В угольной промышленности такое оборудование, как тиристорные тяговые устройства и мощные трансформаторы, генерирует большое количество нелинейных нагрузок. Гармонический ток может достигать тысяч ампер, что приводит к искажению тока сети более чем на 50%. Это не только приводит к потерям от перегрева и сокращению срока службы оборудования, но и легко приводит к сбоям в работе системы защиты, создавая потенциальную угрозу безопасности. В качестве основного устройства для контроля гармоник, активный силовой фильтр ( APF ) может контролировать искажение тока сети с точностью до 5%, а его характеристики зависят от конструктивных параметров . В данной статье рассматриваются два ключевых параметра APF: напряжение шины постоянного тока и входной реактор, а также анализируется логика оптимизации в сочетании с данными моделирования и эксперимента для обеспечения справочной информации по устойчивой работе электросетей угольных шахт.
1. Понимание основ APF: топология и основные компоненты
В промышленных условиях широко применяется двухуровневый шунтирующий фильтр с фазовым фильтром (ФФ). Его конструкция использует трёхфазный источник переменного тока в качестве входного сигнала, соединяет электросеть и нелинейные нагрузки через входной дроссель, использует конденсатор постоянного тока для накопления энергии и конденсатор фильтра верхних частот для дополнительной фильтрации. Взаимодействуя с плечом моста, состоящим из силовых коммутационных устройств, он обеспечивает точное подавление гармонических токов.
С точки зрения рабочих взаимосвязей, работа АПФ должна удовлетворять двум основным логическим принципам: 1. Произведение скорости изменения трёхфазного тока компенсации, выдаваемого АПФ и входным реактором, напрямую связано с скорректированным значением коммутационного состояния плеч моста, напряжением шины постоянного тока и ЭДС сети; 2. Произведение ёмкости конденсатора на стороне постоянного тока и скорости изменения напряжения шины постоянного тока зависит от соотношения между коммутационным состоянием каждого плеча моста и соответствующим фазным током. Входной реактор определяет скорость отслеживания АПФ гармоник, напряжение шины постоянного тока обеспечивает «энергетическую поддержку» тока компенсации, а конденсатор на стороне постоянного тока используется для компенсации колебаний напряжения, учитывая как эксплуатационную стабильность, так и стоимость оборудования.
2. Ключевой параметр 1 APF: влияние напряжения шины постоянного тока на компенсацию
Напряжение постоянного тока фильтра APF является «энергетической основой» для выходного тока компенсации, что напрямую влияет на скорость отслеживания тока и точность подавления гармоник. Сравнение результатов моделирования и эксперимента наглядно демонстрирует его влияние на характеристики фильтра APF:
2.1. Балансовое соотношение между напряжением и скоростью отслеживания
При фиксированном напряжении сети и значении входного реактора способность АПФ к изменению тока увеличивается с ростом напряжения шины постоянного тока: при напряжении 1020 В требуется всего 4 цикла дискретизации, чтобы ток полностью отследил гармоническую команду; при снижении напряжения до 720 В время отслеживания увеличивается до 5 циклов. Однако следует отметить, что чрезмерно высокое напряжение приведет к увеличению выброса тока, что, в свою очередь, вызовет мгновенные колебания в сети и подорвет устойчивость компенсации АПФ.
2.2 Проверка оптимального диапазона напряжения
Для определения оптимального рабочего напряжения APF мы установили частоту дискретизации и частоту переключения APF на 12,5 кГц, входной дроссель – на 1,5 мГн, а напряжение сетки – на 360 В. Мы протестировали эффект компенсации на 6k±1-ном характеристическом гармонике (5-й, 7-й, 11-й и т. д.) при различных напряжениях:
- 650 В: общий уровень искажений составляет 3,88%, а уровни искажений 5-й, 7-й и 11-й гармоник составляют 1,52%, 1,41% и 1,42% соответственно;
- 720 В: общий коэффициент искажений составляет 3,58%, коэффициент искажений каждой гармоники составляет менее 1,3%, а ток сетки (на единицу значения) падает до 0,6156, что демонстрирует наилучший эффект компенсации;
- 790 В: Общий уровень искажений возрастает до 3,74%, а некоторые гармонические составляющие восстанавливаются.
Из этого следует, что диапазон около 720 В является оптимальным для APF, чтобы сбалансировать скорость отслеживания тока и точность компенсации, что позволяет точно адаптироваться к потребностям управления характеристическими гармониками порядка 6k±1 в электросети угольной шахты.
