电力弹簧稳压技术在煤矿供电中的应用研究.pdf

第4 7 卷第l 0 期 煤炭工程 C 0AL E NGI NE E RI NG Vo 1 4 7， No 1 0 d o i ： 1 0 1 1 79 9 c e 2 01 5 1 0 03 4 电力弹簧稳压技术在煤矿供 电中的 应用研究 李会会，陈兆权，白 洋 ( 安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ) 摘 要 ：通过分析近年来的矿难事故 ，指 出电压失稳 已成为威胁煤矿安全运行的因素之一。 文章详细介绍 了电力弹簧的运行原理 ，进行了电力弹簧在矿用电力系统 中的稳压仿真 ，并对仿真 结果进行 了分析 ，指 出电力弹簧具有可调 电压幅值大小的特性 ，利用该特性可确保需要保护的用 电设备 电压稳定，可为矿井的安全生产提供可靠的保 障。 关键词 ：电力弹簧；煤矿安全 ；稳压技术 ；MA T L A B 中图分类号 ：T D 6 0 8 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 5 ) 1 0 - 0 1 0 8 - 0 3 El e c t r i c S pr i ng Re g ul a t o r Te c h no l o g y App l i e d i n Co a l M i ne S a f e t y a n d Re l i a bi l i t y o f Po we r S up pl y L I Hu i h u i ， C HEN Z h a oq u a n ， B AI Ya n g ( S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e ri n g ，A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e v o l t a g e i n s t a b i l i t y h a s b e c o me o n e o f t h e f a c t o r s t h r e a t e n i n g t h e s a f e o p e r a t i o n o f c o a l mi n e， a c c o r d i n g t o c o a l mi n e a c c i d e n t s i n r e c e n t y e a r s T h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e p ri n c i p al o f e l e c t ric s p r i n g ， a n d s i mu l a t e s t h e v o l t a g e s t a b i l i z a t i o n o f t h e s p ri n g i n mi n e e l e c t ri c a l p o w e r s y s t e m T h e r e s u l t s s h o w t h a t ，t h e e l e c t ri c s p ri n g c a n a d j u s t t h e v o l t a g e a mp l i t u d e c h a r a c t e r i s t i c ， S O a s t o e n s u r e t h e v o l t a g e s t a b i l i t y o f e l e c t ri c e q u i p me n t ，a n d p r o v i d e a r e l i a b l e g u a r a n t e e f o r t h e s afe t y p r o d u c t i o n o f c o al mi n e Ke y wor d s： e l e c t r i c s prin g；c o al mi ne s afe t y； v o l t a g e s t ab i l i z a t i o n； MATL AB 通过对近年来国内发生的伤亡事故原因的统计分析， 可知 ：机电事故、运输提升故障、瓦斯事故等都曾是致命 的元凶 I 3 。这些事故出现的部分原因可归结为矿井下局 域电网的大扰动引起电压失稳 ，从而直接影响供电可靠性 、 安全性 ，造成相应设备的运行故障。还有我国部分煤矿在 矿井下使用了移动通信系统，如机车跟踪信号系统等，它 们都是由井下电网供给电能 。但由于煤矿井下电网电压 的波动范围大 ，使得一些系统不能正常运行，从而致使发 生安全事故 的概 率上 升。电压 的不稳 定 已经严重 影 响了矿 井生产管理和系统的安全运行，电压的稳定性问题应得到 重视 。 为了解决这一问题，目前井下常常通过增加 S V G( 静止 无功发生器 ) 提高 电能质量 。