高压大容量STATCOM技术在煤矿供电系统的应用

1、技术经验 煤矿安全(2010-07)!103!高压大容量STATCOM技术在煤矿供电系统的应用赵雪林,林蒙丹2(1.徐州矿务集团有限公司供电处,江苏徐州221006;2.徐州工业职业技术学院,江苏徐州221006)摘 要:通过对煤矿电网的电能质量普查分析,其供电系统复杂,线路距离长,自然功率因数低,电压波动大,电能损耗大,并发现了煤矿6kV供电系统通风机串级调速装置有间谐波存在;主副井提升机谐波含量与6kV母线电压谐波总畸变率严重超标。经过有针对性的分析、调查、研究和试验,确定了适合煤矿实际的补偿治理方案,并设计出了一套用于高压系统的大容量静止同步补偿器(STATCOM)与无源滤波器(FC)的

2、组合装置。该装置无功电流检测方法采用离散傅立叶变换,电流跟踪采用三角载波比较方式。对直流侧电容电压控制采用滑模变结构控制方法,该方法跟踪性能好、鲁棒性强,克服了传统PI调解超调量和静态响应误差大、响应速度慢、参数难调节等缺点。关键词:STATCOM补偿器;间谐波;离散傅立叶变换;煤矿电网中图分类号:TD609 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2010)07-0103-03 煤矿井下的用电设备主要是通风、排水、提升、运输和采掘机械等控制用,绝大部分为感性负荷,单机功率大,自然功率因数低。由于现场条件的制约,不能采取就地无功补偿措施。提升和运输设备启动频繁,对电网冲击较大。在大型电力

3、设备启动时,系统电压降低严重,若同时遇到地面电网系统电压向下波动,很容易影响井下生产机械的正常启动和稳定运行。由于国家分时电价结算政策的施行,接近3倍的峰谷电价差对煤炭生产的成本影响较大,各生产矿井为了减少电费支出,采取了多种措施多用谷期电,人为形成了白天电网峰期用电负荷很小、夜间电网谷期变成煤矿的用电高峰, 峰谷 比在23之间,个别矿井甚至出现主变压器超载现象,造成供电系统电压波动较大,甚至超出允许范围。通过对煤矿电网的谐波普查,发现煤矿6kV供电系统通风机串级调速装置有间谐波存在;主副井提升机谐波含量与6kV母线电压谐波总畸变率严重超标。1 煤矿电网电能质量普查分析(1)通过对选定数个负荷

4、分路的电压、电流、功率和电压波形进行普查,并在区域变电所装设在线监测装置实时监测,对数据分析和计算机仿真,发现矿井通风机串级调速装置有间谐波存在。,图1 徐矿集团庞庄井抽风2路2#风机A相电流频谱谱图可见,在基波和5次谐波两侧均有间谐波出现。(2)对6kV总进线测试中发现,主要是5次、7次、11次和13次谐波电流,其中11次谐波电流在3070A范围变化,13次谐波电流在2870A范围变化,这两次谐波电流均超过国家标准。6kV母线电压谐波总畸变率严重超标。目前的补偿电容器没有滤波功能,为了提高电能质量,改善用电环境,有必要采取谐波治理措施。2 高压大容量STATCOM组合装置设计及实现针对煤矿供

5、电的实际情况设计了一种容量!104!煤矿安全(Total429)技术经验置大多采用全模拟或全数字控制系统,但全模拟控制系统不仅检测精度差,而且很难应用于补偿目的变化的情况。全数字控制系统虽然可以满足检测精度的要求,但应用于多模块的系统控制时,却又存在控制系统过于复杂,实时性差的问题。高压大容量的STATCOM组合装置采用了以双DSP+CPLD为核心的数模混合控制系统,包括补偿信号的检测、电流跟踪控制、逆变器直流侧电压的稳定控制等功能。在确保STATCOM装置对实时性、准确性、灵活性要求的同时,又降低了控制系统的成本,提高了可靠性。并针对直流侧电压的稳定控制,提出一种基于滑模变结构控制SMC理论

