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谐波抑制与无功补偿关键技术研究

杜少通  
【摘要】:煤矿企业产能扩大使电动机的容量增大,煤炭开采自动化水平提升及其生产工艺的进步使煤炭生产中变频器的应用增多,大容量电动机造成的无功冲击和变频器引入的电流谐波造成煤矿采区供电的电能质量下降。本文以煤矿采区配电系统为研究背景,以混合型有源滤波器(Hybrid Active Power Filter,HAPF)和H桥级联型静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)为对象进行研究。针对两种典型HAPF拓扑进行无源部分参数设计。拓扑1采用变流器和LC滤波器串联结构,推导LC参数与变流器容量的关系,以此为基础进行LC参数选取。拓扑2采用变流器向LC注入电流的结构,分析LC参数对各支路电流幅值的影响,以变流器和电感L的电流均小于补偿电流为目标建立LC参数的选取原则,基于LC参数以变流器容量最小为目标选取变流器滤波电感。仿真对比表明HAPF拓扑1更有利于降低器件耐压,HAPF拓扑2更有利于减小变流器电流。仿真和实验验证了参数设计的有效性。建立ip-iq法谐波检测的频域传递函数,在ip-iq法频域分析的基础上提出复合谐波检测思想。将同步旋转坐标系下的特定次谐波检测和ip-iq法谐波检测组合建立一种复合谐波检测方法,通过特定次谐波检测提取低次谐波使得稳态下ip和iq分量中低次谐波分量减小,以允许基波提取时选取高截止频率低通滤波器,进而在一定的检测精度下提升动态响应速度。通过传递函数分析复合谐波检测的稳态精度,仿真和实验对ip-iq法和复合谐波检测进行对比,验证了复合谐波检测的有效性。结合模型预测控制思想,提出一种基于虚拟磁链的模型预测脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)算法。算法以虚拟磁链跟踪为目标建立价值函数,通过价值函数寻优选取电压矢量。以带阻感负载的变流器为对象,对比研究了电压空间矢量PWM与模型预测PWM的调制效果,研究表明在相当的开关频率下模型预测PWM的负载电流畸变率更低。在模型预测PWM中增加延时补偿后应用于HAPF,其可以在较低开关频率下满足补偿要求。针对模型预测PWM在H桥级联型STATCOM的应用提出一种简化的矢量寻优方法,将理想电压矢量向a、b、c坐标轴投影的值作为寻优初始条件,通过初始条件获取三个电压矢量以构成寻优矢量集合,该方法减少了寻优的矢量数量。通过线性规划理论证明了简化寻优方法可准确选取最优电压矢量。为平衡STATCOM各模块电容电压并约束器件开关频率,建立一种以价值函数排序的电压平衡策略。仿真和实验对简化的矢量寻优方法及电压平衡方法的有效性进行分析和验证。H桥级联型STATCOM采用载波层叠PWM算法时脉冲周期轮换不能实现相内模块电压的平衡控制。针对五电平H桥级联型STATCOM结构,在分析电容充放电特点的基础上建立了一种改进的脉冲轮换策略,该策略通过对脉冲周期轮换时间按一定规律进行微调来实现模块电压的平衡,仿真和实验验证了改进脉冲轮换策略的有效性。为实现H桥级联型STATCOM相间电压的快速平衡,综合电网电压不对称、STATCOM电流指令中的负序分量建立了统一的功率模型,使得由电网电压不平衡和STATCOM输出负序电流产生的相间不平衡功率可由功率模型直接计算进行补偿,提升了相间直流侧电压平衡的快速性。推导四种可能的相间电压平衡方法,为避免锁相和三角函数运算以简化计算,提出一种基于虚拟瞬时无功理论和虚拟坐标变换的实时计算方法,该方法只需要瞬时值的乘法和加法运算。仿真和实验验证了功率平衡策略和简化算法的有效性。


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