CN105870937A - 直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法及装置 - Google Patents

直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法，所提供的直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法，首先根据实验预设无功补偿运行图，并存于无功补偿装置的运行图预设与控制模块中。提升机在行过程中，无功补偿运行图选择模块根据运行方向、载荷及速度的大小自动选择一种无功补偿运行图，然后无功补偿控制器按照运行图进行无功调节，特别是在提升机运行工作阶段转换前，即运行速度和无功需求发生较大改变前，超前（50ms）操作无功补偿装置动作，避免出现过补偿或完全补偿。该方法能够实现对直流驱动提升机无功的超前补偿，通过采用智能控制算法能实现无功的快速、准确补偿，且具有良好的鲁棒性，能够有效减少内部和外部干扰对系统稳定性的影响，保证了功率因数在0.95～0.98范围内波动。

Description

直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及一种直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法及装置。
背景技术
可控整流的大型直流拖动提升机具有调速性能好，调速范围宽，启动和制动转矩大，低速转矩大，运行平稳和高效等特点，目前已广泛应用于矿山企业。然而提升机在运行过程中，速度频繁变化、产生的无功需求会对电网造成较大的冲击，需要安装无功补偿装置。目前采用的无功补偿装置主要有开关投切固定电容、静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器SVG、磁控式动态无功补偿装置等类型，这些无功补偿装置均是在测量到无功发生变化后，再投入相应的补偿元件,补偿控制装置从测得无功变化到完成补偿元件的投入，存在至少约20ms的响应时间和补偿元件的投入时间，其滞后时间较长，造成提升机从一种工作阶段向另一个工作阶段转换时，无功补偿装置可能产生过补偿或完全补偿，造成过电压，从而引起安全事故。
发明内容
本发明克服上述现有技术中的不足提供一种在提升机运行工作阶段转换前超前50ms操作无功补偿装置动作从而避免出现过补偿或完全补偿直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法及装置。
本发明的技术方案是这样实现的：一种直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法，其特征在于：上述直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法包含下列步骤：
步骤一、根据实验预设无功补偿运行图；通过在线实验，实测从满载到轻 载以及空载的n种负载下，提升机在提升或下放物料时，运行在不同的工作阶段的所需的无功功率大小；为了防止出现过补偿现象，采用无功功率控制，利用功率因数作为限制条件，按式(1)确定提升机提升或下放时每档负载下不同速度段的无功补偿容量，生成无功补偿运行图，并存入无功补偿控制装置中；
0.95 ≤ C O S φ = P c a P c a 2 + ( Q c a - Q c ) 2 ≤ 0.98 - - - ( 1 )
式(1)中，Pca为提升机运行时的有功功率，Qca为提升机运行时的无功功率，Qc为无功补偿容量，轻载时功率因数取0.95，重载时功率因数取0.98；
步骤二、选取无功补偿运行图；在提升机运行过程中，无功补偿运行图选择装置根据实测载荷，并按式(2)确定该载荷所属于档数，最后根据运行方向，选取对应的无功补偿运行图；
n i = [ W i W N × 30 + 0.5 ] - - - ( 2 )
式(2)中，Wi为提升机的运行载荷；WN为提升机的额定载荷；