矿 用 S V G主要 在大 功率 负荷 处就地补偿，而井下条件苛刻，线路铺设长，电气设备多， 位于补偿点下级的电网如控制系统等关键设备的供电电压 仍会按 自然降落分布，一旦受扰，上游的补偿效果有限。 本文提出利用电力弹簧来稳定对电压质量需求严格的 控制设备供电系统等。由于电力弹簧独特的拓扑构成，保 证关键性负荷电压质量而允许非关键负荷承受扰动，比 S V G在相同补偿效果下减少了成本。文中使用 MA T L A B S I MU L I N K仿真软件对所建立的模型进行数值仿真；对仿真 结果进行分析，验证了电力弹簧能稳定电压这一特性；电 收稿 日期 ：2 0 1 5 0 4 0 3 基金项目：强电磁工程与新技术 国家重点实验室开放基金 “ 大气压低功率表面波等离子体射流的放电机制研究” ( G Z 1 3 0 1 ) ；安徽高校省级 自然科学研究重点项 目 “ 基于 MI MO的矿井电磁波传播机理与关键技术研究” ( K J 2 0 1 1 A 0 7 7 ) 作者简介：李会会( 1 9 8 8一) ，女 ，河南新乡人 ，研究方向为高电压技术 ，Em a i l ：3 8 2 5 1 4 3 1 1 q q c o m。 引用格式 ：李会会 ，陈兆权 ，白洋电力弹簧稳压技术在煤矿供电中的应用研究 J 煤炭工程，2 0 1 5 ，4 7 ( 1 0 ) ： 1 0 8 1 1 0 1 08 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 0期 煤炭工程 力弹簧的稳压特性保证了电压质量，从而可以保证煤矿安 全生产 。 1 电力弹簧的运行原理 电力弹簧，E l e c t ri c S p ri n g s ，简称为E s 是香港大学许树 源教授及其研究团队近年提出的一种平衡可再生能源发电 造成的网络扰动 的新型概念技术 J 。其构建了一种独特 的拓扑结构，主要用 以维持接入点的电压稳定，而本文则 是利用电力弹簧对矿井电压质量需求严格的设备进行稳压， 比如控制系统、通风设备等。 一 般规定需要恒定的电压和不间断的电力供应的负荷 称为非耐受性负荷，又称 C负载( C ri t i c a l L o a d ) ，比如精密 仪器等重要设备用电负载。对电能质量 的变化耐受力强， 特别是能忍受系统过压或欠压，以及电压闪变、间歇性无 规律变化等电压失衡 的情况的负荷称为耐受性负荷，又称 N C负载( N o nc ri t i c a l L o a d ) ，比如照明系统等。 E s技术是将许多小容量的可控逆变电源(“ 弹簧” ) 直 接串人位于网络末端的用电负载。这些 “ 弹簧”根据系统 的实际情况 自动发出或消耗无功功率，构成了一个可以稳 定电压的分布式的 “ 弹簧网络” 。被串接含有 “ 弹簧”的 负载包括了照明系统等能够在电网受到扰动时承受电压波 动的用电设备 ，这样保护了那些未被串入 “ 弹簧”的负载 ( 通常是电压质量需求严格的设备) 其端电压的稳定性。在 矿井下大功率的机械设备的启动或关闭瞬间对电压产生大 的扰动时，电力弹簧可以起到稳定电压作用。 E S 稳压的原理是基于 E S是 电力电子器件的补偿器， 能够注入具有可调幅值大小的电压 ，与 N C负载相串联 ， 以此来调节 C负载上的电压 ，即公共耦合点 P C C的电压 。 。E S的主要拓扑结构如图 1所示 ， 与 Z L代表 了网络 电压和其等效传输阻抗 ，其负荷被归类为阻抗性质的 N C负 载与 C负载，分别对应了图中所显示的 z l与 Z 2 ，它们通 过 P C C点与系统相连接 ，E S串接在 z l ( 即N C负载) 与 P C C 点之间，因而横跨在 N C负载上的电压 成为可受调节的 变化量，显然 N C负载它们所消耗的有功功率也能够受到调 制。因此，E s和 N C负载的串联组合在效果上能够等值作 为一个智能负载，从而严格确保并管控 C负载的电压，使 其工作在电压恒定的状态之下，同时允许 E S自身的功耗变 化，并且以此参与了需求侧响应。由补偿器 E s所添加的电 压 正交于流经 E s的电流 ，确保了只存在无功功率的 交换 。 E S的两种运行模式如图2 ( a ) 所示 ， 与 代表了 N C 负载的电压与 电流 ， 为 E s的输 出 电压 ， 为系统公 共 耦合点 P C C的电压。由于 N C负载与 E S补偿器的串联关 系， 同时也是流过 E s的电流，而 N C负载两端电压 与 E s输出电压 的相量和即为 P C C点电压 。N C负载其 负荷性质可 以是纯 阻性 、阻 感 、阻容 、纯 感性 以及 纯容 性 的，因而若以 为参考相量， 相量的存在范围如在图中 图 1 E S的主要拓扑结构 Z2 所示出的那样是一个虚线绘成的半圆。而根据 目前大多数 的低压配电网末端用电负荷的实际情况，构成 N C负载的如 照明系统等均为纯阻性或阻感性负载 ，因而图中的 与 表示了涵盖大多数情况下的阻感性 N C负载的相位关系。在 图2 ( a ) 示出的 E S工作模式为电容模式。