【《基于SVG无功补偿及APF谐波抑制的矿井供电系统设计案例》8100字】

基于SVG无功补偿及APF谐波抑制的矿井供电系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u22733基于SVG无功补偿及APF谐波抑制的矿井供电系统设计案例 1305401.1 1109391.1.1井田概况 1130781.1.2供电现状 29561.2 280881.2.1谐波与无功的产生 34591.2.2谐波与无功的危害 4236321.3 587251.1.1供电系统无功补偿的方案选择 517211.1.2无功补偿容量的确定 5217981.1.3供电系统谐波抑制的方案选择 7231051.4 824311.4.1硬件设计 9207411.4.2软件设计 141.1对九台营城矿井供电现状的分析，主要包括供电系统井田概况、地区电网现状及矿井供电现状。1.1.1井田概况地理位置：处在吉林省九台市，坐标经纬度分别为44°05′～44°12′42″、125°45′18″～125°49′。交通条件：九台营城矿区处在吉林、长春二市间，矿区直通吉长铁路，南近“吉—长”省一级公路、302国道。矿区与附近各市县均有道路相通，矿区与营城火车站有专用铁路线相接，专用线长4.8km。新增工业厂区位于九台市北1.5km交通便利。交通位置图3-1所示。图3-1交通位置图距周边主要市县距离：距长春市51km，距吉林市69km，距舒兰市90km，距德惠市45km，距农安县60km。1.1.2供电现状（1）地区电网现状长春九台市目前有多个受电电压为220kV的枢纽变电所，其中；220kV九台一次变电所一座；220kV玉隆一次变电所一座；220kV东郊一次变电所一座；三个220kV枢纽变电所为九台市大部分用户供电。（2）矿井供电现状矿井老区工业场地66kV变电所位于场地东南部，内设置两台8000kVA容量变压器。变电所由两回66kV架空进线，一回电源自220kV九台一次变电所的九环线分支；另一回电源自220kV玉隆一次变电所的玉营线分支。1.2矿井供电系统谐波问题主要体现在功率因数、投切电容器组、设备工作特性及电压闪变等几个方面，谐波与无功的产生对供电系统产生了较大的危害，较大程度降低了电能质量及能源损耗[22]。1.2.1谐波与无功的产生当前阶段，谐波对于电力供应稳定性和可靠性所带来的一系列负面影响，为相关专家、学者们所重视。大量专家、学者纷纷从不同角度讨论了谐波的产生机制和影响。实际上，非线性元器件和设备在电网中的大量存在，在接收电网提供的非正弦波形的电源供电后，会产生谐波电流，导致电网电压失真。对于供电矿井系统中谐波和无功的产生，主要由于以下几个方面[23-24]：（1）功率因数严重不达标、无功严重欠补矿井两段6kV母线上安装了固定投切补偿电容器组，由公共点检测过程中，功率因数明显不符要求，测试计算无功缺口为3960kVar。针对这一现象分析发现，无功补偿装置容量明显较少，难以满足实际要求。（2）频繁投切电容器组由于投切电容器组的组件基本以电容为主，因此在实际应用中，其会受到充放电的影响，导致装置无法继续运行而出现跳变的情况，当电容器组应用到矿井供电系统后，会产生幅值、频率较高电流，能够视作短路电网合闸所带来电流，所以部分文献中也将其称之为合闸涌流。可达到正常电流幅值的数倍，明显大于电网线路电流额定值，且频率达到几千赫兹，所以会给供电系统线路带来直接影响乃至重大破坏，一般导致断路器灭弧室遭到破坏，引起巨大损失。有鉴于此，国家电网已明确指出，用户侧必须尽量避免频繁投切电容器组。若投切过于频繁，必然造成电感电容回路出现振荡，让供电系统电网获得许多过电压。若断路器故障情况下造成电弧重燃，那么会形成极其明显电磁振荡。开关断口在切除电容器的瞬间，其电势相等，所以大致上无电压。