3. Ключевой параметр 2 АПФ: ключевые моменты выбора входного реактора
Входной реактор АПФ эквивалентен «токовому буферу», основная функция которого — подавление пульсаций тока компенсации и стабилизация скорости его изменения. Неправильный выбор напрямую повлияет на работу АПФ:
3.1 Двустороннее влияние стоимости реактора на APF
Из соотношения основной цепи APF можно вывести, что входной реактор обратно пропорционален скорости изменения тока:
- Слишком мало (1 мГн): APF имеет быструю скорость отслеживания внезапных гармонических токов (требуется всего 3 единичных периода), но пульсации тока значительно возрастают, а высокочастотные составляющие в спектре частот увеличиваются, что приводит к снижению «чистоты» тока компенсации;
- Слишком большой (3 мГн): хотя он может эффективно отфильтровывать высокочастотные пульсации и эффект отслеживания в области без внезапных колебаний стабилен, способность реагирования на внезапные токи ослаблена, а ток склонен к пикам типа «кошачье ухо», что приводит к плохой динамической компенсации;
- 1,5 мГн: сочетает в себе преимущества быстрого слежения и низкого уровня пульсаций. После компенсации общий уровень искажений тока сетки составляет всего 3,42%, а явные пики отсутствуют, что делает этот вариант оптимальным.
3.2 Оптимизация метода выбора: метод среднего значения напряжения
Традиционные методы выбора реактора (такие как метод преобразования координат и метод определения высшей гармоники) в основном рассчитаны на одну гармонику, игнорируя необходимость комплексной компенсации многочастотных гармоник. Основываясь на «методе минимального значения напряжения», мы предлагаем «метод среднего значения напряжения». Объединяя скорость изменения тока нагрузки (максимальное значение составляет около 7,0) и рабочие параметры АПФ, получаем соотношение для выбора: значение реактора должно быть меньше или равно отношению «4-кратного напряжения шины постоянного тока» к произведению «9-кратного значения скорости изменения тока нагрузки», отношения 2-кратного квадратного корня из 3 к π, угловой частоты сети и произведения квадратного корня из 3/2 на ток нагрузки».
При напряжении шины постоянного тока 720 В и токе компенсации АПФ 20 А (что соответствует току нагрузки около 66,7 А) расчетное значение реактора составляет приблизительно 1,5 мГн, что полностью соответствует результатам моделирования и может быть адаптировано к сложному сценарию нагрузки угольных шахт.
4. Экспериментальная проверка: практический эффект оптимизации параметров АПФ
Для проверки выводов об оптимизации параметров мы создали экспериментальную платформу для моделирования электросети угольной шахты: напряжение трёхфазной сети составляет 380 В, реактор на стороне АПФ – 1,5 мГн, напряжение шины постоянного тока – 720 В, частота дискретизации/коммутации – 12,5 кГц, для моделирования нелинейной нагрузки используется резистор сопротивлением 8 Ом, а в качестве управляющего ядра используется цифровой сигнальный процессор TMS320X2812. Данные собираются с помощью датчиков LEM и гармонических анализаторов FLUKE:
4.1. Обычная компенсация: значительное снижение уровня искажений
При включении и выключении АПФ в условиях неконтролируемого выпрямления данные показывают, что: при выключенном АПФ степень искажения тока сети достигает 25%; после его включения эта степень снижается до 3,9%, а форма тока становится гладкой, без явных колебаний, что свидетельствует о значительном эффекте подавления гармоник.
4.2 Резкое изменение нагрузки: стабильная динамическая реакция
При моделировании сценария внезапного изменения нагрузки в угольных шахтах (внезапное увеличение нагрузки: сопротивление от 16 Ом до 8 Ом; внезапное уменьшение нагрузки: сопротивление от 8 Ом до 16 Ом) результаты показывают, что время реакции системы APF составляет менее 20 мс (1 цикл промышленной частоты), напряжение шины постоянного тока стабильно без явных падений или выбросов, и оно может адаптироваться к требованиям частого запуска и выключения оборудования угольной шахты.
5. Заключение: оптимизация параметров APF защищает энергосистему угольной шахты
APF – это ключевое устройство для контроля гармоник и компенсации реактивной мощности в электросетях угольных шахт. Ключ к оптимизации его производительности заключается в точном контроле двух основных параметров: 1. Напряжение шины постоянного тока выбрано равным 720 В для балансировки скорости отслеживания тока и точности компенсации; 2. Входной реактор имеет номинал 1,5 мГн для обеспечения как динамической характеристики, так и подавления пульсаций. После оптимизации APF может контролировать уровень искажений тока сети в пределах 4% и динамическое время отклика в пределах 20 мс, что полностью соответствует требованиям безопасности производства на угольных шахтах.
В будущем, с ростом мощности оборудования для угольных шахт, топология и стратегия управления APF будут продолжать совершенствоваться, но оптимизация основных параметров по-прежнему будет основой повышения производительности. Мы продолжим углублять исследования и разработки технологии APF и предоставлять более эффективные и надежные решения для управления энергосетями для угольных шахт и других отраслей промышленности.
Хотите, чтобы уровень искажений тока в электросети вашей угольной шахты оставался стабильным на уровне менее 4%? Оставьте сообщение с характеристиками вашего устройства и сценарием проекта, чтобы получить руководство по выбору APF и эксклюзивные партнерские решения. Hengrong Electric CO., LTD. помогает электросетям работать безопасно и эффективно!