步骤三、无功补偿控制器装置实时计算提升机的运行时间，在转换前50ms无功补偿控制器模块按照所选择的无功补偿运行图的下一个工作段所需补偿的无功功率超前调整TCR支路中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qc，避免提升机运行进入下一个工作段时出现过补偿和完全补偿；
步骤四、在线检测提升机所需的无功和补偿后电源进线处的功率因数大小，分析其补偿效果，并对原无功补偿运行图进行修正，存入控制装置中，以便下次用。
一种直流驱动提升机的无功超前预测补偿装置，该装置包括提升机的主电机、信号检测电路、无功补偿装置主回路、TCR晶闸管控制开关及无功补偿控制装置；
所述无功补偿装置主回路与提升机的主电机之间通过TCR晶闸管控制开关相连，用以补偿提升机主电机的无功功率；
无功补偿控制装置的信号输出与TCR晶闸管控制开关相连，控制TCR晶闸管的开断；
信号检测电路包括无功功率传感器、有功功率传感器、编码器、压力传感器，实时检测提升机主电机的有功功率、无功功率、功率因数、速度及载荷，并转换成电信号输入到无功补偿控制装置；
所述无功补偿控制装置主要由数字处理芯片和相应外围辅助电路构成，所述的数字处理芯片内部集成有软件算法程序，按软件模块划分，包括：无功补偿运行图预设和修正模块、无功补偿运行图选择模块、无功补偿调节模块及TCR晶闸管触发控制模块；所述无功补偿运行图预设和修正模块与所述无功补偿运行图选择模块相连接，所述无功补偿运行图选择模块与所述无功补偿调节模块相连接，所述无功补偿调节模块与所述TCR晶闸管触发控制模块相连接；所述无功补偿运行图预设和修正模块上还连接无功补偿运行图存储模块，所述无功补偿运行图存储模块与所述无功补偿运行图选择模块相连接；
无功补偿运行图预设和修正模块主要用于：一、通过在线实验，实测从满载到轻载以及空载的n种负载下，提升机在提升或下放物料时，运行在不同的工作阶段的所需的无功功率大小，采用无功功率控制，利用功率因数作为限制条件，按式(1)确定提升机提升或下放时每档负载下不同速度段的无功补偿容量，生成无功补偿运行图，并存入无功补偿运行图存储模块中；二、在线检测提升机所需的无功和补偿后电源进线处的功率因数大小，分析其补偿效果，并对原无功补偿运行图进行修正，存入无功补偿运行图存储模块中，以便下次使用；
所述无功补偿运行图选择模块用于根据载荷和运行方向从无功补偿运行图 存储模块中选择匹配的无功补偿运行图并将该无功补偿运行图输出至所述无功补偿控制器模块；
所述无功补偿控制器模块用于根据给定无功功率和反馈的SVC装置无功超前调整TCR晶闸管触发控制模块中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qc。
在提升机运行过程中，无功补偿运行图选择模块通过传感器实测载荷，并按式(2)确定该载荷所属于档数，最后根据运行方向，从无功补偿运行图存储模块中选取对应的无功补偿运行图作为无功补偿控制器模块4的给定无功功率。
所述的功补偿控制器模块采用智能控制算法，如模糊控制算法或神经网络，在转换前50ms按照所选择的无功补偿运行图的下一个工作段所需补偿的无功功率超前调整TCR晶闸管触发控制模块5中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qc，避免提升机运行进入下一个工作段时出现过补偿和完全补偿。
提升机是按如图1所示的运行速度图工作，运行在不同的工作阶段从电网获取的无功功率以及功率因数是不同的，如表1所示，表1为一台2100kW直流电动机拖动的矿用提升机额定负载时，运行在各工作阶段的整流变压器一次侧的所需功率。
表1 提升机在各工作阶段的整流变压器一次侧的功率表
由表l可见，提升机运行在主加速阶段时，虽然速度很低，但无功冲击最大，电动机从电网取用的视在功率也很大：在等速阶段，提升速度最大，电动机的有功功率基本维持在额定值，而无功功率大幅度降低，视在功率相对主加速阶 段大幅度减低；在减速阶段，由于电流的减小，有功和无功均进一步降低；在爬行阶段，有功和视在功率略有增加。在停车抱闸阶段，由于存在制动，电动机的电流有所增加，但电动机转速减小很快，电动机从网侧取用的无功功率和有功功率都比较小。