但经历1/2周波后，其自身电压始终维持原样，仍然为正向最大值，而电源电压则反向处于最大水平，等同给开关断口接入反向额定电压。如此一来，开关端口面临直接击穿威胁，针对这种情形，只有一种处理方案，即增加两断口间距。只要出现上述情形，供电系统电路便将形成高频振荡，一次即让电压增大1倍，导致电容器与相关用电设备面临极大安全威胁，甚至遭到严重破坏[25]。若投切过于频繁，那么会引起电压变化。按照现场检测情况来看，在投入与切除刹那，6kV母线电压瞬间变化幅度达到8%以上，电压暂态变化会给矿井用电设备造成严重威胁，必须引起足够重视。除此之外，固定无功补偿无法高效跟踪负荷波动做到精确补偿，往往会产生过/欠补问题，导致电压长/短时闪变都处于正常区间外，进而引发异常故障，后果非常恶劣。（3）设备工作特性主变、提升机因工作特性造成设备负荷波动过大过强，形成许多无功功率与谐波，也让电压波动、压降过于明显，其它设备运行随之受到明显干扰与阻碍；变压器效率低、铁损高、因数小。与此同时，谐波还将引起保护误动，导致消弧线圈失效，电容器组投运受到严重的影响，电缆受损。（4）电压闪变超出范围提升机工作存在规律性与周期性；作业阶段电压变化大，压降大，电流变化幅度较大，瞬间变化过于直观。因为供电系统无功补偿装置安装容量未达标，而设备工作特性所带来无功完全不能实现高效、精准补偿，所以电压闪变存在异常。1.2.2谐波与无功的危害谐波与无功的产生对供电系统产生了较大的危害，在很大程度上降低了电能的质量，同时使得能源出现损耗，具体危害表现如下[26-27]：（1）谐波的危害①对高压设备的影响。从旋转电机的角度来看，谐波不仅会产生额外的线损，而且也会导致元器件异常振动，产生过电压在内的多种问题，影响到设备的使用寿命，使设备在运行的过程中释放出更大的噪声；从变压器的角度来看，谐波会到导致其钢片温度异常升高，绕组损耗提高，使用寿命缩短；从电缆的角度来看，谐波会造成温度升高、介质损耗，甚至是局部放电现象。除此之外，谐波还会对消弧线圈等设备造成影响，使其无法正常的运行。②对电网的影响。电网在谐波的影响之下，会产生明显的谐振现象，不仅增加了损耗，而且也会严重干扰潮流计算结果的有效性。③对继电保护装置的影响。如果电网中存在谐波，那么继电器将会受到直接的影响，出现误动等相关问题，而且测量设备的测量精度也会受到极大的影响。④对通信线路的影响。对于通信线路而言，谐波是一种干扰因素，导致通信和质量降低甚至是信号的丢失，严重时发生安全事故。（2）无功功率的危害从整个电力系统的角度来看，它会导致如下几方面的负面影响：①拓展电力设备容量。如上中所介绍的那样，由于电网中存在无功功率，需要结合电网内实际功率情况，因此必须采用具有更大容量的电力设备和导线，系统的总成本因此而提高。②出现额外损耗。由于无功功率的存在必然会直接增加总的电流，所以会在流经电网设备、线路的过程中产生新的损耗。③影响供电电压稳定性。由于电网中存在无功功率，会增加变压器的压降水平，尤其是部分波动较大的无功功率一旦出现在电网之中，那么会使得电网电压明显失稳，严重时用电设备因此而出现故障。1.3因矿井供电系统内部存在较多谐波电流，使得供电质量受到影响，谐波将会给电力系统带来不良影响，当电压超过一定范围，会导致电力系统稳定性被破坏，电压质量因此而降低。根据供电系统情况，充分考虑谐波影响与无功功率问题，对矿井的无功补偿需求进行分析，最终确定无功补偿方案的选择至关重要[28]。1.1.1供电系统无功补偿的方案选择时至今日，一般机械投切型滤波电容器组无法继续用于此工作环境，结合实际情况考虑，应当选择动态静止型无功补偿设备来更换，若选择SVC设备，不但占用过多空间，而且必须搭配水冷却系统联合应用，促使晶闸管阀组有效降温，确保稳定运行；因为设备中晶闸管元件和高压系统相连，可选择串/并联接入方式，所以晶闸管需要拥有极良好均压均流能力。但此设备缺少可靠性，前期成本较大，后期运维较复杂。