c s i g n a l un de r r o t a t i ng c o or d i na t e s ys t e m a n d t he pr i nc i p l e o f e nha nc e d no t c h f i l t e r we r e s t ud i e d，a nd a s e p a r a t i o n me t h od o f p o s i t i v e a n d ne g a t i ve s e qu e n c e c o mpo ne n t wa s p r e s e nt e d． The r o t a t i n g c o o r d i na t e s ys t e m wa s u s e d t o t r a n s f o r m t he a s y m me t r i c s i g na l a nd t he e n ha n c e d a d a p t i v e no t c h f i l t e r wa s u s e d t o f i l t e r t he t wo t i me s f r e qu e nc y s i g na l i n t he m e t ho d． The Ma t l a b ／ S i mu l i n k s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e me t h o d c a n e x t r a c t DC v a l u e o f p o s i t i v e a n d n e g a t i v e s e q ue nc e c o m p o ne nt s i n a s y m me t r i c s i g na l pr e c i s e l y a n d qu i c kl y a n d c a n f i l t e r s o m e ha r mo ni c wa ve s． Ke y wo r ds c oa l mi ne p owe r s up pl y s ys t e m ；po s i t i v e a nd n e g a t i ve s e qu e n c e s e p a r a t i o n；a d a pt i ve n o t c h f i l t e r；un ba l a nc eDC va l u e 0 引言 直 流架 线式 电机 车是煤 矿井 下巷 道长 距离 运输 的主要 运输 设 备 之 一 。 目前 ， P WM 整 流 正 逐 步 运 用 到 直流架 线 式 电机 车 的变 流 系统 中 。然 而 ， 由于 非线性负载的大量接入 、 电网的不对称故 障、 线路破 损及绝缘老化等原 因， 常常会导致电网电压的不平 衡 ， 严重时威胁到变流系统的安全运行【 1 ] 。为改善 煤矿供电系统三相 电压不平衡情况下 P WM 整流器 的控制 问题 ， 需要 对 电 网电压 和并 网 电流 进行 正 负 序分 量检测 ， 实 现对 正负序 分量 的独 立控 制 。同 时 ， 为 了满足 三相 变流 器 不 对 称抑 制 的控 制 策 略需 要 ， 对 三相不 对称 信号 检 测 也 提 出 了更 高 的要 求 ， 而 其 中最 主要 的一 项也 是正 负序分 量 检测 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 1 1 ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 9 1 0 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 广西制造 系统与先进制造技术重点实验室项 目 1 3 0 5 1 0 9 0 0 1 Z 。 作者简介 黄知超 1 9 6 3 一 ， 男 ， 广东肇庆人 ， 副教授 ， 硕士研究生导师 ， 主要研究方 向为 电能质量 、 智能电器等 ， E ma i l z a k i 2 0 1 5 1 6 3 ． c o m。 2 0 1 5年 第 1 l期 黄 知超 等 一种煤 矿供 电 系统 正 负序 分 解方 法研 究 6 1 为 了解 决 不 对 称 现 象 中正 负 序 分 离存 在 的 问 题 ， 很 多 文献 提 出 了各 种 不 同 的解 决 方 案 。