本文關(guān)鍵詞：煤礦電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）關(guān)鍵技術(shù)的研究

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【摘要】：隨著煤炭行業(yè)大規(guī)模的技術(shù)升級改造,一方面越來越多的煤礦敏感負(fù)荷對電能質(zhì)量提出了更高的要求,另一方面煤礦中大量的非線性、阻感性、沖擊性負(fù)荷對煤礦電網(wǎng)造成了諧波污染、無功沖擊和電壓波動(dòng)等各種電能質(zhì)量問題,二者的矛盾愈來愈突出。煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降不僅危及電網(wǎng)安全,而且影響著煤礦電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,提高煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量、滿足煤礦生產(chǎn)發(fā)展需求日益成為煤礦供用電雙方共同的愿望。為改善煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量,提供給用戶純凈的電源,則需要對煤礦電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償,而目前的補(bǔ)償裝置,如有源電力濾波器、靜止無功補(bǔ)償器、靜止無功發(fā)生器等都具有一定的局限性,只能解決某一方面的電能質(zhì)量問題,如裝設(shè)多套不同電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置又面臨難于維護(hù)、協(xié)調(diào)配合、資源浪費(fèi)等問題。所以研究一種煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置迫在眉睫。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC)作為一種電能質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)裝置改變了傳統(tǒng)煤礦電能質(zhì)量治理中電壓或電流分別補(bǔ)償?shù)姆椒?可根據(jù)用戶的需求控制煤礦電力,提高煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量。UPQC不僅可以快速補(bǔ)償供電電壓中的突變、波動(dòng)、中斷和閃變,還可以抑制諧波、補(bǔ)償無功功率,一機(jī)多能,節(jié)約了成本,降低了設(shè)備維護(hù)的復(fù)雜性,被認(rèn)為是最有前途的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。本文以煤礦中壓配電網(wǎng)為研究對象,針對煤礦UPQC進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。為了給煤礦UPQC的研究提供理論依據(jù),對煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行了分析。首先對煤礦電網(wǎng)中主要的電能質(zhì)量問題即電壓偏差、電壓波動(dòng)、功率因數(shù)、諧波及電壓跌落進(jìn)行了分析,然后對煤礦的主要諧波源,即大功率三相橋式整流電路、礦井提升機(jī),進(jìn)行了電能質(zhì)量分析,并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真驗(yàn)證。研究表明,煤礦電網(wǎng)中存在著多種電能質(zhì)量問題,為提高電能質(zhì)量需對其進(jìn)行綜合補(bǔ)償。因此對煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)裝置UPQC進(jìn)行研究是非常必要的。研究了應(yīng)用在煤礦中壓配電網(wǎng)的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。國內(nèi)外小容量的UPQC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已有報(bào)道,但在煤礦中壓配電網(wǎng)中,小容量UPQC由于受到單個(gè)功率器件耐壓能力的限制已無法滿足電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償要求,而大容量UPQC裝置仍屬空白。因此為解決煤礦中壓電網(wǎng)電能質(zhì)量問題,將多電平技術(shù)應(yīng)用到UPQC領(lǐng)域,研究一種新型的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是非常必要的。模塊化多電平換流器(MMC)相比其他傳統(tǒng)多電平換流器在中高壓、大容量領(lǐng)域具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢,將MMC應(yīng)用到UPQC領(lǐng)域,提出了一種新型的MMC-UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在研究模塊化多電平換流器工作機(jī)理的基礎(chǔ)上建立了MMC的數(shù)學(xué)模型。以MMC物理電路模型為基礎(chǔ),建立了MMC的靜止坐標(biāo)開關(guān)模型,通過開關(guān)模型連續(xù)化、坐標(biāo)變換推導(dǎo)出MMC的靜止坐標(biāo)系和dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系平均值模型,最后采用小信號(hào)的建模方法,得到MMC小信號(hào)線性化模型,進(jìn)而為研究MMC-UPQC的系統(tǒng)特性、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)作用。提出了一種新穎的MMC-UPQC補(bǔ)償量檢測方法。利用線性神經(jīng)元在線自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)率獲得基波電壓分量,再根據(jù)對稱分量法提取基波正序電壓分量,從而獲得電壓補(bǔ)償量,然后利用已得結(jié)果根據(jù)能量平衡原理計(jì)算出電流補(bǔ)償量。