而采用SVG静态无功补偿技术后，一方面可达到电压要求，使用难度较低，另一方面无须冷却设备，无论从成本或是运维难度方面来看，各方面均有明显降低[29]。SVG静止型无功发生器调控过程中，必须可以高效合理解决电网无功功率吸收、补偿两方面问题。所谓电流直接控制，也就是控制阶段该装置能够直接调整本身所形成无功电流，无须检测交流电压基波相位与幅值，直接面向该装置输出无功交流电流完成测控，借此控制该装置无功功率[30]。电流直接、间接控制对比来看，前者在速度、精度方面具备明显的优势，故而控制阶段该装置能够直接调整本身所形成无功电流。经全面对比分析，本次采用直接控制式SVG设备改善矿区电能质量，同时借此完成无功补偿和滤波工作，由实际结果来看，具备可行性与实用性，意义非常重大。1.1.2无功补偿容量的确定根据实地考察可知，变电站利用两回架空线输送电能到现场，均为66kV，变压装置2条66kV输入线路。两导线专门为矿区供电，无需驱动别的负载，九台营城煤矿供电系统负载如下：6kV母线I与II段，两者重要负载分别是1台主井、1台副井提升机，主/副井额定功率为2000kW/台、1400kW/台。两者负荷详情参见表1.1：表1.1I、II段母线负荷控制端设备容量/kW功率系数功率因数正切值最大有功功率/kW最大无功功率/kW最大视在功率/kWI主井20000.790.750.85158413942000II副井14000.970.750.851358119518096kV母线III，IV段，涉及到较多的重要负载，其中主要有：主井提升辅助设备、副井提升辅助设备、锅炉房、泵房、热风炉、扇风机等。供电系统相关公式如下：（3-1）（3-2）（3-3）式中：：设备的最大连续负荷；：用电设备组的需要系数；：用电设备组总的设备容量；：设备最大连续负荷无功功率；：和负荷组功率因数对应的正切值；：最大连续负荷视在功率。由于矿区供电系统内所有负载某个时间同步开启可能性较低，故此同时处于最大负荷可能性极低。这种情况下，有功和无功功率最大同时系数取值将有细微差异，分别取0.79和0.97。（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）其中，0.75是本矿供电系统6kV母线I，II段功率因数，但国标要求是0.9，相较而言并未达标，需要合理配备动态无功补偿装置。若统一由本矿供电系统变电所一侧完成动态无功补偿，为达到国标要求，应注入无功功率如下：（3-8）经公式运算确定，最低必须向6kV母线I，II段补偿1980kVar无功功率，鉴于两倍阈值，故而此处动态无功发生器容量额定值取3960kVar，便能有效满足本矿供电系统无功补偿需求。1.1.3供电系统谐波抑制的方案选择APF是当前阶段电力系统中应用较为广泛的一种有源滤波器，在实际的应用过程中，其基本流程为：跟踪负载电流并且检测并记录其具体的数值，以此为基础产生和这个谐波源数值相等、方向相反的无功电流，完成对谐波的控制。根据图3-2所示结构，对比ic信号和指令信号，根据两者之间存在的差值即可确定开关开合的时长[31]。图3-2有源电力滤波器APF电路原理图目前APF有源电力滤波器的控制方式有下几种：（1）三角波比较方式其原理图如图3-3所示：图3-3三角波比较控制方式的原理框图作为一种非常经典的闭环控制模式，三角波比控制的具体操作流程为：对比ic*和ic，将对比所得到差值乘以相应的比例倍数，再和时钟信号进行对比，即可获得我们所需要的PWM波形。这种控制方案在电力系统中有着非常广泛的应用，不仅控制效果非常出色，而且整体操作也相对简单，成本低廉。（2）瞬时值滞环比较法其原理框图如图2-31所示：图3-4瞬时值滞环比较法的原理框图流程为：首先计算ic*和ic的差值并和预先设定的H进行对比，超过这一预设值则调整电流输出和逆变器开关；不超过预设值则继续加大ic。显然，预设值非常重要，不过由于实际操作中很难保证预设值的合理性，所以瞬时值滞环比较方式目前已经很少见了[32]。