基于可调Q因子的煤矿井下电力系统谐波检测与抑制系统设计

李 婷

(广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007)

基于可调Q因子的煤矿井下电力系统谐波检测与抑制系统设计

李 婷

(广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007)

针对谐波对煤矿井下电力系统产生严重扰动并且还耗费较多无功等问题,同时结合基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法在三相四线制电路的应用局限性，采用可调Q因子小波变换改进瞬时无功功率理论对谐波总含量进行检测。运用MATLAB/SIMULINK创建三相四线制有源滤波器的仿真模型，将其使用到有源滤波器的谐波检测模块中，设置相应的仿真参数，根据仿真结果分析该有源滤波器的谐波抑制效果，很好的改善了煤矿电能质量。

煤矿；电力系统；瞬时无功功率理论；谐波检测；可调Q因子小波变换

随着煤矿企业产能及其自动化水平的不断扩张以及提高，不仅使得其电动机的容量逐渐增大，而且在生产运行过程中变频器的使用量也随之增长，这将引入大量的谐波进而导致煤矿的电能质量大幅度降低。电力系统中存在着很多具有非线性阻抗特征的供用电设备，通过这种方式形成的谐波问题越来越严重，谐波的出现在缩减电能质量的同时还将减小电气设备的使用寿命，更严重的将导致故障或烧毁。近年来由于谐波等原因还引发了多次煤矿停电事故，不仅给人们生活带来麻烦，还严重影响着经济的发展。因此为了减小煤矿井下电力系统谐波对电网运行的影响，对电力系统谐波进行准确地检测并采取相应措施对其进行抑制，对改观煤矿电能质量以及减小煤矿事故的出现具有很大作用。

1 基于可调Q因子小波变换与瞬时无功功率理论的总谐波含量的检测设计

1.1 瞬时无功功率谐波检测法及其局限性

瞬时无功功率理论的谐波检测法被广泛应用于有源滤波器中，通过合理的推广及创新以致产生了p-q检测法、ip-iq检测法以及d-q坐标变换检测法。

瞬时无功功率理论的谐波检测法的局限性如下所述。

1)电网电压畸变。由于诸多因素的影响，实际的电压波形并不是理想的正弦曲线，其波形存在一定程度的畸变。对三相四线电路和单相电路而言，ip-iq检测法的检测精度会受到影响。

2)三相电路不平衡。针对三相三线制电路来说，如果出现三相电流不平衡的情况，p-q、ip-iq以及d-q检测法均可精确的检测出基波电流，但不能检测出基波正序有功及无功分量。

3)零序分量。瞬时无功功率的谐波检测法关键是适宜用于三相三线制电路，而以三相四线制电路和单相电路来说，由于中性线上零序电流的存在以及没有足够的变换信息，使得其检测效果很差。同时如果电网存在畸变、非线性负载以及三相负载严重不对称时，该检测结果也存在较大误差。

4)间谐波对谐波检测的影响。瞬时无功功率理论把电压或电流分解成了基波、3k+1次正序、3k-1次负序以及3k次零序谐波分量，此谐波均为整数次，同时忽略了非整数次间谐波。针对实际情况来说谐波的种类很繁杂，同时包含整数次谐波以及非整数次的间谐波，间谐波的出现导致了更大误差。

1.2 可调Q因子小波变换改进瞬时无功功率理论的总谐波含量的检测设计

设计原理图见图1。

图1 结合可调Q因子小波变换的ip-iq检测法原理图

2 谐波抑制方法的设计

2.1 系统结构设计

三相四线制并联有源滤波器的系统结构图见图2。有源滤波系统包含指令电流运算电路以及补偿电流发生电路，其中补偿电流发生电路包含电流跟踪控制电路、驱动电路以及主电路。

图2 三相四线制并联有源滤波器的系统结构图

2.2 三相四线制有源滤波器主要参数的计算

三相四线制有源滤波器主电路参数的设计直接影响其整体的滤波效果，参数包含主电路容量、电容总电压、直流侧电容以及交流进线电感四部分。

2.2.1 主电路容量计算

有源滤波器的容量SA的计算见式(1)。

(1)

式中：E代表电网相电压的有效值；Ic、Iq、In及Ik分别代表最大补偿电流有效值、无功电流有效值、负序电流有效值及各次谐波有效值。

2.2.2 电容总电压

2.2.3 直流侧电容的计算

在有源滤波器中，直流侧电容的功能为稳压，稳压功能随着电容值的增大而升高，但是这要花费一定成本，同时也将导致体积膨胀，不利于工程应用。直流侧电容一般可根据式(2)计算。

(2)

式中：SA为有源滤波的容量；fs为电路器件的开关频率；Udcmax、Udcmin分别为直流侧电容电压的最大值、最小值。

若直流侧电压的波动系数为λ，则有式(3)。

(3)

一般λ=1%，则可以得到式(4)。

(4)

将SA=20kVA、fs=10kHz、λ=0.01、Udc=1000V代入上式可求得Cdc>25μH，综合考虑，本文直流侧电容取1000μF。

2.2.4 交流进线电感的设计

并联有源滤波器经过电感向电网注入或吸收电流，流经变流器电流值取决于电感值，同时也对其补偿作用产生影响。若电感太大，跟踪电流不能及时变化，会增大跟踪电流与指令电流的误差，进而影响并联有源滤波器对补偿电流的跟踪能力；如果电感太小，补偿电流中会出现较大纹波，不能达到要求，因此交流侧进线电感的计算必须要综合考虑补偿电流跟踪速度和对纹波的要求。

2.2.4.1 电感最大值的计算

并联有源滤波器输出补偿电流的最大变化率的计算见式(5)。

(5)

