关于APF在通风系统中谐波抑制的分析与策略

于秋瑞　刘丽侠关于ＡＰＦ在通风系统中谐波抑制的分析与策略　关于ＡＰＦ在通风系统中谐波　抑制的分析与策略　于秋瑞，刘丽侠　（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安７１００５４）　摘要：针对崔家沟某煤矿通风机配电系统中产生的谐波进行分析，提出了采用ＡＰＦ进行有效地　抑制策略，为该矿通风机配电系统的安全运行提供了保障，实现了绿色电网。　关键词：谐波；ＡＰＦ；抑制；分析与策略；绿色电网　中图分类号：ＴＤ７２文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—７４９Ｘ（２０１４）０４—００４８—０３　变的波形。在接感性负载时含有奇次谐波电流；接　容性负载时含有奇次谐波电压。系统容量一定时谐　０　引言　崔家沟某煤矿（高瓦斯）井下＋１　０００　ｍ水平接　续系统中，选用ＦＢＣＤＺ．８　Ｎｏ２７型对旋防爆轴流式　通风机２台（一用一备），每台风机配２台电动机，　电动机型号为ＹＢＦ４５０Ｓ１—８型，功率２×４５０　ｋＷ，电　波含量随着感性、容性负载的增大而增大。经统计　表明，整流装置产生的谐波占所有谐波的４０％左　右，这是最大的谐波源。　设备制造厂商设计理念的改变：过去倾向于采　压等级为６６０　Ｖ。前期掘进过程中不需要风机的全　速运行，为了满足井下风量和节能需要，设计安装了　四套变频调速装置对电机进行一拖一控制。在实际　运行时，风机配电系统中出现了谐波干扰，通过仪器　检测表明，单台电机电流波动值在４３０．８～５６２．５　Ａ　之间，波峰电流为６２７．６　Ａ，含有大量的奇次波，谐　波总畸变率为２７．３％。　用在额定工况或者裕量较大的范围内设计制造，现　在为了竞争并节约成本，对电工元件倾向于采用临　界情况下的设计制造。例如有些制造厂家为了节省　材料而使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，　而在这些区段内运行会导致激磁材料的磁化曲线偏　离应有的工作区段。　１．２谐波的危害及影响　１　谐波产生的原因、危害及影响分析　１．１谐波产生的原因　谐波的存在是对风机配电电源的一种“污染”，　也是矿井供电电网的一种“污染”，它会给矿内通信　和用电设备带来损害，主要表现在以下几个方面，①　使电力元件有功损耗加大，降低了输电及用电设备　的效率；②增加变压器的附加损耗，产生噪声并引起　绝缘介质的老化加速，缩短变压器的正常使用寿命；　本着“谁污染谁治理”的原则，通过对该煤矿通　风机配电系统中谐波的检测值分析，设计认为该系　统谐波的产生主要是由两大因素造成。　晶闸管整流装置和调压装置的广泛使用：如通　风机的变频器调速控制，由于变频器是由晶闸管的　③谐波电流会形成正向和反向旋转磁场，是旋转电　机产生非正常的振动力矩和转速，引起电动机的过　整流和逆变装置组成，采用的是脉宽调制技术，从电　网吸收的是“缺角”的正弦波，从而给电网留下的也　热，降低了电动机的效率，缩短寿命；④高次谐波含　量较高的电流会使断路器的开断能力降低，引起断　路器的误动作。配电回路中的谐波含量越高，造成　畸变电流在过零点时，电弧电流随时间的变化率就　要比工频时正弦波电流变化率大，断路器触头处的　电弧电压的恢复要迅速的多，使电弧容易重燃。因　是另一部分“缺角”的正弦波，同时夹杂着一部分畸　收稿日期：２０１４—０２—２０　作者简介：于秋瑞（１９７６一），男，宁夏固原人，２００２毕业于辽宁石油　化工大学电气工程学院，工程师，主要从事煤矿电气传动与自动化　控制的设计和研究。　