参 考 文 献E 3 - 1 提 出一种多 q变换法 ， 该方法需在 2个或更 多 的 同步旋 转 坐 标 系 下 对 被 测 量 解 耦 ， 运 算 量 大 。 参考文献[ 4 ] 提出一种基于改进卡尔曼滤波器的方 法 ， 该 方 法实 现 了基波 正 负序分 离 ， 但卡 尔曼 滤波 器 存在 的协 方差 矩 阵选 择 和测量 误差 问题 对其 应用 产 生较 大 影 响。参 考 文 献 [ 5 ] 在 分析 对称 分 量 法 Me t h o d o f S y mme t r i c a l C o mp o n e n t s ， MS C 及 单 同步 坐 标 系 锁 相 环 基 本 原 理 的 基 础 上 ， 提 出 了 在 a ， 坐标系下使用 2个 广义积分器作 为 a分量和 口分 量 的正交 信 号 发 生 器 ， 通 过 对 广 义 积 分 器 内部 k值的选取， 使其具有一定的滤波性能， 然后通过正 负序计算单元 ， 实现不对称信号的正负序分离 ， 但该 方法增加了系统 的运算量和系统结构的复杂性 。 基 于 不 对称 信号 正 负 序 分离 方 法 的 研究 现 状 ， 本文采用了一种结构简单且能在不对称情况下实现 基 波 电压正 负序 分 离 的方法 。该 方法 将不 对称 工况 下电网信号分别转换到同步旋转坐标系 ， q 和反 向旋转坐标系 r ， 中， 再通过改进型 自适应 陷波滤 波 器 A d a p t i v e No t c h F i l t e r ， ANF l 6 滤 除 其 中 的 2倍工频信号 ， 提取 出其中的直流信号 ， 实现正负序 的分离。采用该 方法无需 进行对称 分量分解 与计 算 ， 与 同类 方 法 相 比具 有 结 构 更 简 单 、 反 应 速 度 更 快 、 提 取结 果更 准 确 的优 点 。 1 不对 称 电压 旋 转坐 标 系变换 1 ． 1对 称分 量 法 任何 一组 三相 不对 称量 都 可 以分解 成 3组对 称 的量 ， 这 3组 对 称 的 量 就称 为对 称 分 量 r 7 ] 。任 意 三 相不平衡 电压 因电流信号类似 ， 本文均 以电压信号 为例 U 、 U 、 【 ， 可 以分 解 成 对 称 的 正 序 三 相 电压 UP 、 负序三相电压 U 和零序三相 电压 U [ 8 ] 。其关 系可 表示 为 r u ] l己， I j 隧 z l uz _Uz c o s t 4 - P c 。 s CO t -- 孥 十 c o s 冲 UN M c o s wt 4- c O S 件孥 c 。 s go t -- 孥 1 式 中 u M， 己 ， M， U M 分别 为 正 序 、 负 序 、 零 序 的基 波 幅值 ； ， ， 分 别为 正序、 负序 、 零 序 的初 始相 位 角 。 1 ． 2 旋 转 坐标 系下信 号特征 三相不对称电压的正负序分量在同步旋转坐标 系 ， q 和 反 向旋转 坐标 系 r ， s 中有相 反 的结 果 。 正序分量如式 2 所示 ， 在 同步旋转坐标 ，g 下 ， 它的 2个分量值为直流量 。 r ] I u I 一 丁 Bc一 面 。 u 一 2 _ 。● 3 c 。 s o t -- 孥 一 i n 叫 一 隧 cos sin 4- 2 式 中 T D 幽 。 代 表 同步旋 转坐 标系 下 的 P a r k变换 。 负 序分 量在 同步旋 转 坐标 系 d ，q 下 的 2个 分 量 值为 2倍 基波 角速 度 的正弦量 ， 如式 3 所示 。 Nq T⋯ 一 UN M C O S 2 1 t 4- Cp n ， ] 3 在 反 向旋 转 坐 标 系 r ，s 下 ， 正 序 分 量 为 2倍 基 波角 速度 的正 弦量 ， 如式 4 所 示 。 ] I 一 丁 A U P 一 2 __ 。 3 陉 一 ∞计 n 冲 警 c。sgot-- 一 in ￡一 0 一 『 M c o S ] 4 L - U p M s i n 2 w t 4- j 式中 T A B c 代表反向旋转坐标系下的 P a r k变换。 负序 分量 在反 向旋转 坐 标 系 r ， s 下 的 2个分 量值 为直 流量 ， 如式 5 所 示 。 - __ _ J -- _-● _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ I ∞ C S U U ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． L ll 一 M P U 1 ● ●●●●，●j 、 、 Z Z Z 9 ’ ， ， ／ S S S o O O 一 M Z U 6 2 工矿 自动 化 2 0 1 5 年 第 4 1卷 ] 一 T ec一． u w NM CO S PN] s 当输入 电压 不 对称 时 ， 经过 同步 旋 转 坐标 系后 所 得 的信 号 为 正 序 电压 的直 流 量 之 外 再 叠 加 一 个 2 倍 于基 波 角速 度 的正 弦 量 ； 而 在 反 向旋 转 坐 标 系 中， 所 得信 号 的特征 也一 样 。 2改进 型 陷波滤 波器直 流信 号提 取 2 ． 1 改 进 型 自适 应 陷 波 滤 波 器 原 理 改 进型 自适应 陷波 滤波 器 的数 学模 型M 为 f X 西 X 一 2 e 亩M { M u 一X一卢 M 6 【 击一 一y X 面 式 中 x为状态方程的值 ； M 为拉普拉斯变换算子 面为频率的估计值 ； 【 ， 为输入信号； X为正弦信号 估 计值 ； y ， ， ￡ 为 ANF的参数 。 式 6 为改 进 型 ANF算 法 的数 学基 础 ， 当输入 值为 U 一A。 A s i n c o t 时 ， 有 唯一 的解 M A o 卢 x 一一 c 。 s 7 U ⋯ X A1 s i n o t ∞ 西一6 0 从 式 7 可 知 ， 输 入 信 号 中 的直 流 分 量 估 计 值 A。 一 。对式 6 进行拉普拉斯变换_ 】 。 。 求解得 M Ao p M K A1 c o s t △ 由， 8 式 中 K 为 与 相关 的系 数 ； 面， 为 指数 衰 减项 的合 成 。 根据 平均 理论 ， 式 8 可 表示 为 Ma 一 A。 一p M 9 式 中 为 M 的平均 值 。 式 9 表 明在 稳 态 情 况下 A。 一盘 ， 即采 用 改 进 型 ANF可 以准确 追 踪输入 的直 流偏移 量 。 改进型 ANF原理如图 1所示 。y决定系统 的 收 敛速 度 ， 不 同的 ， 值 得 到 的 阶跃 响 应 曲线 不 同 ， e 决 定 收敛精 度 ， 决定 直流 量 的追 踪 速度 _ 】 ， 输入 信 号 U ￡ 经过 改 进 型 ANF后 ， 可 以准 确 提取 出其 中 的直流量 A。 。 2 ． 2 正 负序 直流 量信 息分 离 忽略 零 序 电压 ， 根 据 式 2 、 式 3 ， 任意 一 组 不 [ ]T s 由。 臣U ib]一 『 u P M c 。 u N M c 。 s ‘ 2 叫 ] 1 o l u P M s i n 一U N M S in 2 w t j [ TABCdr,X 苣 卜U b 『 u N M c 。 u PM c 。 s 2 ] 1 1 l UN M s i n 一U p M s i n 2 co t l l 5O 0 s 。 0 - 1 5 0 20 0 1 00 0 1 00 2 00 0l 0 0 ． 1 2 0 ． 1 4 0I 6 0 ． 1 8 0 2 O t ／ s 图 2不对 称电压波形 o ． 06 0 O 8 0 l 0 0． 1 2 o． 1 4 0 I 6 0 I 8 0 2O t ／ s 图 3 同步旋 转坐标系下的不对称 电压波形 2 0 1 5年 第 1 1期 黄 知超 等 一 种煤 矿供 电 系统 正 负序 分 解 方法研 究 6 3 2 0 0 1 0 0 0 l 0 0 20 0 0 0 6 0 ．0 8 0 ． 1 0 0 1 2 0 ． 1 4 0 ． 1 6 0 ． 1 8 0 ． 2 0 t ／ s 图 4 反向旋转坐标系下不对称 电压波形 将坐标变换后的信号作为改进 ANF的输 入信 号 U ， 即可得到旋转后的直流信号 。不对称电压 正 负序 中直流 分量 提取 框 图如 图 5 所 示 。 图 5 直 流量 提取框图 3 实验 验 证 为了验 证 本 文 所 用 方 法 的 有 效 性 ， 在 Ma t l a b ／ S i mu l i n k环境下搭建了如图 6所示 的仿真模型 ， 并 与 传统 的对 称分 量法 进行 了对 比研究 。 图 6 改进 型 AN F直流量提取仿 真模型 改 进 型 ANF提取 出 的不 对 称 电压 直 流 分 量 如 图 7 所 示 。U 一 1 4 5 V， Ub 一1 2 O V， U。 