分析图1和表1可知，直流电动机驱动的矿用提升机在运行过程中，产生的无功需求随速度频繁变化，另外提升机在各工作阶段的无功功率还与提升机的负载有关。为此，本发明根据提升机的当前载荷大小和运行方向(提升或下降物料)，以及不同运行速度所需的无功大小，预先设置了2n个无功补偿运行图，即提升物料和下放物料各设n个(n越大补偿精度越高、快速性越好，本发明以n＝30为例进行说明)，分别覆盖了从满载到轻载以及空载等负荷情况。
本发明的技术方案产生的积极效果如下：本发明提供的直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法及装置首先根据实验预设无功补偿运行图，提升机在行过程中，无功补偿运行图选择模块根据提升机运行方向、载荷及速度的大小自动选择一种无功补偿运行图，然后无功补偿控制器按照运行图进行无功调节，特别是在提升机运行工作阶段转换前，即运行速度和无功需求发生较大改变前，超前(50ms)操作无功补偿装置动作，避免出现过补偿或完全补偿。
附图说明
图1为本发明的提升机运行速度图。
图2为本发明的无功超前预测补偿方法的基本原理图。
图3为本发明的无功补偿模糊控制器结构原理图。
具体实施方式
实施例一
一种直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法，如图1、2、3所示，包含下列步骤：
步骤一、根据实验预设无功补偿运行图；通过在线实验，实测从满载到轻载以及空载等30种负载下，提升机在提升或下放物料时，运行在不同的工作阶段(不同速度下)的所需的无功功率大小；为了防止出现过补偿现象，采用无功功率控制，利用功率因数作为限制条件，按式(1)确定提升机提升或下放时每档负载下不同速度段的无功补偿容量，生成无功补偿运行图，并存入无功补偿运行图预设和修正模块中；
0.95 ≤ C O S φ = P c a P c a 2 + ( Q c a - Q c ) 2 ≤ 0.98 - - - ( 1 )
式(1)中，Pca为提升机运行时的有功功率，Qca为提升机运行时的无功功率，Qc为无功补偿容量，轻载时功率因数取0.95，重载时功率因数取0.98；
步骤二、选取无功补偿运行图；在提升机运行过程中，无功补偿运行图选择模块根据实测载荷，并按式(2)确定该载荷所属于档数，最后根据运行方向(提升或下放)，选取对应的无功补偿运行图；
n i = [ W i W N × 30 + 0.5 ] - - - ( 2 )
式(2)中，Wi为提升机的运行载荷；WN为提升机的额定载荷。
步骤三、无功补偿控制器装置实时计算提升机的运行时间，在转换前50ms无功补偿控制器模块按照所选择的无功补偿运行图的下一个工作段所需补偿的无功功率超前调整TCR支路中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qf，避免提升机运行进入下一个工作段时出现过补偿和完全补偿。
步骤四、在线检测提升机所需的无功和补偿后电源进线处的功率因数大小，分析其补偿效果，并对原无功补偿运行图进行修正，存入控制装置中，以便下次用。
所述的无功补偿控制器可采用智能控制算法(如模糊控制算法，神经网络等)确定TCR支路中晶闸管的导通角，从而实现SVC所输出的无功功率Qf的调整，本发明以模糊控制算法为例说明提升机无功补偿装置的驱动方法。
模糊控制算法如图3所示。图3中：Qr为由无功补偿运行图所给出的无功补偿设定值；为无功补偿装置所输出的无功。模糊控制器选择补偿无功偏差e及其变化率ec作为输入变量,选择SVC的TCR支路所需输出的无功功率Qtcr作为模糊控制器的输出变量。TCR支路输出的无功功率Qtcr通过晶闸阀的触发控制单元,调节其晶闸管触发角度α得以实现。
(1)输入/输出变量模糊化：将补偿无功偏差e及其变化率ec、TCR支路所需输出的无功功率Qtcr的变化范围设定为[-7,+7]区间连续变化量,使之离散化,构成含15个整数元素的离散集合:{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}。
设e、ec、Qtcr的变化范围分别为：[Qm,Q0]，[△Qm,△Q0]，[Qtcrm,Qtcr0]。则图3中所示的三个比例因子分别为：
Ke＝14/(Qm-Q0),Kec＝14/(△Qm-△Q0),Kc＝(Qtcrm-Qtcr0)/14。
