煤矿电网谐波分析模型的建立与滤波器设计.pdf

第3 3 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 3N o - 1 2 0 0 4 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s j t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y J a n - 2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 10 0 4 5 0 5 煤矿电网谐波分析模型的建立与滤波器设计 任子晖1 ，仇润鹤2 ，张艳3 1 ．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．东华大学信息科学与技术学院，上海2 0 0 0 5 1 3 ．中国矿业大学计算机科学与技术学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要根据煤矿用电设备的特点，给出了煤矿电网供用电设备的谐波等值电路模型，结合一个实 例讨论了煤矿供电系统谐波分析模型的建立和抑制矿井提升机变流器谐波的无源型滤波器设计 方法，研制了谐波分析和滤波器设计程序，实际应用效果和测试数据表明所建立的系统分析模型 和滤波器设计方法正确、有效． 关键词谐波} 提升机变流器；电力滤波器；等值电路 中图分类号T N7 1 3文献标识码A F o r m a t i o no fP o w e rS y s t e mH a r m o n i eM o d e lo fM i n e a n dD e s i g no fH a r m o n i cF i l t e rf o rM i n eH o i s t e r R E NZ i h u i ，Q I UR u n h e ，Z H A N GY a n 1 ．S c h o o lo fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 2 ．C o l l e g eo fI n f o r m a t i o na n dT e c h n o l o g y ，d o n g h u aU n i v e r s i t y ．S h a n g h a i2 0 0 0 5 1 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fC o m p u t e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t Al o to fm i n eh o i s t si nC h i n aa r ed r i v e nb yA C D Cc o n v e r t o r s ，w h i c hc a u s eh a r m o n i c p o l l u t i o ni np o w e rs y s t e mo fm i n e s ．O n em e t h o dt os u p p r e s sh a r m o n i cp o l l u t i o ni st oi n s t a l lp a s s i v e p o w e rf i l t e rt h a tg e n e r a l l yc o n s m t so fl o wp a s sf i k e r a l s oc a l l e dt u n e df i l t e r a n dh i g hp a s sf i h e r ． B a s e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t so fp o w e rl o a da n dd e v i c e si nm i n e ，t h em e t h o da n dp r o c e d u r eo f f o r m a t i o no fp o w e rs y s t e mh a r m o n i cm o d e la n dd e s i g no fp a s s i v ep o w e rf i l t e rf o rh o i s t e rc o n v e r t o r w e r ep r e s e n t e dt h o r o u g hap r a c t i c a li n s t a n c e ．