第４期　于秋瑞　刘丽侠关于ＡＰＦ在通风系统中谐波抑制的分析与策略　４９　此，导致误跳闸或在该跳闸的时候根本不跳；⑤造成　感应式电能表计量的不准确。在谐波环境下，电能　表记录的是基波电能及部分谐波电能，后者将用电　设备性能变坏，因此用户不但要多交电费，而且电能　表也会受到损害；⑥对线路造成过载、过热、甚至烧　坏，对人的生命和财产造成威胁。　２谐波的抑制及效果　２．１谐波的抑制与策略　解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问　题，基本方法主要归纳为两条，①装设谐波补偿装置　来反向补偿谐波，这对各种谐波源都是适应的；②对　电力电子装置本身进行改造优化，使其不产生谐波，　且功率因数可控制到１．０，这种方法只适用于作为　主要谐波源的电力电子装置，主要是采用“多重化　技术”的主电路形式。　目前，谐波抑制控制的一个重要策略和趋势是　采用有源电力滤波器ＡＰＦ（Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ）。它　本身是一种电力电子装置，其基本原理是“补偿”对　象中检测出来的谐波电流，由补偿电流产生一个与　该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而　使电网电流只含有基波分量。该种方法由于采用的　是人工神经元自适应谐波电流的检测方法，所以　ＡＰＦ具有完全主动的补偿能力，对频率和幅值都变　化的谐波电流进行跟踪，且可以不受系统阻抗特性　的影响，是一种很好的谐波源抑制方法。ＡＰＦ的系　统构成框图如图１。　图１　ＡＰＦ的系统构成框图　其中ｅｓ表示交流电，负载为谐波源，它产生谐　波并消耗无功。ＡＰＦ的系统由两大部分组成：指令　电流运算电路和补偿电流发生电路（电流跟踪控制　电路、驱动电路和主电路构成）。其中指令电流运　算电路的核心作用是检测出补偿对象电流中的谐波　分量和无功等分量；补偿电流发生电路的作用是根　据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号而　产生实际的补偿电流。主电路目前均采用ＰＷＭ变　流器。　图１中ＡＰＦ的基本原理是，检测补偿对象的电　压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流　的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出　补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及　无功等电流相抵消，最终得到期望的电源电流即ｉｓ　＝ｉＬｆ。该原理可以用一组公式描述：　ｉｓ＝ｉｃ＋ｉＬ　（ａ）；　ｉＬ＝ｉｌｌ＋ｉＬｈ　（ｂ）；　ｉｃ＝一ｉＬｈ　（ｃ）；　ｉｓ＝ｉｃ＋ｉＬ＝ｉＩｄ　（ｄ）。　如果要求有ＡＰＦ在补偿谐波的同时，补偿负载　的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加　负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。　针对崔家沟矿井通风机谐波情况，设计采用了　ＥＬＥＣＯＮ公司的ＨＰＤ２０００系列谐波保护器，可以快　速准确地实时跟踪检测出谐波，并通过自适应能力　的控制算法，控制驱动装置ＩＧＢＴ实现对谐波的补　偿，ＨＰＤ２０００的工作原理框图如图２。　图２　ＨＰＤ２０００的工作原理框图　如图２所示，在断路器合闸后，ＨＰＤ２０００首先　通过预充电电阻对ＤＣ母线的电容器充电，这个过　程会持续几秒钟，以防止送电后对ＤＣ母线电容器　的瞬间冲击，母线电压ｕ。　达到额定值后，预充电接　触器闭合。　