三个输入/输出模糊量的语言定义为{负大(NB),负中(NM),负小(NS),零(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB)},隶属度函数采用三角形。
(2)模糊控制规则：模糊控制规则可以用如下模糊语句的形式来描述:
IF A1 is NB AND A2 is NB THEN B is NM。
(3)模糊推理：采用Mamdani推理法。即：已知模糊蕴含关系A→B的关系矩阵,对给定的A′,A′∈U,则可推得结论B′∈V,且B′为：
B ′ = S U P u ∈ U { A ( u ) · Λ ( A ( u ) Λ B ( u ) } - - - ( 3 )
(4)解模糊：采用重力中心法对被控量进行解模糊,得到SVC的TCR支路所需输出的无功功率Qtcr。其计算方法为：
Q t c r = ∫ μ B ( y ) y d y ∫ μ B ( y ) d y - - - ( 4 )
综上所述，本发明能够实现对直流驱动提升机无功的超前补偿，通过采用智能控制算法能实现无功的快速、准确补偿，且具有良好的鲁棒性，能够有效减少内部和外部干扰对系统稳定性的影响，保证了功率因数在0.95～0.98范围内波动。
实施例二
一种直流驱动提升机的无功超前预测补偿装置，如图1、2、3所示，该装置包括提升机的主电机、信号检测电路7、无功补偿装置主回路6、TCR晶闸管控制开关及无功补偿控制装置；
所述无功补偿装置主回路与提升机的主电机之间通过TCR晶闸管控制开关相连，用以补偿提升机主电机的无功功率；
无功补偿控制装置的信号输出与TCR晶闸管控制开关相连，控制TCR晶闸管的开断；
信号检测电路包括无功功率传感器、有功功率传感器、编码器、压力传感器，实时检测提升机主电机的有功功率、无功功率、功率因数、速度及载荷，并转换成电信号输入到无功补偿控制装置；
所述无功补偿控制装置主要由数字处理芯片和相应外围辅助电路构成，所述的数字处理芯片内部集成有软件算法程序，按软件模块划分，包括：无功补偿运行图预设和修正模块1、无功补偿运行图选择模块3、无功补偿调节模块4及TCR晶闸管触发控制模块5；所述无功补偿运行图预设和修正模块与所述无功补偿运行图选择模块相连接，所述无功补偿运行图选择模块与所述无功补偿调节模块相连接，所述无功补偿调节模块与所述TCR晶闸管触发控制模块相连 接；所述无功补偿运行图预设和修正模块上还连接无功补偿运行图存储模块2，所述无功补偿运行图存储模块与所述无功补偿运行图选择模块相连接；
无功补偿运行图预设和修正模块主要用于：一、通过在线实验，实测从满载到轻载以及空载的n种负载下，提升机在提升或下放物料时，运行在不同的工作阶段的所需的无功功率大小，采用无功功率控制，利用功率因数作为限制条件，按式(1)确定提升机提升或下放时每档负载下不同速度段的无功补偿容量，生成无功补偿运行图，并存入无功补偿运行图存储模块中；二、在线检测提升机所需的无功和补偿后电源进线处的功率因数大小，分析其补偿效果，并对原无功补偿运行图进行修正，存入无功补偿运行图存储模块中，以便下次使用；
所述无功补偿运行图选择模块用于根据载荷和运行方向从无功补偿运行图存储模块中选择匹配的无功补偿运行图并将该无功补偿运行图输出至所述无功补偿控制器模块；
所述无功补偿控制器模块用于根据给定无功功率和反馈的SVC装置无功超前调整TCR晶闸管触发控制模块中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qc。
在提升机运行过程中，无功补偿运行图选择模块通过传感器实测载荷，并按式(2)确定该载荷所属于档数，最后根据运行方向，从无功补偿运行图存储模块中选取对应的无功补偿运行图作为无功补偿控制器模块4的给定无功功率。
所述的功补偿控制器模块采用智能控制算法，如模糊控制算法或神经网络，在转换前50ms按照所选择的无功补偿运行图的下一个工作段所需补偿的无功功率超前调整TCR晶闸管触发控制模块5中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qc，避免提升机运行进入下一个工作段时出现过补偿和完全补偿。