6、的控制策略。通过现场运行表明设计及运算可行,运行可靠,针对电能质量的提高、谐波抑制效果明显。STATCOM组合装置由STATCOM静止同步补偿器和FC无源电力滤波器共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。STAT COM起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。FC起到滤除谐波电流、补偿负荷无功的作用。3 谐波电流检测和控制策略3.1 谐波检测环节的原理基本工作原理为:预处理环节将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号并进行适当的滤波与放大(实际中总存在一定的高频噪音,因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小),ST

7、ATCOM对谐波信号的时间同时性要求较高,因此一般情况下应该对所需信号进行同步采样,所以需要加采样保持电路,即在同一时刻对输入信号进行采样。将采样信号保持起来,然后分别进行A/D转换,将模拟量转化为数字量。谐波检测环节的原理框图如图2所示。STATCOM的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。STATCOM的控制系统主要有模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统3类。近年来随着微电子技术的快速发展,STATCOM的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制系统。下面主要介绍STAT COM的数字模拟混合控制系统。数字模拟混合控制系统一般由2个部分组成,即控制算法部分和

8、触发脉冲产生部分,如图3所示。图3 控制系统结构示意图其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理,采用谐波检测算法,快速检测出需要的谐波与STATCOM产生的谐波进行比较,根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲发生部分。而触发脉冲发生部分根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源电力滤波器的变流器,使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同,从而达到谐波补偿的效果。所谓数字模拟混合控制就是通过数字电路检测并产生所需补偿的参考谐波信号,获得参考谐波信号后,通过模拟电路实现谐波跟踪(通常为比例积分PI控制)和PWM脉冲控制具有更快的速度和更高的分辨率。3.3 S

9、TATCOM的检测与控制原理检测与控制原理如图4所示。图2 STATCOM的谐波检测环节原理图4 控制系统控制策略示意图3.AIt,技术经验 煤矿安全期信号,则可表示为:Isa(t)=Isa(t+kT)式中T为Isa的周期,k=0,1,2Isa(t)一般满足狄里赫利条件,因此,它可展开为一个收敛的傅立叶级数,即Isa(t)=a0+akcos#k t+bksin(k t)式中a0=ak=bk=T%I(t)d(t)T0saT%I(t)cos(k t)d(t)T0sa(2)(3)(2010-07)!105!(1)图5给出了补偿前后电网侧电流波形。从测量结果可知,补偿前THD=21.1%,5次谐波相对

10、含量为16%,7次谐波相对含量为11.2%;补偿后THD=2.6%,5次谐波相对含量为1.9%,7次为0.8%。试验同时表明,STATCOM投入后,11、13次谐波降为投入前的1/2以下。T%(4)0Isa(t)sin(k t)d(t)T对负载电流Isa(t)进行离散采样,一个周期T内的采样值取为N,则采样周期为T/N,设Isa(t)的N个采样值为Isa(t)(1),Isa(t)(2),Isa(t)(N),与其对应的电源电压Ua(t)的幅值为1的正弦离散采样值为sin t#1,sin t#2,sin t#N,由式(2-4)可得N&I#ia0=Ni=1saNak=&I#icos

11、t#iNi=1sa(5)(6)5 结 论运行结果表明该STATCOM滤波效果很好,能有效滤除各次、或特定次、间谐波;能响应负载的快速变化,过载时正常运行;保护可靠,有故障自诊断和一定的故障自排除功能,是理想的无功补偿、谐波治理装置。作者简介:赵雪林(1982-),男,助理工程师,现任徐州矿务集团有限公司供电处技术主管,首席助理工程师,获专利2项,发表论文10余篇。(收稿日期:2009-12-22;责任编辑:金丽华)图5 负载支路电流波形(CH4)、网侧电流波形(CH1)及全补谐波指令波形(CH2)2Nbk=&Isa#isin t#i(7)Ni=1利用式(5)、式(7)可求出基波和各次谐波有功电流幅值,再用负载电流减去基波有功电流,就可以求出需补偿的谐波和无功电流。检测出补偿的电流后,STATCOM的控制目的是控制逆变器使其输出的电流跟踪所需补偿的电流。电流跟踪控制电路正是补偿电流发生电路中的第一环节,其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间关系,得出控制补偿电流发生电