式中：ica代表A相补偿电流；Udc、Um分别代表直流侧电容电压及电网电压幅值。

如若确保并联有源滤波器对补偿电流的跟踪控制能力，则需满足式(6)。

(6)

依照式(5)和式(6)能够获得电感最大值，见式(7)。

(7)

由经验公式可得式(8)。

(8)

2.2.4.2 电感最小值的计算

设并联有源滤波器实际输出的补偿电流与指令电流的最大偏差为imax，则有式(9)、式(10)。

(9)

(10)

结合式(9)和式(10)，可得式(11)。

(11)

交流进线电感的取值为：Lmax>L>Lmin，综上所述，此设计交流进线电感值选1mH。

3 仿真分析

利用MATLAB/SIMULINK中元件来构建三相四线制有源滤波器的系统仿真模型并进行分析。运用ode45算法，时间选定0.2 s，电网模拟电路设计三相交流电压源向包含10 kW/4 kVar阻感性负载的三相全控晶闸管整流桥以及包含5 kW/2kVar阻感性负载的单相整流桥供电。

(12)

在三相可编程电压源模块中，按照上式的参数设定了基波分量的源程序，此外，还设定了三次谐波和五次谐波的程序，并叠加在基波信号上。

补偿前A相负载侧的电流波形、有源滤波器中检测环节检测出的谐波电流信号的波形以及通过补偿电路补偿后的A相的负载侧的电流波形分别见图3、图4以及图5。

图3 补偿前A相负载侧的电流波形

图4 检测出的谐波电流信号的波形

图5 补偿后A相负载侧的电流波形

从图4可以看出，有源滤波器补偿之前，A相负载侧的电流波形发生了严重的畸变，测得此时A相负载电流谐波总畸变率为29.77%。从图6能够得知，补偿之后的A相负载侧的电流波形非常靠近正弦波，此时A相负载电流谐波总畸变率为3.61%，满足5%的国标要求。

4 结 论

通过仿真分析可知，该三相四线制有源滤波器中的检测方法和控制策略是可行的，能够在三相电压畸变的状况下，精确地检测出谐波电流，同时有效的完成对其补偿，达到了煤矿电网谐波抑制的目的。该方法不仅在很大程度上消除了系统谐波电流，而且还很好的改观了电压波动以及大大的提升了煤矿电力系统的电能质量，拥有很高的推广价值。

[1] 王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京：机械工业出版社, 2004.

[2] Huichun Hua, Xiufang Jia, Dongsheng, Cao, et al. Practical method to determine the harmonic contribution of a specific harmonic load[C]//15th IEEE International Conference on Harmonics and Quality of Power. 2012, 11(7): 78-82.

[3] 杨官庆. 有源电力滤波器的检测及控制方法研究[D]. 天津：天津大学, 2011.

[4] Izhar M, Hadzer C M, Syafrudin M, et al. Performance for Passive and Active Power Filter in Reducing Harmonics in the Distribution system[C]//Power and Energy Conference, Oklahoma, USA, 2004, 43(5): 104-108.

[5] 张晓. 三电平有源滤波器关键技术研究[D]. 徐州：中国矿业大学, 2012

[6] 张长征, 陈乔夫, 赵尤斌. 一种并联型有源电力滤波器的研究[J]. 华中科技大学学报, 2007, 35(5): 44-47.

[7] 刘桂英, 粟时平. 并联型有源电力滤波器控制方法与仿真[J]. 电力建设, 2012, 33(7): 1-7.

[8] 喻翌. 有源电力滤波器的自适应谐波电流检测方法研究[D]. 成都：西南交通大学, 2014.

[9] 王华音. 基于瞬时无功功率理论的混合型电力滤波器的研究[D]. 大连：大连交通大学, 2010.

[10] 李楠, 杨昭春, 孙乐君, 等. 基于调 Q 小波变换的心电信号特征量提取方法[J]. 计算机科学, 2014,41(S2): 61-64.

[11] 程琳. 基于基追踪的测井信号分离[D]. 成都：西南交通大学, 2011.

[12] 杨俊亮. 基于瞬时功率理论的电力系统谐波检测及抑制方法研究[D]. 兰州：兰州交通大学,2014.

[13] M. V. Afonso, J. M. Bioucas-Dias, M. A. T. Figueiredo. Fast image recovery using variable splitting and constrained optimization[J]. IEEE Trans. Image Process, 2010, 19(9): 2345 -2356.

[14] 杜天军. 基于抗混叠小波理论的电力系统谐波检测与抑制研究[D]. 成都：电子科技大学, 2006.

[15] 陈经伦. 电力有源滤波器谐波检测与控制方法的研究[D]. 岳阳：湖南大学, 2013.

Underground coal mine power system harmonic detection and suppression system design based on adjustable Q factor

LI Ting
(Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nanning 530007, China)

Aiming at the problem of harmonic disturbance to power system in coal mine, and also consuming more reactive power, at the same time, based on the instantaneous reactive power theory of harmonic detection method in three-phase four-wire circuit application limitations, the use of adjustable Q-factor wavelet transform to improve the instantaneous reactive power theory of total harmonic content detection. Using MATLAB/SIMULINK to create three-phase four-wire system active filter simulation model, it is applied to the harmonic detection module of the active filter, set the corresponding simulation parameters, according to the simulation results analysis of the active filter harmonic suppression effect, a good improvement of the coal mine power quality.

coal mine; power system; instantaneous reactive power theory; harmonic detection; adjustable Q factor of the wavelet transform

2016-08-08

李婷(1983-)，女，黑龙江讷河人，硕士，广西机电职业技术学院讲师，研究方向为智能楼宇、智能算法、电力市场。

TD61

A

1004-4051(2017)04-0162-004