电力论文哪里有？本研究以三相三线制并联有源电力滤波器为研究对象，针对解决煤矿电力系统中的谐波治理难题，设计了一套完整的谐波综合治理方案。考虑煤矿井下大量非线性设备及大功率设备的使用，设备的正常运行对电网电能质量提出了更高的要求。
1 绪论
1.3 国内外研究现状
井下大功率器械的启停往往会造成长距离输电线路末端电压发生跌落及向系统中注入大量高次谐波污染，影响其他正常设备的安全稳定运行。因此有众多学者对煤矿供电系统中的谐波进行治理研究，主要体现在谐波电流的检测和电压外环电流内环跟踪控制策略[32]。
1.3.1 谐波检测研究现状
若要实现治理煤矿系统中的谐波，首先需要快速准确的从基波中分离和提取出谐波分量，目前常用的几种谐波检测技术有以下几种：
针对目前煤矿使用的甲烷传感器存在精度低、稳定性差、易受其他气体影响的问题,设计了一种基于谐波检测技术的激光甲烷传感器[33]。针对离散傅里叶分析法(Discrete Fourier Transform, DFT)与快速傅里叶分析法(Fast Fourier Transform，FFT)在煤矿系统中实时性的不足，文献[34]提出了一种基于RDFT的改进算法，解决了由计算或频率误差引起的收敛性问题和误差问题，同时解决了误差消除的问题；文献[35]探索了将Park变换与离散傅里叶法相融合的方法，可以对煤矿供电系统中特定次数的谐波电流进行提取。尽管此方法理论上可行，但实际操作中需进行迭代计算，且实施难度较大。
电力电子学日本学者在上世纪首次提出了瞬时无功功率的思想，并首次将其应用于谐波电流检测中。引入了瞬时有功和瞬时无功的概念，主要分为p-q检测法和ip-iq检测法两类。p-q检测法通过将电网电压进行坐标变换的方式得到瞬时功率。但是当三相电网电压发生不对称故障时，p-q法往往无法准确检测谐波电流，导致较大的误差，无法满足精度要求。而ip-iq检测法在煤矿电网发生三相不对称故障时仍然能够快速准确的检测分离出谐波分量。
3 煤矿谐波治理方案研究
3.1 并联型APF分析
3.1.1 并联型APF的工作原理
并联型APF(Shunt Active Power Filter, SAPF)基本原理如图29所示，SAPF的工作原理有以下步骤：首先，通过检测负载侧的电流，精确提取出待补偿的谐波电流指令与无功电流指令。然后这些指令用来控制PWM变换器，使其输出与指令信号完全匹配的电流波形，即PWM变换器生成与系统中检测出的谐波电流及无功电流大小相等、方向相反的补偿电流。由于PWM变换器与负载呈并联连接，当变换器输出上述补偿电流后，电网侧的电流得以正弦化，同时功率因数提升至单位值。在特定应用场景中，若仅需补偿无功电流，则指令信号为负载电流中所提取的无功分量；若仅需消除谐波，则指令信号为从负载电流中分离出谐波分量。因此，APF可灵活视为一个受控的电流源，或是一个能够根据需求产生谐波电流的发生器[64]。
SAPF系统主要由以下四个部分组成：(1)指令电流提取模块；(2)指令电流跟踪控制模块；(3)产生驱动脉动环节；(4)PWM变换模块[65]。煤矿井下中的电力电子设备装机功率通常比较大，需要频繁启停容易产生冲击性负荷，当井下负载发生变化时，容易引起煤矿系统谐波含量的增加。
4 APF系统参数设计和仿真研究
4.1 系统参数设计
4.1.1 APF侧滤波电感设计
在煤矿供电系统有源电力滤波器中，电感的设计是关键环节之一，直接影响系统的谐波补偿性能、动态响应和稳定性。APF在实际运行中存在一个主要的问题：功率半导体器件的高频开关操作会在输出补偿电流中引入纹波分量。这种高频纹波不仅降低了补偿精度，还会影响系统的整体谐波治理效果。针对这一问题，工程实践中通常采用在交流侧加装滤波电感来解决。APF交流测滤波电感的设计需要确保补偿电流能够快速跟踪指令变化和有效抑制开关纹波电流两方面因素。