T h ef l o wc h a r to fp r o g r a mf o rh a r m o n i ca n a l y s i sa n d f i l t e rd e s i g ns i m u l a t i n gw a sg i v e n ．T h em e t h o dd e s c r i b e di nt h i sp a p e rh a sb e e na p p l i e dt od e s i g n t h ep o w e rf i h e rf o rt h eh o i s ti nt h eP i n g d i n g s h a nC o a lC o L t d ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h ef i k e rc a n d e c r e a s eh a r m o n i c s a n di m p r o v et h ep o w e rq u a h t yo b v i o u s l ya n dt h ep r o p o s e dm e t h o da n d p r o c e d u r ea r ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e ． K e yw o r d s h a r m o n i c s ；h o i s tc o n v e r t o r Ip o w e rf i l t e r ；e q u i v a l e n tc i r c u i t 随着大容量电力电子装置在煤矿中的应用日 益广泛，我国煤矿电网中的谐波褥染日趋严重，给 煤矿供电系统和各类用电设备带来危害．消除谐波 的主要方法是在交流电源侧装设滤波装置． 当前，消除提升机变流装置的谐波是煤矿电网 谐波治理的主要目标．由于提升机是矿井的关键生 产设备，其安全运行至关重要；又因为无源型滤波 器具有结构简单、运行可靠、维护方便和投资相对 较少等优点，基于上述原因在矿井提升机谐波治理 中大多采用无源型滤波器．本文针对煤矿提升机的 运行和煤矿供电系统特点，介绍电缆、变压器、变流 器、一般负荷等采用的谐波等效电路，给出了煤矿 电网谐波分析的电路模型，结合实例讨论了矿井提 升机变流装置谐波滤波器的设计和一些特殊问题 的处理方法． 矿井提升机滤波器设计步骤为1 了解供电 收幡日期t2 0 0 3 0 3 2 9 作者筒介，任子1 珲 1 9 6 2 一 ．男，天津市人，中国矿业大学副教授，工学博士，从事煤矿电网谐波、机电设备的计算机测拉等方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 系统参数、通过测试掌握变流装置的谐波情况；z 建立系统的仿真分析模型；3 根据滤波效果要求 和无功功率补偿要求通过计算机仿真分析，计算出 各组滤波器的电抗器、电容器和电阻器的参数． 1供用电设备的谐波等值电路 为了设计滤波装置参数，应首先了解和掌握供 电系统下列资料“] ；供电系统主接线方式及主变压 器、电缆、限流电抗器等设备参数；系统最大和最小 短路容量；电网运行参数 电压、频率的变化、电压 的不对称程度等 ． 在掌握上述参数的基础上可建立供电系统和 用电设备的电路模型，以便在计算机上进行仿真分 析．煤矿常用电气设备的电路模型为 1 下井电缆的电路模型 电缆是煤矿供电系统电能传输的主要介质，其 长度一般累计在几十至上百千米．电压在1 0k V 以下时，可用电容等效，其对地容抗可用下式计算 出有功功率P 和无功功率Q ． 等值参数计算公式如下 m 一嗲， X L l 一0 ．0 7 3 R h ‰n 一丽‰ t a n9 一Q f P ． 