此模式对应于系 统公共耦合点 P C C点的电压低于正常值，需要补偿器提供 无 功功率以提升 电压 的 情况。 的相量 正交 于 的相 量 ， 并且 比， 0 滞后 9 0 。 ，因而 E s可以等效为一个能够动态、连 续改变其容抗大小的电容( 根据 P C C点电压的需要) ，向系 统注入无功功率 ，以提升 P C C点降低的电压。 相类似的，如图2 ( b ) 所示 ，当 E s工作在电感模式时， 往往是由于系统 P C C点的电压高于正常值，需要补偿装置 从系统吸收无功功率 ，以降低补偿点的电压。此时 E s的输 出电压 的相量超前于， o 的相量9 0 。 ，相当于一个纯电感， 并且它的感抗值可以通过控制 E s的输出电压 ； 的幅值来 动态地改变，以此来达到动 态吸收 系统无功功率，稳定 P C C点电压至正常范围的目的 J 。 L 一一一 ( a ) 电容模式 L一，一 ( b ) 电感模式 图 2 E S的两种运行模式 2 电力弹簧在矿用电力系统 中的稳压仿真和分析 2 1 E S的仿真模型建立 在矿井下大功率的机械设备的启动或关 闭，或者其他 等原因会对矿井下局域电网的电压产生 比较大的扰动，此 时电力设备的电压不稳 ，尤其是对电压质量需求严格的关 键性的控制电路等电力设备的电压不稳，可能会造成设备 的故障，严重时会影响整个矿井的安全。本文模拟了电压 等级在 1 1 4 0 V的大型机械的开启对 1 2 7 V侧的重要的控制系 统的电压影响。E S用 MA T L A B S I MU L I N K的仿真验证模 型 如图 3 所示。该模型中 L o a d l代表 1 1 4 0 V侧的用 电 负载；D i s t u r b代表 1 1 4 0 V电压侧的大功率的机械设备的启 1 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 5年第 1 0 期 动瞬间对电网电压的扰动；而与 E s串联的 N C负载 L o a d 2 则代表在矿井 中对电压变化不敏感的设备，如照 明系统 ， 运输机的电动机等设备；而 C负载 L o a d 3则代表对 电压稳 定性要求比较高的用电设备，比如重要的控制系统，当然 也可以是对矿井安全起重大作用的用电设备，如通风设备 等。 负载1 图 3 E S的仿 真模 型 模型采用连续系统变步长的 o d e l 5 s ( s t i f f N D F ) 算法来 进行仿真，仿真时间设置为 0 5 s 。模型模拟了该系统初始 稳态条件下，在 0 1 5 s时受到一扰动后公共耦合点 电压 ( P C C，既保护点电压) 的表现，对比分析了接入 E s及不接 人 E S时对系统公共耦合点电压的影响并记录其波形。 2 2 电力弹簧稳压的仿真分析 1 )不启用 E S时 P C C点的电压波形如 图 4所示。由图 4 可以看出 ，0 1 5 s 扰动来时不启用 E S时，重要 的控制系统的 电压从原来的 1 2 7 V下降到 1 1 6 V，显然这样大的电压波动会 对控制系统等产生影响，甚至会造成安全事故的发生。 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 时间 s 图 4 不启用 E S时 P C C点电压变化 2 )启用 E S时 P C C点 的 电压 波形 如图 5所示 。由图 5 可以看出，0 1 5 s 扰动来时启用 了E s时，电压出现少许波 动，但 E s 很快会使电压稳定到原来的 1 2 7 V；稳定的电压 可以保障设备的正常运行，从而减少事故的发生。 1 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 时间 s 图 5 启用 E S时 P C C点 电压变化 3结语 本文介绍了电力弹簧及其运行原理，并把电力弹簧运 用到对矿井电压质量需求严格设备的稳压。通过对电力弹 簧在 MA T I AB s I M u uN K仿真，分析其仿真波形，可以得 出电力弹簧 E s在大功率机械设备开关等扰动时，可以快速 响应并将系统 P C C点的电压稳定在正常值，也就是保护了 对电压质量需求严格的重要设备电压稳定，从而可以保障 矿井安全，保障生产的安全进行，对矿井长治久安起到重 要意义。 