本文選題：有源電力濾波器　切入點(diǎn)：井下電網(wǎng)諧波抑制　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：為了提高井下生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度,整流器、變頻器等電力電子開關(guān)器件不斷滲透入煤礦電網(wǎng)中。這些非線性阻抗特性設(shè)備在提高了煤礦生產(chǎn)效率和產(chǎn)量的同時(shí),不可避免的為電網(wǎng)引入了諧波污染等電能質(zhì)量問(wèn)題。在煤礦井下電網(wǎng)中,諧波會(huì)引起采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、風(fēng)機(jī)等采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的設(shè)備產(chǎn)生震動(dòng);干擾井下供電與通訊系統(tǒng);引起井下供電電纜產(chǎn)生附加損耗、電纜絕緣熱力升高;誘導(dǎo)井下電網(wǎng)中發(fā)生局部的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。諧波為煤礦的安全生產(chǎn)埋下了隱患,諧波嚴(yán)重時(shí)甚至可能引發(fā)生產(chǎn)事故,造成人員傷亡。目前,諧波污染被動(dòng)治理的一個(gè)基本方式是接入濾波裝置來(lái)抑制諧波,可分為無(wú)源治理和有源治理兩種方法。無(wú)源治理方法一般采用LC濾波器,主要缺點(diǎn)包括:只能補(bǔ)償固定頻率的諧波,補(bǔ)償效果不甚理想,且補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響大,容易和系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振現(xiàn)象,放大諧波電流。因此,在煤礦井下爆炸性環(huán)境中,LC濾波器的應(yīng)用受到一定的限制。有源治理方法以有源電力濾波器為代表,其工作原理是通過(guò)檢測(cè)電路從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)得到一個(gè)與諧波分量大小相等、相位相反的補(bǔ)償分量,通過(guò)控制PWM變流器將補(bǔ)償分量注入到補(bǔ)償對(duì)象中,從而使補(bǔ)償對(duì)象中只含有基波分量。有源電力濾波器具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性好、靈活方便的優(yōu)點(diǎn),受到一定的關(guān)注和研究。論文調(diào)研了我國(guó)煤礦井下的供電現(xiàn)狀,并對(duì)具有代表性的井下電網(wǎng)諧波進(jìn)行了測(cè)量和分析。結(jié)果顯示諧波源主要分布于帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、無(wú)極繩絞車、采煤機(jī)等變頻控制設(shè)備中,井下電網(wǎng)支路的諧波畸變較為嚴(yán)重。目前,多數(shù)煤礦企業(yè)采用在地面變電站安裝濾波設(shè)備集中治理諧波污染。但是該方法只能降低井下電網(wǎng)諧波對(duì)地面電網(wǎng)造成的危害,不能有效的解決井下電網(wǎng)的諧波污染問(wèn)題。為了切實(shí)解決煤礦電網(wǎng)諧波污染的問(wèn)題,論文選擇了有源電力濾波器抑制諧波,并對(duì)其工作原理、檢測(cè)算法、控制算法進(jìn)行了介紹。在井下應(yīng)用有源電力濾波器時(shí),深刻理解煤礦電網(wǎng)的特性是抑制井下諧波的基礎(chǔ),因?yàn)槊旱V電網(wǎng)的環(huán)境有異于其他工業(yè)電網(wǎng)環(huán)境,有其自身的特殊性:井下設(shè)備額定電壓高、功率大、啟停頻繁;各種負(fù)荷需要電壓等級(jí)不同,從660V到3300V不等,存在多電壓等級(jí)特性;硐室、巷道空間狹窄。有源電力濾波器標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)的方法可以依據(jù)工作需要靈活的串并聯(lián)模塊,適應(yīng)多電壓等級(jí)的特性,同時(shí)還可以有效減少因?yàn)殡妷旱燃?jí)和容量不同而進(jìn)行的多次防爆試驗(yàn),設(shè)計(jì)為冷插拔模式,可方便快速更換故障模塊,大大降低了井下維修的復(fù)雜程度。煤礦井下狹窄空間、散熱和防爆設(shè)計(jì)、設(shè)備經(jīng)常移動(dòng)的要求等因素需要有源電力濾波器的體積小、質(zhì)量輕,限制了有源電力濾波器的容量。為了有效減小體積及容量,可以通過(guò)減小有源電力濾波器的補(bǔ)償電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。有源電力濾波器輸出的補(bǔ)償電流與其實(shí)現(xiàn)功能相關(guān),當(dāng)有源電力濾波器只抑制電網(wǎng)中的諧波分量時(shí)容量最小。針對(duì)煤礦電網(wǎng)的特殊環(huán)境和諧波源特性,可以在井下電網(wǎng)中接入多個(gè)有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)多諧波源分散抑制。