一 1 3 O V， 相 位 角相 差 1 2 0 。 ， 频率 为 5 0 Hz 。从 图 7可知 ， 不 对称 电压信 号旋 转 后再 经过 改进 型 ANF， 基 本 在 3个 周 波即 ￡ 一0 ． 0 6 S 时可以得到趋于稳定的直流信号 ， 图 中 Ud 一1 6 V， U 。 一 一4 V， U 一7 8 V， U 一 一1 0 4 V。 采用 改进 型 ANF和对 称 分 量 法 提取 出直 流 量 的效果如图 8 所示 。从图 8可 以看 出， 采用对称分 量法 可 以实现 直流 量 的提 取 ， 但所 得结 果有波 动 ， 达 到稳 定 状 态 的 时 问较 长 t 一0 ． 1 2 s ， 且 谐 波 含 量 高 ； 而采用改进型 ANF的方法不仅可 以滤除谐波， 所需 时 间也 较短 ￡ 一0 ． 0 6 s ， 系统 动 态响 应速 度 快 且波 动 幅度低 。 4 结语 0 0 ． O 5 0 ． 1 0 0l 5 0-2 O 0 ．2 5 0 3 0 t ／ s 图 7 改进型 ANF提取 出的直流分量 0 0 O5 0 1 0 0． 1 1 t ／ s 图 8 不 同提取方案效果对 比 分 析 了不对 称信 号在 同步 和反 向旋转 坐标 系下 的信 号特征， 提出 了一种基于改进 型 ANF来提取 正 负序 直流量 并 实现 了正 负序分 解 的方法 。实验 结 果 表 明 ， 该方 法 能够 有 效 地 提取 出三 相 不对 称 信 号 中的正 负序直 流 量 ， 可应 用 到三 相 变 流 器 的不 对 称 抑 制 的控制 策 略 中， 改 善输 出的不平 衡性 。 m 0 m 5 0 ㈨ 如 0 0 瑚 f 1 、 、 ＼ l 一 钧加。 枷 钟加0 ㈨ 如0 0 瑚 。 、 。 一 第 4 1卷 第 1 1期 2 0 1 5年 1 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo I ． 4 1 NO ． 1 1 NO V ． 2 0 1 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 1 1 0 0 6 4 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 5 ． 1 1 ． 0 1 6 陈 照业 ， 马星河 ， 裴 志强 ， 等． 基 于相 电流 幅值分 时 比值 的煤 矿漏 电保 护方 法 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 1 6 4 6 8 ． 基于相电流幅值分时比值的煤矿漏电保护方法 陈照业 ， 马星 河 ， 裴志 强 ， 张 均伟 ， 董 红令 1 ． 新 郑煤 电有 限公 司 ，河南 新郑4 5 1 1 0 0 ；2 ． 河南 理工 大学 电气工 程 与 自动 化学 院 ，河南 焦 作4 5 4 0 0 0 摘 要 针对 中性 点经 消弧 线 圈接地 系统发 生单相 接地 故 障时接 地 点故 障 电流较 小的 问题 ， 提 出一 种基 于 相 电流幅值 分 时 比值 的煤矿 漏 电保护 方 法 。该 方 法通过 采 样计 算 ， 获得 线路 暂 态相 电流 互积 求 和 比值 和 稳 态相 电流 互积 求和 比值 ， 分别进 行暂 态和 稳 态漏 电保 护 ， 根 据 相 电流 比值 较 大 的判 据 结果作 出漏 电保 护 判 断 结论 ， 从 而 自动 选 出故 障线路 并跳 闸。Ma t l a b仿 真 结果表 明 ， 该方 法可 有效 实现 漏 电保 护 ， 选 线判 断 结 果 准 确 可靠 。 关键词 漏 电保 护 ；综合 选 线 ；分 时比值 ；互 积求和 中 图分 类 号 TD 6 1 1 文献 标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 1 1 0 2 1 4 5 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 ． T P ． 2 0 1 5 1 1 O 2 ． 1 4 5 7 ． 0 1 6 ． h t ml 收 稿 日期 2 0 1 5 - 0 8 0 2 ； 修 回 日期 2 0 1 5 - 0 9 1 6 ； 责 任 编 辑 胡 娴 。 