有源电力滤波器（APF）在实施谐波治理过程中，其工作能量主要来源于直流母线。为了维持APF的补偿性能稳定可靠，必须对逆变器直流侧电容电压进行精确控制，使其维持在设定值附近，防止出现明显的电压波动。在直流侧电压控制系统的设计中，需要平衡多个技术指标包括综合成本、性能以及系统稳定性等多方面因素，最终直流侧电压设定为2000V。
直流侧电容的主要作用是稳定直流母线电压，为APF提供能量缓冲，并抑制电压波动。其主要的工作过程就是电容不断地充放电过程。
当APF值进行无功补偿时，瞬时有功功率保持为零，此时直流侧和交流测之间不存在能量交换，直流侧电压也保持不变，也不需要很大的电容来维持器件的开关。
4.2 APF仿真分析
为了验证第四章所提电流跟踪控制策略和直流侧电压控制策略在煤矿供电系统中的可行性，分别从煤矿供电系统正常工作和大功率设备启停时两方面进行对比分析，使用MATLAB/Simulink仿真软件对其进行仿真验证。实验相关参数如下表所示：
4.2.1 系统仿真模型搭建
在仿真平台MATLAB/Simulink中搭建相关系统仿真模型，煤矿供电APF实验平台结构如图45所示，主要由可编程电压源模块、并联逆变器模块、非线性负载模块等组成。传统锁相环仿真模型如图46所示；改进型锁相环仿真模型如图47所示；直流侧模糊自适应PI控制仿真模块如图48所示；改进型变步长LMS滤波器仿真模型如图49所示；PI+改进重复控制电流跟踪模块如图50所示；改进模型预测控制仿真模块如图51所示。
5 结论与展望
5.1 结论
本研究以三相三线制并联有源电力滤波器为研究对象，针对解决煤矿电力系统中的谐波治理难题，设计了一套完整的谐波综合治理方案。考虑煤矿井下大量非线性设备及大功率设备的使用，设备的正常运行对电网电能质量提出了更高的要求。本文所完成的具体工作如下：
1)分析煤矿电网中谐波的来源和谐波的危害，并分析了目前煤矿电网中谐波检测和电流跟踪控制的国内外研究现状，为选择合适的检测方法和电流跟踪控制策略做基础。
2)在谐波电流检测方面研究了基于瞬时无功功率理论的法，发现传统二阶Butterworth低通滤波器在提取直流分量时不能兼顾实时性和检测精度的问题，提出采用改进型变步长LMS算法构成低通滤波器模块，并通过MATLAB/Simulink模块搭建了仿真，实验结果表明所提出的改进型变步长LMS低通滤波器在检测精度和准确性上有较大提升。针对煤矿供电环境特点，分析传统锁相环在井下复杂环境中产生的锁相误差问题，提出了使用双二阶广义积分器锁相环模块，通过仿真对比煤矿工况下锁相性能，验证了双二阶广义积分器锁相环的优越性。
3)根据三相三线制并联型APF拓扑结构，详细推导了其数学模型，并根据数学模型设计了传统PI+改进重复控制谐波电流跟踪策略，由于重复控制器的积分特性，系统的动态响应速度较慢，尤其是在煤矿供电系统中大功率设备启停经常变化的工况下不能够快速对谐波指令进行跟踪。本文提出长视野模型预测电流控制策略，结合拉格朗日外推法实现谐波电流的超前预测，解决了大功率负载启停导致的非线性与时变问题，正常工况下总谐波畸变率降至2.01%，动态工况下仍保持2.77%的低畸变水平。针对APF直流侧电压波动问题，设计了模糊自适应PI控制器，相比于传统PI控制，模糊自适应PI具有更强的鲁棒性、更好的自适应能力、更小的超调量以及更快的动态响应速度，显著的降低了计算难度，提高了系统的实用性。
参考文献（略）