参考文献 ： 1 林柏泉 ，常建华 ，翟成我国煤矿 安全 现状及应 当采 取 的对策分 析 J 中国安全科学学报 ，2 0 0 6 ( 5 ) ：4 24 6 2 韩斌君我国煤矿安全事故致因研究 D 上海 ：同济 大 学 ，2 0 0 7 3 宋文 ，黄强 ，樊荣 ，等 预防煤矿机 电和提升运输 事故的安全策略与关键技术 J 矿业安全 与环保 ，2 0 0 9 ( 6 ) ：2 0 0 2 0 2 4 樊荣 ，宋文 ，黄强矿井 无线通信 系统研究与发 展 J 西安科技大学学报 ，2 0 1 0，3 0 ( 4 ) ：4 7 1 4 7 4 5 S YHu i ，C K L e e ，F F Wu E l e c t ri c s p r i n g s -a n e w s m a r t d t e c h n o l o g y J I E E E T r a n s a c t i o n s o n S m a r t G r i d ，2 0 1 2 ，3 ( 3 ) ：1 5 5 21 5 6 1 6 C K Lee ，S YHu i R e d u c t i o n o f e n e r gy s t o r a g e r e q u i r e m e n t s i n f u t u r e s m a r t g ri d u s i n g e l e c t ri c s p ri n g s J I E E E T r a n s a c t i o n s o n S ma r t G ri d ，2 0 1 3 ，4 ( 3 ) ：1 2 8 21 2 8 8 7 C K L e e ，BC h a u d h u r i ，S Y H u i H a r d w a r e a n d c o n t r o l i mp l e me n t a t i o n o f e l e c t ri c s p rin g s f o r s t a b i l i z i n g f u t u r e s ma r t d w i t h i n t e r mi t t e n t r e n e w a b l e e n e r gy s o u r c e s J I E E E J o u r n a l o f Eme r g i n g a n d S e l e c t e d T o p i c s i n P o we r El e c t r o n i c s ， 2 0 1 3 ，1 ( 1 ) ：1 8 2 7 8 X L u o ，A k h t ar，C K L e e ，e t a 1 D i s t ri b u t e d v o l t a g e c o n t r o l w i t h e l e c t ri c s p ri n g s ：c o m p a r i s o n w i t h S T A T C O M J I E E E T r a n s a c t i o n s o n S m a r t G r i d ，2 0 1 5 ，6 ( 1 )：2 0 9 2 1 9 9 S CT a n，C KLee ，S Y H u i G e n e r a l s t e a d y s t a t e a na l y s i s a n d c o n t r o l p rin c i p l e o f e l e c t ri c s p rin g s w i t h a c t i v e and r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n s J I E E E T r ans a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s ，2 0 1 3 ，2 8 ( 8 ) ：3 9 5 83 9 6 9 1 0 NR C h a u d h u ri，C K Lee ，B C h and h u ri，e t a1 D y n a mi e m o d e l i n g o f e l e c t ri c s p ri n g s J I E E E T r a n s a c t i o n s o n S ma r t G r i d ，2 0 1 4，5 ( 5 ) ：2 4 5 02 4 5 8 1 1 L i u ，We i ，K a i H e ，C h e n gYin L i u ，Q u n G a o ，a n d Y uh u a Ya n Co a l g a n g u e i n t e r f a c e d e t e c t i o n b a s e d o n Hi l b e r t s p e c t r a l a n a l y s i s o f v i b r a t i o n s d u e t o r o c k i mp a c t s o n a l o n g wall mi n i n g ma c h in e J P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f M e c h a n i c al E n gin e e ，P a r t C：J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g S c i e n c e ， 2 0 1 4 ( 责任编辑赵巧芝) 如 m 、 幽印 如 ： 。 加 之 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m