諧波檢測和鎖相環(huán)在礦區(qū)配電網(wǎng)中應(yīng)用

[摘 要]本文根據(jù)目前的礦區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)制約了發(fā)供電產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，礦井安全生產(chǎn)存在著隱患，從整個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和發(fā)供電產(chǎn)業(yè)鏈分析，將礦區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行方式及各種參數(shù)輸入仿真機(jī)進(jìn)行仿真計算，論述了優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，消除隱患，提高供電可靠性，為集團(tuán)公司本部永續(xù)發(fā)展提供電力支撐，具有很好的安全效益和社會效益。

[關(guān)鍵詞]諧波；優(yōu)化電網(wǎng)；鎖相環(huán)；安全；效益

中圖分類號：TM5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）31-0015-01

一、前言

在電力市場環(huán)境下，電力交易復(fù)雜多變，惡化了電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，給電力系統(tǒng)分析提出了新的挑戰(zhàn)。運(yùn)行人員必須掌握足夠的系統(tǒng)安全可靠信息，以使系統(tǒng)遠(yuǎn)離潛在的不穩(wěn)定事故。因此，迫切需要一個直觀安全可靠性分析系統(tǒng)來的定量分析和控制決策方法。

二、諧波檢測算法

目前常用的諧波檢測算法主要有頻域法、時域法等。

1、基于傅里葉變換的檢測算法

傅立葉變換可以用來對電路中各種復(fù)雜的信號進(jìn)行分解，從而得到信號中所含的諧波次數(shù)和各次諧波所占的比例，并且還能通過傅里葉變換對信號進(jìn)行頻譜分析，計算出信號中所含各次諧波的初相角以及其幅值。傅里葉變換方法被廣泛的應(yīng)用于各種電動機(jī)的故障診斷中，并且可以提取電力系統(tǒng)中常見設(shè)備如電力變壓器、發(fā)電機(jī)、電力電子交直流變流器等設(shè)備上所產(chǎn)生的周期性諧波信號分量。在一個一端口網(wǎng)絡(luò)中，如果周期性電壓和電流都為諧波信號，將一個復(fù)雜的周期信號分解成直流分量和多次不同頻率的交流分量的疊加，即可以將電壓和電流寫成如下的傅里葉級數(shù)形式。

快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform， FFT），是離散傅里葉變換的快速算法，也可用于計算離散傅里葉變換的逆變換?？焖俑道锶~變換有廣泛的應(yīng)用，如數(shù)字信號處理、計算大整數(shù)乘法、求解偏微分方程等。雖然傅里葉運(yùn)算在各個方面計算中有著重要的作用，但由于其計算過于復(fù)雜，對系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)過于龐大，而快速傅里葉變換的產(chǎn)生，使得傅里葉變換大為簡化，提高了運(yùn)算速度。

2、基于時域Fryze 理論的檢測算法

基于瞬時無功功率理論的檢測方法，但是由于包含了Park變換及其反變換，算法很復(fù)雜?；贔ryze功率理論的FBD法是由德國學(xué)者S.Fryze于1932年提出的。FBD基本思想是：把實際電路中的負(fù)載等效為各相上的等值電導(dǎo)，串聯(lián)在電路上，所有的損耗都消耗在這個等效電導(dǎo)上面，根據(jù)計算可以得出要補(bǔ)償?shù)碾娏鞣至俊?/p>

FBD直接法直接根據(jù)電網(wǎng)電壓分析負(fù)載電流，計算出基波有功電流量和基波無功電流分量，從而實現(xiàn)參考電流的計算。然而當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡或者發(fā)生畸變時，檢測結(jié)果是有影響的，所以在FBD直接法的基礎(chǔ)上，利用鎖相環(huán)（PLL）生成與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的單位參考電壓，準(zhǔn)確計算出各電流分量，這種方法被稱為FBD間接法。

三、鎖相環(huán)技術(shù)

1、鎖相環(huán)技術(shù)原理

（1）鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

鎖相環(huán)是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其將輸出信號與輸入信號的相位進(jìn)行比較，最終使輸出信號的相位等于輸入信號的相位或者使兩者相位差為一常數(shù)，實現(xiàn)輸出信號對輸入信號的跟蹤。鎖相環(huán)一般有三部分組成，鑒相環(huán)、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。鑒相器的作用是將輸入信號的相位與反饋信號的相位進(jìn)行比較，然后將兩信號的相位差輸出給環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器實質(zhì)為低通濾波器，經(jīng)低通濾波后的低頻信號加到壓控振蕩器，通過控制壓控振蕩器的電壓改變其輸出頻率從而縮小相位跟蹤誤差。