3 4 5 6 4 供电线路的电路模型 由于为煤矿供电的输电线路较短，架空供电线 路可采用电阻和电抗串联的等效阻抗形式．按一般 架空线安装规范，架空线电抗可按o ．4n ／k m 计 算，导线电阻按下式计算嘲 r p ／s ， 7 式中P 为电阻率，铜导线为1 8 ．81 “ 2 m m z ／k i n ，铝 导线为3 1 ．5n m r z t 2 ／k i n ；S 为架空线标称截面 积，m m 2 ． 因此，架空线路阻抗可用下式计算 耻丽2 2 0 0 6 S 枷3 ， 1 式中删路磊 妯。“ ’ 式中S 为电缆截面积，m r l l 2 ；L 为电缆长度，k m ；h 为谐波次数． 2 变压器的电路模型 变压器采用电阻和电抗串联等值电路，如图1 所示，其等值电路参数可用下式计算 卜_ { 卜 一 图1 变压器的等值电路 F i g ．1E q u i v a l e n tc i r c u i to tt r a n s f o r m e r Z T R T j X n 一√hR T l j h X T l ， 2 式中R t 。为基波时变压器绕组电阻；x 。。为基波时 变压器绕组电抗． 3 其他用电负荷的电路模型 除去提升机变流器外矿上的其他负荷可采用 图2 所示的等值电路． 五， 图2 其他负荷等值电路 F i g ．2E q u i v a l e n tc i r c u i to fg e n e r a ll o a d 为了计算等效参数，需要统计未投入并联电容 器时全矿井2 4h 的有功电度和无功电度，从中减 去提升机的有功电度和无功电度，即为全矿其他负 荷的一天内的有功电度和无功电度，进而可以计算 2 滤波器的设计 2 ．1 滤波器设计的技术指标 在国家标准电能质量公用电网谐波口3 中对 不同电压等级电网的电压畸变和注入电网的各次 谐波电流都给出了具体的限定值．如。对于煤矿矿 内供电系统电压等级通常为6k V 或1 0k V ，国标 中要求其电压总畸变率T H D ．≤4 ％．滤波器不仅 要吸收谐波电流还要取代原系统中的并联电容器 起到补偿无功功率的作用．所以，滤波器设计中的 主要技术指标为 1 电压总畸变率和各次谐波电压含有率达到 国标要求． 2 注入电网的各次谐波电流不超过国标允许 值． 3 补偿无功功率，使系统的功率因数在0 ．9 ～ 0 ．9 5 ． 通过测试得到系统的谐波数据之后，将测试数 据和国家标准中的限定值比较，依据变流器谐波电 流超过限定值的情况初步确定采用几组单调谐滤 波器，通常煤矿提升机所用变流器为6 或1 2 脉动 的，其交流侧特征谐波为5 ，7 ，1 1 ，1 3 次等，一般为 消除幅值较大的低次谐波需安装单调谐滤波器．对 于高次谐波电流较大、单调谐滤波器对低次谐波电 流的吸收已达到要求而谐波电压不能满足要求时， 万方数据 第1 期任子晖等煤矿电网谐波分析模型的建立与滤波器设计 考虑安装高通滤波器．滤波器的最终形式需根据系 统电路模型的仿真分析结果确定． 2 ．2 单调谐滤波器设计 单调谐滤波器由电阻器、电抗器和电容器串联 构成，它在角频率m 时的阻抗z R j w L 一壶 ， 如果它的谐振角频率为‰，则‰一““，一了翥1 t 6 为谐波次数，m 。为额定工频角频率．滤波器的品质 因数 或称调谐锐度 g 警一丽1 ．频率偏移 失谐度d 一专≯．当L C 为定值时，调谐锐度g 越 大，阻抗一频率特性越陡，当系统频率变动，或当电 容值、电感值因温度等因素而变化时，会使滤波效 果变动较大．q 值一般取3 0 ～6 0 ．频率偏移失谐度 d 的计算公式如下 一A L △￡ d 筹 L * r C ， ∞l Z 式中幽为系统频率偏差；d 值可能为正，也可能 为负，设其绝对最大值为如，以是单调谐滤波器设 计中一个非常重要的参数． 由上述各式可推出以下关系式 c 一赤， L 然． ‰ Z R ∽一鬻 ． 当d 较小时，z 可用下式近似表示 Z R 1 j 2 庐 ． 2 ．3 高通滤波器设计 高通滤波器的电路如图3 所示，当角频率为 ‰时，其阻抗为z 产一J 乏≯ j 瓦h 而a q L R ． 述 为 图3 高通滤波器结构 F i g ．