（3）空间矢量脉宽调制控制法（SVPWM）其原理图如图3-5所示：图3-5SVPWM原理图基本工作原理可以简化描述为：扇形判断变换后的矢量信号，即可以此为基础计算得出电压矢量时间，然后带入上文中所介绍的载波三角波比转换时间点，即可得到PWM波形。所以，SVPWM因为开关切换频率较低，所以损耗低，而且计算量也相对较少。不过由于电路硬件器件的限制，很难生成高质量的PWM波形很，而且模型仿真也过于复杂。通过综合对比上述三种控制方法，本文设计中最终选择了三角波比较法，操作较为简单，对实验条件的要求也相对较少。1.4本节对九台营城矿井供电系统的硬件和软件给出设计方案，以TMS320F2407芯片作为主控芯片，对供电系统的软件电路和硬件电路进行设计。1.4.1硬件设计供电系统的无功补偿控制装置是整个控制电流中最为核心的部分，其功能是对电路中的稳定数值进行确认，以此确保整个供电系统的稳定运行；同时，其还能够通过对SVG进行控制用以调节补偿的无功功率。能够利用IGBT实现信号的触发，并以此控制电路断开与通导，进而实现SVG的无功补偿，如图3-10所示。图3-10SVG硬件电路框图电压和电流互感器负责采集电网电压值和电流值这两项参数。信号调理模块负责完成数模信号的转换。主控制器数字信号处理器DSP中的AJD转换模块再进行模数转换，这样就能够得到实时数值。对于DSP，其能够利用ip-iq检测法将静止无功发生器动态无功补偿的瞬时功率和电压有效值计算出来，并按照空间矢量控制、模糊控制等算法，构建形成相应的触发信号，并利用脉冲调制技术(PulseWidthModulation-PWM)将触发脉冲对外输出，以此实现对供电系统动态无功补偿的调控。（1）信号检测电路信号检测电路的互感器有电流互感器(CT)和电压互感器(PT)两类，这两种互感器在应用时都要先实施电气隔离，并且通过电量变换进行调压调流，显示将主电路中的电流输入信号（5A）予以转化，由此得到采样信号（2.5mA）；接着对其予以调理放大处理，进一步的得到交流电压输出信号Uio（2V）；将主电路电压互感器有效值向交流电压信（100V）进行转换，然后再对其进行调理，形成电压输出信号Uvo（0.8V）。如图3-11、图3-12所示。图3-11电压检测电路图3-12电流检测电路（2）信号调理电路信号调理电路如图3-13所示：图3-13信号调理电路信号调理电路中的核心部分是二路通运算放大器LM358，因为传感器对外所输出的电压信号处于±4V的区间内，根据ADC端口0-3V的设计要求，在对该电路进行设计的过程中，传感器输出信号要按比例缩小，变为原来的3/8，再加上1.5V，以此达到相应的要求。基于这样的构想，在调理电路中，应用运算符放大器LM358放大电路，其中R1、R2分别为33Ω和15Ω，因为其中的输入电压Vi是1.3V，因而需要在其中布设二极管1个，并由此构建形成钳位电路，并将其置于输出位置，当输出电压高于1.3V时，此二极管D1会导通，从而使之始终在1.3V而不再继续升高；当输出电压在0V以下时，二极管D2导通，电压则保持在0V而不再继续降低，以此实现对DSP芯片的保护[33]。（2）DSP控制电路为能够让整个系统控制电路变得更加简单可靠，在DSP芯片的选择方面，具体应用的是TI公司型号为TMS320LF2407A的芯片，其中包括数模转换器1个、内置采样器1个，还有与之相关的若干寄存器，利用该芯片来完成动态无功补偿。在对脉宽调制电路进行应用的过程中，针对低电平的快速监测，能够通过其外部引脚PDPINYTA或PDPINYTB实现，同时其还具有关断的功能；在上桥臂、下桥臂两者均处于导通状态时，将会造成电路发生短路，而在应用可编程的PWM死区控制后，则可以避免这一短路现象的发生。在对时间管理模块进行应用的过程中，可以通过SVG功率单元完成相应的控制，并利用PWM对IGBT进行驱动，能够完成对实时参数的采集和输出，通过ADC模数转换模块，经过测量、转换实现信号的输入和输出，进而使DSP资源被最大化的利用[34]。