該方法能夠有效地對電能質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,學(xué)習(xí)率調(diào)整范圍較寬,結(jié)構(gòu)簡單,易于數(shù)字信號(hào)處理芯片等硬件實(shí)現(xiàn)。對MMC-UPQC的調(diào)制算法進(jìn)行了深入的研究,提出了一種新型的適用于MMC的多電平空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法。該調(diào)制算法首先通過引入中間變量,使得扇區(qū)的判斷僅需要中間變量的值及其符號(hào)來實(shí)現(xiàn),摒棄了反正切函數(shù)、無理數(shù)運(yùn)算過程,計(jì)算量大大減小,接著給出了參考矢量所在小三角形的判據(jù),將多電平的矢量合成及導(dǎo)通時(shí)間的計(jì)算轉(zhuǎn)化為兩電平的問題,使小三角形的判定及矢量作用時(shí)間的計(jì)算僅需要通過計(jì)算參考矢量對應(yīng)的線電壓值即可實(shí)現(xiàn),計(jì)算過程十分簡單,最后利用矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)給出了優(yōu)化的輸出開關(guān)序列,降低了開關(guān)器件的損耗,同時(shí)省去了查表過程,易于實(shí)現(xiàn)。該調(diào)制算法可以擴(kuò)展到任意電平換流器中。分析了MMC的子模塊電容電壓平衡問題。針對傳統(tǒng)電容電壓平衡控制方法存在著排序運(yùn)算浪費(fèi)系統(tǒng)大量資源、器件開關(guān)頻率過高、沒有考慮子模塊的初始投切狀態(tài)等問題,提出了一種降低開關(guān)頻率、不需要排序的電容電壓平衡控制優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法在保證輸出電壓質(zhì)量和子模塊電容電壓相對一致的前提下,通過設(shè)定子模塊電容電壓的上下限系數(shù),使子模塊盡量保持其原來的投切狀態(tài),避免了因細(xì)微的電容電壓變化而帶來的頻繁開關(guān)動(dòng)作；通過設(shè)定子模塊電容電壓間差值的門檻值,保證了子模塊之間的電容電壓差值不至于太大；省去了傳統(tǒng)的排序過程,提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。針對模塊化多電平換流器的環(huán)流問題,詳細(xì)分析了MMC內(nèi)部環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理,設(shè)計(jì)了一種基于準(zhǔn)比例諧振控制器的環(huán)流抑制器,省去了二倍頻負(fù)序坐標(biāo)變換及相間電流解耦,實(shí)現(xiàn)了二倍頻環(huán)流的充分抑制。研究了MMC-UPQC的并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)的控制策略。由于MMC的橋臂電感直接串聯(lián)在各相橋臂內(nèi),使MMC在dq坐標(biāo)系下的小信號(hào)模型的電流d、q軸之間依然相互耦合,不利于控制。針對此問題,為實(shí)現(xiàn)MMC-UPQC良好的補(bǔ)償效果,在MMC數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)了MMC-UPQC的并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)雙環(huán)控制系統(tǒng),即外環(huán)電壓控制和內(nèi)環(huán)電流解耦控制,實(shí)現(xiàn)了d軸分量與q軸分量的解耦及換流器交流側(cè)參考電流、電壓的快速跟蹤。仿真結(jié)果證明了MMC-UPQC的并聯(lián)側(cè)及串聯(lián)側(cè)控制策略的正確性。研究了MMC-UPQC樣機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),并以此樣機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對本文提出的策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。給出了MMC-UPQC樣機(jī)整體結(jié)構(gòu),對MMC-UPQC的主電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),提出了一種適用于MMC-UPQC的三級控制系統(tǒng)架構(gòu),并對樣機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的MMC-UPQC策略的可行性。
【關(guān)鍵詞】：煤礦電網(wǎng) 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 模塊化多電平換流器 檢測 空間矢量脈寬調(diào)制
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD61;TM761
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一章 緒論15-27
• 1.1 選題的背景與意義15-16
• 1.2 煤礦電能質(zhì)量問題16-19
• 1.2.1 電能質(zhì)量的定義16-17
• 1.2.2 電能質(zhì)量問題的危害17-19
• 1.3 煤礦電能質(zhì)量控制技術(shù)19-20
• 1.4 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究現(xiàn)狀20-22
• 1.5 多電平技術(shù)22-25
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容25-27
• 第二章 煤礦電能質(zhì)量分析27-41
• 2.1 煤礦電能質(zhì)量方面的主要問題27-31
• 2.2 三相橋式整流電路諧波分析31-34
• 2.2.1 工作原理及諧波分析31-32
• 2.2.2 仿真分析32-34
• 2.3 礦井提升機(jī)電能質(zhì)量分析34-39