直接电容作为储能元件，为通过ＩＧＢＴ逆变器　和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量，同时，直　流电容器通过放电向内部的控制与检测即ＰＣＢ提　５０　陕西煤炭　供工作电源。　程通讯协议，完成信息上传功能。　＿ｆ●Ｉ　Ｅ１●ＨＰＤ２０００通过外部ＣＴ采集电流信号送到ＰＣＢ　的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波成　＇｜　●…ｌ…Ｉ　｛…ＩＩＩＩ‘　＿Ｉ　ＥＩｌＩＩ　ｌ＿Ｉ…ｔ１ｌ＿　＿●１ｌ＿ｌ｛＿　ｌ：　：　＿　＿　：　：　：　＾Ａ　Ａ＾　＾Ａ　矗＾　＾Ａ　矗＾　：　分送至调节和检测模块。该模块会将采集到的系统　谐波成分和ＨＰＤ２０００已发出的补偿电流比较，得到　＾　“＾＾｝　差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发ＩＧＢＴ　逆变器将补偿谐波注入电网中，从而实现谐波滤除　的功能。其控制方式的数学模型如图３所示：　Ｖ　ＶｗＶ　Ｖ　Ｖ　：　。＾　｝＾＾　以拇一　ｌ＾＾｜＾　＾　＾　；　ｖⅢ　：　－Ｖ　Ｖ　１　Ｖ　Ｖ　图４谐波抑制的仿真结果　３　结语　由于该项目的通风机电控采用变频装置进行调　速进而满足风量需求，而变频器输出的功率因数在　图３控制方式的数学模型　０．９６以上，故在变压器的低压侧则无需进行电容补　偿装置，增加的ＡＰＦ装置费用，经计算会在２～３年　由以上数学模型可以看出，这种控制方式由于　电源电流的反馈而构成闭环控制系统，只要在校正　环节中选择合适的校正系数，就可获得良好的稳态　特性。　２．２谐波抑制的仿真结果及效果　采用ＨＰＤ２０００一Ｃ工作仿真软件Ｖ３．０，以１７次　内完全收回，提高了能源的利用率及经济效益。同　时，降低了变压器、电动机的噪声污染，实现了大气　污染物的零排放，使得“绿色”电网变为现实。　参考文献：　［１］　王兆安，杨君，刘进，等．谐波抑制和无功功率补　偿（第二版）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０．　［２］钱平．交直流传动控制系统（第三版）［Ｍ］．北　京：高等教育出版社，２００９．　谐波为例，仿真结果如图４。　采用ＨＰＤ２０００谐波保护器可以同时滤除３～６５　次谐波，对目标谐波在额定负载下，有效谐波抑制能　力可达９７．５％。由于采用自适应控制算法，无需设　置谐波模式和选择滤波谐波的种类，能够自动适应　风机配电电网的阻抗变化，同时可采用Ｍｏｄｂｕｓ远　［３］　舒怀林．ＰＩＤ神经元网络及其控制系统［Ｍ］．北　京：国防工业出版社，２００６．　［４］胡崇岳．现代交流调速技术［Ｍ］．北京：机械工业　出版社，２００４．　－－４－　（下接第６０页）　采工作面的设备的供电电压提升到３　３００　Ｖ等级。　近年来，国内企业在吸收消化国外引进装备先进技　３　结语　综上可见，２０世纪后期，随着我国煤炭产品制　造业的发展，煤炭产业模式逐渐向机械化迈进。进　术的基础上，单机生产能力和可靠性都大大提高，自　动化无人工作面技术已进入煤矿生产，在适宜的煤　层和矿井条件下，综采工作面最好水平可实现年产　６００万ｔ，并已经在黄陵等大型矿井投人生产运行。　我国煤炭生产装备正向着机械化、大功率、大采高和　自动化控制的方向迈进，以往那种用人多、自动化程　度低、安全压力大等煤矿生产问题，将有望得到彻底　解决。　入２１世纪以来，计算机技术和网络技术在工业领域　的应用，煤矿采煤装备逐渐国产化，并向大功率、　ＰＬＣ控制的新型电牵引采煤机发展，工作面刮板输　送机的输送能力不断提高，液压支架支护工作阻力　超过了１０　０００　ｋＮ，支架控制走向电液控制方式，综