①模数转换电路为保证各个模块能够稳定运行，通过DSP能够实现将电压和电流中的数值转化为数字信号，然后通过TMS320LF2407A的芯片中的数模转换模块模拟输入，而其中包含有16路通道，由ADCINO到ADCIN15，能够将其转变成为10位的二进制数字信号，并且在转换精度方面也相对较高，能够满足SVG控制算法对输入信号的要求。在DSP的16路数模转化通道中，其中是模拟信号输入监测通路的通道有10条，而模数转换模块中所应用的通道则是JP1排线上的10个插口。ADO-2：在电流监测电路中，对外所输出的电流IA、IB、IC将进入到调理电路，然后将其和标准电流信号实施比对，然后再对输出电流指令信号进行综合分析，由此形成PWM控制信号，然后将4路PWM信号对外输出，从而形成对电路的监控。AD4-5：对SVG输出电流进行相应的采集，然后在利用调整电路对其实施调整后与标准电流信号进行比较，而后在对PWM控制信号展开相应的计算。AD6-8：通过电压互感器对主回路电网电压进行采集，将完成采集的电压使之进入到调理电路中，其中所输入的电压信号分别为UAB、UBC、UCA，根据所得到的值在功率单元的计算中进行应用。QUOTEAD9AD9：能够实现针对功率单元直流侧电压采样以及输入。②转换寄存器在DSP芯片中，模数转换模块中有排序寄存器2个，即SEQ1和SEQ2，两者之间可共同工作也可独立工作。对于其中的每个排序寄存器，所选择的模拟通道数量为8个，并由此完成相应的转换，而在进行排序时则可应用到16个模拟转换通道。对于A/D转换模块，在完成转换时，需要将转换结果寄存器中的RESULTn的值进行即时读取，从而使下一序列在进行转换时能够拥有并读取上一转换过程中的结果。③PWM信号输出PWM信号主要是迎来对SVG电力电子器件联通或者关闭进行控制的。在对PWM波生成时，必须要存在一个可重复计数的定时器以及能够进行述职对比的寄存器，然后将其和系统运行周期进行对照；若寄存器标准值、定时器实时值两者能够进行很好的匹配则会触发PWM输出端的电平跳变。在二者完成取值后，对取值进行二次匹配，或者当前计数完结，在这种情况下在PWM的输出端，其电平会再次跳变，并由此形成一个循环，形成相应的周期图，而两者之间存在一种正比例关系。事件管理器包含3个比较单元，每个单元提供2条PWM输送端口。为使PWM波能够以更快的速度到达IBGT，必须要相应的设置驱动电路与隔离电路。④PDPINT的快速保护作用DSP芯片集成了PDPINYTA和PDPINYTB引脚，二者均在低电平下有效，通过SVG提供的保护形成快速响应，响应时间是10µs。如果出现电流和电压超出范围时，IGBT过电损坏，PWM脉冲信号消失，使IGBT关闭，进而SVG停止工作，通过这样的方式对SVG提供保护。（4）供电电源电路若要保证DSP芯片稳定工作，那么在I/O端口需要向其输入1.3V模拟信号以及相应的数字信号，因而在此选择TPS767D301型号的电源芯片，其在向DSP供电时所提供的电源信号有两种，如图3-14所示。图3-14DSP供电电源电路利用±5V的直流，为TPS767D301芯片进行输入，向DSP输入1.3V的电压信号。在图中，L2、L3这两个电感能够实现将数字信号转变成为模拟信号，以此形成针对DSP的双向供电。（5）光纤转换电路在本文的研究中，对于PWM脉冲信号的传输是利用光纤收发器件实现的，其目的是能够更好的对脉冲信号形成隔离，使信号的精度得到保证，同时也有利于使信号都传输速度更快，而且线路制造的成本也相对更低一些，如图3-15所示。图3-15DSP供电电源电路DM7407作为光纤驱动器能够实现电流、电压的输出，本文设计中输出的电流是40mA，输出的电压为30V，开关的速度是非常快的；其中应用的光纤收发器是HFBR-1524