Claims (4)

1.一种直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法，其特征在于：上述直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法包含下列步骤：
步骤一、根据实验预设无功补偿运行图；通过在线实验，实测从满载到轻载以及空载的n种负载下，提升机在提升或下放物料时，运行在不同的工作阶段的所需的无功功率大小；为了防止出现过补偿现象，采用无功功率控制，利用功率因数作为限制条件，按式(1)确定提升机提升或下放时每档负载下不同速度段的无功补偿容量，生成无功补偿运行图，并存入无功补偿控制装置中；
0.95 ≤ C O S φ = P c a P c a 2 + ( Q c a - Q c ) 2 ≤ 0.98 - - - ( 1 )
式(1)中，Pca为提升机运行时的有功功率，Qca为提升机运行时的无功功率，Qc为无功补偿容量，轻载时功率因数取0.95，重载时功率因数取0.98；
步骤二、选取无功补偿运行图；在提升机运行过程中，无功补偿运行图选择装置根据实测载荷，并按式(2)确定该载荷所属于档数，最后根据运行方向，选取对应的无功补偿运行图；
n i = [ W i W N × 30 + 0.5 ] - - - ( 2 )
式(2)中，Wi为提升机的运行载荷；WN为提升机的额定载荷；
步骤三、无功补偿控制器装置实时计算提升机的运行时间，在转换前50ms无功补偿控制器模块按照所选择的无功补偿运行图的下一个工作段所需补偿的无功功率超前调整TCR支路中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qc，避免提升机运行进入下一个工作段时出现过补偿和完全补偿；
步骤四、在线检测提升机所需的无功和补偿后电源进线处的功率因数大小，分析其补偿效果，并对原无功补偿运行图进行修正，存入控制装置中，以便下次用。
2.一种用于权利要求1所述的直流驱动提升机的无功超前预测补偿方法的装置，其特征在于：该装置包括提升机的主电机、信号检测电路、无功补偿装置主回路、TCR晶闸管控制开关及无功补偿控制装置；
所述无功补偿装置主回路与提升机的主电机之间通过TCR晶闸管控制开关相连，用以补偿提升机主电机的无功功率；
无功补偿控制装置的信号输出与TCR晶闸管控制开关相连，控制TCR晶闸管的开断；
信号检测电路包括无功功率传感器、有功功率传感器、编码器、压力传感器，实时检测提升机主电机的有功功率、无功功率、功率因数、速度及载荷，并转换成电信号输入到无功补偿控制装置；
所述无功补偿控制装置主要由数字处理芯片和相应外围辅助电路构成，所述的数字处理芯片内部集成有软件算法程序，按软件模块划分，包括：无功补偿运行图预设和修正模块、无功补偿运行图选择模块、无功补偿调节模块及TCR晶闸管触发控制模块；所述无功补偿运行图预设和修正模块与所述无功补偿运行图选择模块相连接，所述无功补偿运行图选择模块与所述无功补偿调节模块相连接，所述无功补偿调节模块与所述TCR晶闸管触发控制模块相连接；所述无功补偿运行图预设和修正模块上还连接无功补偿运行图存储模块，所述无功补偿运行图存储模块与所述无功补偿运行图选择模块相连接；
无功补偿运行图预设和修正模块主要用于：一、通过在线实验，实测从满载到轻载以及空载的n种负载下，提升机在提升或下放物料时，运行在不同的工作阶段的所需的无功功率大小，采用无功功率控制，利用功率因数作为限制条件，按式(1)确定提升机提升或下放时每档负载下不同速度段的无功补偿容量，生成无功补偿运行图，并存入无功补偿运行图存储模块中；二、在线检测提升机所需的无功和补偿后电源进线处的功率因数大小，分析其补偿效果，并对原无功补偿运行图进行修正，存入无功补偿运行图存储模块中，以便下次使用；
所述无功补偿运行图选择模块用于根据载荷和运行方向从无功补偿运行图存储模块中选择匹配的无功补偿运行图并将该无功补偿运行图输出至所述无功补偿控制器模块；
所述无功补偿控制器模块用于根据给定无功功率和反馈的SVC装置无功超前调整TCR晶闸管触发控制模块中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qc。
3.根据权利要求2所述的直流驱动提升机的无功超前预测补偿装置，其特征在于：在提升机运行过程中，无功补偿运行图选择模块通过传感器实测载荷，并按式(2)确定该载荷所属于档数，最后根据运行方向，从无功补偿运行图存储模块中选取对应的无功补偿运行图作为无功补偿控制器模块4的给定无功功率。
4.根据权利要求2所述的直流驱动提升机的无功超前预测补偿装置，其特征在于：所述的功补偿控制器模块采用智能控制算法，如模糊控制算法或神经网络，在转换前50ms按照所选择的无功补偿运行图的下一个工作段所需补偿的无功功率超前调整TCR晶闸管触发控制模块5中晶闸管的导通角，改变SVC所输出的无功功率Qc，避免提升机运行进入下一个工作段时出现过补偿和完全补偿。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Wang Fuzhong

Inventor after: Gao Caixia

Inventor after: Du Baoyu

Inventor after: Zhu Yunhua

Inventor after: Qia Penghui

Inventor after: Zhu Ruiqing

Inventor after: Wang Xin

Inventor before: Wang Fuzhong

Inventor before: Gao Caixia

Inventor before: Chen Hao

Inventor before: Zhu Yunhua

Inventor before: Qia Penghui

Inventor before: Zhu Ruiqing

Inventor before: Wang Xin

GR01 Patent grant
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20190215

Termination date: 20210505