3 C i r c u i td i a g r a mo fH P F 高通滤波器的特性可以用下列两个参数来描 1 f o - 2 1 R C ， r 2 m 2 赢 ，0 为截止频率，，o 所对应的截止谐波次数h 。 。一壶一 一塾 “。一／一2 Ⅱ，1 R C R ‘ 依据上述关系可得到 ‰ h 瓦r n R X 』h 蛐一袁一象． 高通滤波器在无限大至，o 的频率范围内，它 的阻抗是与它的电阻R 同数量级的．因此，高通滤 波器的运行特性对频率失谐度是不敏感的，而且在 相当宽的频带范围内其阻抗大致相等．m 是一个直 接与q 值有关的参数，它和q 值一样，影响着滤波 器阻抗频率特性曲线的形状．参数m 的数值取在 0 ．5 ～2 的范围内；截止频率，0 一般取接近并略高 于装设单调谐滤波器的最高特征谐波频率． 2 ．4 仿真分析流程 根据滤波器参数设计原理和参数选择方法，编 制滤波器参数设计的计算机仿真程序 图4 ，它包 括供电系统的谐波情况分析和滤波器参数设计． 图4 程序流程图 F i g ．4 F l o wc h a r to ff i l t e rd e s i g n 3 实际应用 平顶山煤业集团某矿是我国煤矿中较早采用 变流器供电提升机的大型矿井，也是发现谐波危害 较早的矿井之一．主井为双箕斗提升，用两台21 0 0 k W 直流电动机拖动，由4 台17 5 0k V A 变流器供 电．为了进行谐波治理，首先进行详细的谐波测试 并了解供电系统数据，然后建立系统仿真模型，利 用滤波器设计程序进行分析设计． 3 ．1 谐波测试 为了进行滤波器的设计，除了要掌握供电系统 的资料外，还需要了解被治理系统的谐波水平和无 功功率补偿的要求． 一 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 目前，我国煤矿提升机的谐波治理大多是在已 运行的系统上进行的，系统的谐波水平可通过对被 治理对象的供电系统进行实测得到．无功功率补偿 的要求可根据原系统并联电容器的容量确定． 因为谐波测试数据是滤波器设计的重要依据， 因此测试工作要全面、细致．需要进行 1 提升机工作和提升机停止两种状态的测 试，以了解外部供电系统送入电能的质量和提升机 变流器产生谐波的程度． 2 提升机各种工况下的测试．因为提升机是 周期运行的，每提升一次要经过加速、等速、减速等 阶段；同时由于每次提升的重量不同，会有轻载运 行和重载运行之分，这样会导致变流器产生的谐波 存在着一定的差异．此外，为了了解并联电容器对 谐波的影响，还要对并联电容器投入与退出两种状 态进行测试． 我们的做法是对变流器的电压、电流用谐波分 析仪测量，同时用磁带记录仪将多点的谐波情况连 续记录下来，再用数据处理机分析，以保证能全面 观察和了解系统的谐波情况和变化程度． 治理前该矿6k V 母线电压总谐波畸变率是 6 ．7 5 蚶～9 ．1 2 ％，为国家标准允许值的两倍，注入 电网的谐波电流最大时达到国家标准允许值的8 倍，电压和电流波形畸变相当严重，6k V 母线谐波 电压和注入电网的谐波电流数据列于表1 ，2 中 寰1 谐波电压舍有率和总畸变率 T a b l e1H a r m o n i cr a t i oa n dT H Do rv o l t a g e 裹2 电流畸变情况 T a b l e2H a r m o n i cc m r e B t 分析测试结果发现1 5 ，7 ，1 1 及1 3 次特征谐 波严重超标，但其他高次谐波分量不大；2 各相谐 波不平衡，需要在检修时对交流器触发角加以整 定；3 不同运行状态下谐波电流变动很大，除与负 荷大小有关外，还与无功补偿电容器是否投入有 关，说明在特征谐波附近存在谐波放大现象．因此， 确定治理方案为只安装5 ，7 ，1 1 次三组滤波器，不 安装高通滤波器，并用1 1 次滤波器兼顾1 3 次谐波 的滤波；去掉原有的无功补偿电容器，用滤波电容 器代替． 由于测试得出的谐波电流变动很大，若以最大 电流为设计依据，将会造成滤波器容量过大，浪费 投资．为此，结合运行状态对数据进行综合分析，选 择一些代表性数据加以平均，取，。一3 ．5 8A ，I 。一 7 5 ．6 3A ，，， 2 2 ．2 7A ，，9 3 ．5 2A ，，1 1 1 9 ．0 1A ， ，1 3 1 2 ．