得到相位為。輸入信號與輸出信號的相位差為，經(jīng)鑒相器比較轉(zhuǎn)化為電壓信號存在如下關(guān)系：。稱為鑒相特性，鑒相特性的種類很多，有正弦特性。方波特性、鋸齒波特性等。其中應(yīng)用最多的為正弦波特性。

（2）鎖相環(huán)基本性能要求

鎖相環(huán)有兩種工作狀態(tài)即捕獲和鎖定。在捕獲過程中有兩個主要性能指標(biāo)：

A、環(huán)路的捕獲帶，即環(huán)路通過捕獲過程進(jìn)入同步狀態(tài)所允許的最大固有頻率差。

B、捕獲時間，環(huán)路由起始時刻到進(jìn)入同步狀態(tài)時刻之間的時間間隔。捕獲時間的大小一方面決定于環(huán)路參數(shù)，另一方面決定于起始狀態(tài)。一般情況下起始頻差越大，捕獲時間越長。

2、自適應(yīng)鎖相環(huán)

增益和控制著相位/頻率預(yù)測回路的的性能，其中反應(yīng)了回路的的帶寬，越大，帶寬越寬，從而響應(yīng)速度也越快。但是的增大也加深了頻率與相位的耦合。當(dāng)相位跳變較大時，這種強(qiáng)耦合就會產(chǎn)生一系列問題。為了解決這個問題，驅(qū)動頻率積分器的信號在相位跳變時必須進(jìn)行限制，一種解決方法是使增益自適應(yīng)，即根據(jù)相位誤差的大小進(jìn)行調(diào)整。理想的解決方法是相位跳變越大，增益就越小，以減小對頻率的不良影響。但是這種方法并不能夠直接實現(xiàn)，因為相位的變化是未知的變量?？梢钥闯鱿辔坏奶儠苯臃磻?yīng)于信號的誤差，相位變化越大，信號輸入誤差也就越大。因此將用代替可得自適應(yīng)調(diào)整方法：

在實際應(yīng)用中輸入信號會含有諧波成分，自適應(yīng)增益的平均值小于，因此系統(tǒng)的帶寬相應(yīng)變小，穩(wěn)態(tài)精度提高。

由于礦用無功補(bǔ)償SVG模塊一般應(yīng)用在三相系統(tǒng)中，上述自適應(yīng)方法亦可應(yīng)用到三相系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示。在三相鎖相環(huán)中，利用預(yù)測的相位對abc三相輸入信號進(jìn)行dq變換。積分增益的作用等同在增強(qiáng)型鎖相環(huán)中的作用。相當(dāng)于。幅值在鎖相環(huán)中沒有直接反應(yīng)出來，但可以通過計算出來。的作用相當(dāng)于在增強(qiáng)型鎖相環(huán)中的作用。

四、安全效益

煤礦供電安全不是直接的物質(zhì)生產(chǎn)活動。煤礦供電安全的效益是通過減少事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)的損失來體現(xiàn)其價值的。這種客觀實際一方面使社會、企業(yè)或個人遭受的無益的浪費(fèi)得以減輕，實現(xiàn)了間接增值的作用；另一方面，由于保護(hù)了煤礦生產(chǎn)的人和煤礦生產(chǎn)的技術(shù)或工具，間接地促進(jìn)了煤礦生產(chǎn)的增值。因此說，煤礦安全的效益是從物質(zhì)資料生產(chǎn)或非物質(zhì)資料生產(chǎn)的過程中間接地產(chǎn)生。

五、經(jīng)濟(jì)效益

可以有效緩解供電壓力，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，消除隱患，提高供電可靠性，為永續(xù)發(fā)展提供電力支撐，具有很好的安全效益和社會效益，也可在同行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)推廣，獲得更大的社會效益。

作者簡介

王學(xué)娥：山東能源集團(tuán)龍口煤電有限公司。出生年月：1973年11月7日，女，山東招遠(yuǎn)人，工程師，1995年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣自動化專業(yè)，本科學(xué)歷，主要從事發(fā)供用電電氣技術(shù)管理工作。