基金项 目 国家 白然科学基金项 目 6 1 4 0 3 1 2 7 。 作者简介 陈照业 1 9 6 7 一， 男 ， 河南郑州人， 高级 lT程师 ， 现主要从事机电管理工作 ， E - ma i l 1 5 2 2 5 8 9 0 6 9 7 1 6 3 ． c o rn。 参考文献 [1] [2] [ 3] [ 4] [5 ] [ 6] 许树楷 ， 宋强 ， 刘文 华 ， 等 ． 配电 系统大功 率交 流 电弧 炉 电能质量 问题及 方案 治理研 究 [ J ] ． 中 国电机工程 学 报 ， 2 0 0 7， 2 7 1 9 9 3 9 8 ． 吕康 飞 ， 石超越． 三相 电压不平 衡情况 下 电机 车整 流 技术 的研 究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 2 4 9 5 2 ． KAURA V ． BLASC0 V．Ope r a t i o n o f a p ha s e l oc ke d l o o p s y s t e m u n d e r d i s t o r t e d u t i l i t y c o n d i t i o n s [ J ] ． I EEE Tr a ns a c t i o ns on I nd us t r y Appl i c a t i o ns ，l 99 7， 3 3 1 5 8 - 6 3 ． HUANG C H ， LEE C H ， S HI H K J， e t a 1 ． Fr e q u e n c y e s t i ma t i on of d i s t or t e d p o we r s ys t e m s i gn a l s us i ng a r o b u s t a l g o r i t h m[ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n P o we r De l i v e r y ， 2 0 0 8， 2 3 1 4 1 5 1 ． R0DRi GUEZ P， LUNA A ， TE0D0RESCU M ， e t nZ ． Ad va nc e d gr i d s y nc hr o nI z a t i o n s y s t e m f o r p o we r c o nv e r t e r s u nde r unb a l a n c e d a n d di s t o r t e d op e r a t i ng c o n d i t i o n s [ C] ／ ／ P r 0 c e e d i n g s o f 2 0 0 6 I E E E P o we r El e c t r o ni c s Spe c i a l i s t s Con f e r e n c e，W i s c on s i n，20 06 5 1 73 5l 78 ． 吴 晓波 ， 赵仁德 ， 胡超 然 ， 等． 基 于改进 自适应 陷波 滤 波器 的锁相方法 [ J ] ． 电力 系统 自动化 ， 2 0 1 4 ， 3 8 5 1 O 3 1 O8 ． [7] F O R TE S C UE C L ． Me t h o d o f s y mme t r i c a l C O or di na t e s a p pl i e d t o t he s o l u t i o n of pol y ph a s e [ 8] [ 9] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] n e t wo r k s [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e A me r i c a n I n s t i t u t e o f El e c t r i c a l En g i n e e r s ，1 9 1 8，XXXVI I 2 1 0 2 7 1 1 4O． 袁 旭 峰 ， 程 时 杰 ， 文 劲 宇 ． 改 进 瞬 时对 称 分 量 法 及 其 在 正负序电量 检 测 中的 应用 [ J ] ． 中 国电机 工程 学 报 ， 2 0 08， 2 8 1 5 2 - 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