1A ． 3 ．2 系统仿真模型的建立 该矿用电是由贾庄变电站3 5k V 母线经6 ．0 0 k m 线路送到焦庄，再经2 ．7k m 线路送到矿主变 电站，在矿主变电站降为6k v 后向提升机变流器 和其它负荷供电． 依据前面介绍的各种供用电设备的等值模型， 建立供电系统的电路模型如图5 所示．首先将与贾 庄变电站相连接的大电网看成无限大系统，于是贾 庄变电站的3 5k V 母线将通过短路电抗与无限大 系统相连．贾庄3 5k v 母线与焦庄3 5k V 母线间 输电线的电抗和电阻为x 。和R 。{ 焦庄3 5k V 母线 到矿3 5k v 变电站间输电线的电抗和电阻为x 。 和R 2 ；矿主变压器的等值阻抗为Z T R T j X T ．X t 代表下井电缆电容，R j x 。。和x 。。并联电路代表 矿上除主井提升机外的综合负荷．其平均等效值可 根据一天的平均有功功率和无功功率计算．对于全 矿用电高峰和低谷两种极限情况，可根据已记录的 2 4h 用电情况，找出对应于高峰和低谷时的有功 功率和无功功率，计算出系统在高峰 重载 和低谷 轻载 时的等值参数．变流器用谐波电流源等效． T4 韭 讹 器 图5 供电系统电路模型 F i g ．5 E q u L v a | e t x tc h _ c u i to fp o w e rs y g t e m 3 ．3 仿真结果和实际效果 将实际系统的模型参数输入计算机利用仿真 程序进行分析，分析结果显示原系统在投入无功补 偿电容器时，系统谐波阻抗在2 5 0H z 附近出现峰 值，说明在5 次谐波附近会产生谐波放大．安装滤 波器后系统的谐波阻抗在2 2 5 ，3 0 0 和5 0 0H z 附近 出现峰值，但由于谐波源的偶次谐波电流很小，不 会因谐波放大造成危害． 谐波滤波器安装后，谐波情况得到了很大的改 万方数据 第1 期任子晖等煤矿电网谐波分析模型的建立与滤波器设计 善．测量注入系统的实际谐波电流平均值如表2 所 示．6k V 母线电压总谐波畸变率为1 ．4 3 ％～ 1 ．7 6 ％，均小于国家标准规定的允许值．母线电压 波形十分接近正弦波．系统功率因数为o ．9 5 ．完全 达到了设计要求． 4 结束语 以各种供用设备的谐波等值电路为基础，通过 测量和收集需治理系统的有关数据，建立其谐波分 析模型，并利用计算机进行谐波仿真分析和滤波器 设计，使滤波器参数更合理、可靠，实践表明本文所 讨论的方法可用于矿井提升机变流器的滤波器设 计．滤波器投人运行后效果非常明显，有效地改善 了矿井的供电质量． 无源滤波器由于其结构简单、运行可靠、维护 方便和投资相对较少等特点，是目前抑制谐波的主 要手段． 无源滤波器存在着体积大等缺陷，随着电力电 子技术的发展，由无源和有源滤波器构成的混合型 滤波器是今后谐波治理发展的方向，本文中的设计 方法对其中无源滤波器的设计具有借鉴意义． 参考文献 [ 1 ] 吴竞昌．供电系统谐波[ M ] ．北京水利电力出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 何仰赞，温增银，汪馥英．等．电力系统分析[ M ] ，武 汉华中理工丈学出版社．1 9 9 6 ． [ 3 ] G B ／T 1 4 5 4 9 9 3 ，电能质量公用电网谐波[ s ] ．北京 中国标准出版社，1 9 9 4 ． 责任编辑陈其泰 4 、一_ 4 ■，、，“_ ‘■‘、，、， ‘- ‘■‘k ‘、，、，h ，o - ‘k ，、，、，h _ ‘_ ‘b ’■，、，“，’_ k 4 _ q 、，“- o - 、，h ，o q ■k 、，n ，o _ ‘- “h o 神_ _ h 4 、- 胁 ，⋯⋯⋯⋯⋯⋯、 l 翌苎妻篓兰苎戛I 苎掣 高瓦斯特厚煤层煤与卸压瓦斯共采原理及实践 俞启香，程远平，蒋承林，周世宁 中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要论述了高瓦斯低透气性有煤与瓦斯突出危险特厚煤层和上覆采动断裂带有高瓦斯涌出的 特厚煤层两种煤与瓦斯高产高效卸压共采模式、原理及其实践所取得的丰硕成果．阐明了现场考 察得出的煤层采动引起远程上覆煤层卸压变形规律与卸压瓦斯抽采规律． 万方数据