因此首先針對(duì)煤礦井下的特殊性因素,研究了單臺(tái)有源電力濾波器的接入點(diǎn)環(huán)境及相應(yīng)的諧波檢測(cè)算法。由于地面變電站諧波電壓和本級(jí)諧波源的影響,井下電網(wǎng)電壓存在非理想電壓特性。為了解決非理想電壓下電網(wǎng)零諧波和單位功率因數(shù)之間的矛盾,本文提出了基于有源電力濾波器容量約束條件的非迭代優(yōu)化檢測(cè)算法。針對(duì)煤礦的特殊性環(huán)境對(duì)有源電力濾波器的容量限制,提出了有源電力濾波器單次補(bǔ)償電流約束條件。為了解決迭代算法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、收斂不確定的不足,使用了非迭代求解方法。該方法將優(yōu)化模型的求解分為主、子兩個(gè)問(wèn)題,主問(wèn)題只考慮功率等式約束條件和電流總諧波畸變率約束條件,求解各次諧波電導(dǎo);子問(wèn)題考慮電網(wǎng)的單次諧波電流含有率、有源電力濾波器的單次補(bǔ)償電流約束條件,對(duì)主問(wèn)題計(jì)算得到的諧波電導(dǎo)進(jìn)行修正。為了分析所提方法的魯棒性,在四種不同的情形對(duì)所提方法進(jìn)行了對(duì)比分析,同時(shí)為了驗(yàn)證方法的可行性和有效性,將本文提出的方法和其他方法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示:基于有源電力濾波器容量約束條件的非迭代優(yōu)化檢測(cè)算法在抑制井下電網(wǎng)諧波的同時(shí),有效的提高了功率因數(shù)和計(jì)算時(shí)間,保證了有源電力濾波器具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,為其提供了可靠的諧波參考電流。從經(jīng)濟(jì)因素思考和處理問(wèn)題,諧波抑制的成本主要和有源電力濾波器的容量相關(guān)。實(shí)際工程中,諧波抑制的成本隨著有源電力濾波器容量的增加而逐漸增大。因此,需要針對(duì)井下特殊環(huán)境,優(yōu)化有源電力濾波器在井下電網(wǎng)中的接入點(diǎn),在諧波畸變符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下,使工程成本最少。假設(shè)有源電力濾波器的pwm主電路理想,不產(chǎn)生諧波和時(shí)間延遲,其數(shù)學(xué)模型可以近似以指令電流代替。因此,本文提出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的指令電流決策變量,有效的減少了決策變量的數(shù)量。煤礦井下環(huán)境中的諸多因素直接或者間接的對(duì)有源電力濾波器的體積、接入點(diǎn)提出了一定的要求,基于此考慮提出了體積約束條件和接入點(diǎn)約束條件,配合電壓諧波畸變率約束條件和單次電壓含有率約束條件,以項(xiàng)目的工程成本為目標(biāo)函數(shù),建立了井下電網(wǎng)中有源電力濾波器接入點(diǎn)的優(yōu)化模型。隨后,基于粒子群算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行了求解,優(yōu)化了有源電力濾波器的接入點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)的諧波畸變低于標(biāo)準(zhǔn)的前提下,使工程成本最少的目的。面對(duì)煤礦電網(wǎng)呈現(xiàn)日益擴(kuò)大的趨勢(shì),提出了基于協(xié)同進(jìn)化粒子群算法的接入點(diǎn)優(yōu)化方法,以應(yīng)對(duì)基于標(biāo)準(zhǔn)粒子群的優(yōu)化算法在大規(guī)模電網(wǎng)中應(yīng)用陷入局部收斂的情況。為了驗(yàn)證論文中所提方法的有效性,對(duì)基于有源電力濾波器容量約束條件的非迭代優(yōu)化檢測(cè)算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,同時(shí),以我國(guó)某礦實(shí)際的井下電網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行了電網(wǎng)建模,對(duì)論文中所提的有源電力濾波器接入點(diǎn)優(yōu)化方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明本文所提方法是正確和有效的。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD611

【引證文獻(xiàn)】

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1 張光磊;;淺析煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)存在的問(wèn)題及其發(fā)展趨勢(shì)[J];山東工業(yè)技術(shù);2017年14期

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本文編號(hào)：1692306