• 2.3.1 礦井提升機(jī)主電路34-36
• 2.3.2 順序控制變流器諧波分析36-37
• 2.3.3 仿真研究及諧波分析37-38
• 2.3.4 提升機(jī)工作過程中無功分析38-39
• 2.4 本章小結(jié)39-41
• 第三章 MMC-UPQC的工作原理和數(shù)學(xué)模型41-55
• 3.1 MMC-UPQC基本結(jié)構(gòu)和工作原理41-42
• 3.2 MMC的基本原理42-45
• 3.2.1 MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)42-43
• 3.2.2 MMC的基本原理43-45
• 3.3 MMC的數(shù)學(xué)模型45-54
• 3.3.1 MMC的靜止坐標(biāo)開關(guān)模型45-48
• 3.3.2 MMC的靜止坐標(biāo)平均值模型48-52
• 3.3.3 MMC的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系平均值模型52-53
• 3.3.4 MMC的小信號(hào)模型53-54
• 3.4 本章小結(jié)54-55
• 第四章 MMC-UPQC補(bǔ)償量檢測方法55-73
• 4.1 概述55-56
• 4.2 基于瞬時(shí)無功功率理論的補(bǔ)償量檢測方法56-58
• 4.2.1 基于dq0變換的電壓補(bǔ)償量檢測方法56-57
• 4.2.2 i_p-i_q運(yùn)算方式電流補(bǔ)償量檢測方法57-58
• 4.3 自適應(yīng)線性神經(jīng)元及其算法58-61
• 4.3.1 自適應(yīng)線性神經(jīng)元模型58-59
• 4.3.2 最速下降法59-60
• 4.3.3 LMS算法60-61
• 4.4 基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償量檢測方法61-66
• 4.4.1 基于自適應(yīng)線性神經(jīng)元的電壓補(bǔ)償量檢測算法61-64
• 4.4.2 基于能量平衡原理的電流補(bǔ)償量檢測算法64-66
• 4.5 仿真分析66-72
• 4.6 本章小結(jié)72-73
• 第五章 MMC-UPQC的調(diào)制算法和子模塊電容電壓平衡控制73-101
• 5.1 引言73-75
• 5.2 兩電平SVPWM算法75-76
• 5.3 多電平換流器的SVPWM算法76-90
• 5.3.1 扇區(qū)的判斷78-79
• 5.3.2 參考矢量所在小三角形的確定79-83
• 5.3.3 矢量作用時(shí)間的計(jì)算83-85
• 5.3.4 開關(guān)狀態(tài)的確定85-86
• 5.3.5 開關(guān)序列的優(yōu)化86-88
• 5.3.6 多電平SVPWM算法的仿真分析88-90
• 5.4 多電平換流器的電容電壓平衡控制90-100
• 5.4.1 子模塊電容電壓不平衡現(xiàn)象研究90
• 5.4.2 傳統(tǒng)電容電壓平衡控制方法90-92
• 5.4.3 降低開關(guān)頻率的電容電壓平衡控制優(yōu)化方法92-96
• 5.4.4 電容電壓平衡控制方法的仿真分析96-100
• 5.5 本章小結(jié)100-101
• 第六章 MMC-UPQC的控制策略101-117
• 6.1 環(huán)流抑制器的設(shè)計(jì)101-108
• 6.1.1 MMC內(nèi)部環(huán)流分析101-105
• 6.1.2 MMC環(huán)流器的設(shè)計(jì)105-106
• 6.1.3 環(huán)流的仿真分析106-108
• 6.2 MMC-UPQC控制器設(shè)計(jì)108-116
• 6.2.1 MMC-UPQC并聯(lián)側(cè)控制器設(shè)計(jì)108-110
• 6.2.2 MMC-UPQC串聯(lián)側(cè)控制器設(shè)計(jì)110-111
• 6.2.3 MMC-UPQC控制策略仿真分析111-116
• 6.3 本章小結(jié)116-117
• 第七章 MMC-UPQC樣機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析117-131
• 7.1 MMC-UPQC樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)117-118
• 7.2 MMC-UPQC樣機(jī)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)118-120
• 7.2.1 IGBT的選取119
• 7.2.2 子模塊電容容值的選取119-120
• 7.2.3 橋臂電抗器電感值的選取120
• 7.3 MMC-UPQC樣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)120-124
• 7.3.1 樣機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)120-122
• 7.3.2 樣機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)122-124
• 7.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析124-130
• 7.4.1 SVPWM調(diào)制策略實(shí)驗(yàn)124-125
• 7.4.2 UPQC補(bǔ)償效果實(shí)驗(yàn)125-129
• 7.4.3 電容電壓均衡策略實(shí)驗(yàn)129-130
• 7.5 本章小結(jié)130-131
• 第八章 結(jié)論與展望131-135
• 8.1 全文總結(jié)131-133
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)133
• 8.3 今后工作展望133-135
• 參考文獻(xiàn)135-147
• 致謝147-149
• 作者簡介149
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文149
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目149

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本文編號(hào)：1008269