煤礦井下電力系統諧波與無功功率綜合補償的研究

盧軍曉，王富元

（中平能化集團一礦機電四隊，河南 平頂山 467000）

為了節約電能，主井的絞車、副井絞車、主扇風機、皮帶機等，均采用了變頻調速，晶閘管產生的諧波，對煤礦礦井電網帶來了極大危害。不論從保護電力系統安全經濟運行出發，還是從保證設備安全運行來看，推動諧波治理意義重大。由于無功功率與諧波有密切的關系，諧波的存在，會影響負載和電網的無功功率。各種電力電子裝置，目前已經成為電力系統最主要的諧波源，由于其功率因數也很低，需要消耗大量的無功。因此，對電網諧波采取有效抑制，并對無功功率進行動態補償，已成為重要的研究方向。

1 諧波的危害

諧波對礦井供電的危害是多方面的，其主要方面為：

（1）諧波的增加，使供電系統可能發生諧振。最常見的諧波諧振，是在接有諧波源的用戶母線上，因為母線上除了諧波源外，還有電力電容、供電變壓器及電動機等負載，一旦發生諧振，將會發生系統過電壓而擊穿絕緣。

（2）對旋轉電機的影響。諧波電壓或諧波電流在定子繞組、轉子回路及定子與轉子鐵心中產生附加損耗。

（3）對變壓器的影響。諧波電壓可使變壓器的磁滯及渦流損耗增加，使絕緣材料承受的電氣應力增大，而諧波電流使變壓器的銅耗增加，這種危害對換流變壓尤為嚴重。

（4）對電容器和電纜的影響。在諧波電壓作用下，使電容器產生額外的功率損耗。電容器對供電系統其他部分產生串聯、并聯諧振，可能產生危險的過電壓及過電流，這往往引起電容器熔絲熔斷或使電容器損壞，使電力電纜絕緣損壞。

（5）對斷路器運行的影響。諧波含量較多的電流，將使斷路器的遮斷能力降低。

（6）導致繼電保護誤動。由于諧波的存在，將大大消弱差動繼電器快速動作，嚴重影響供電設備、自動化裝置安全可靠的運行。

2 無功補償的現狀

無功補償的主要作用，包括穩定電壓、減少設備容量和功率損耗、提高供電質量、提高系統輸電穩定性和輸電能力等。

（1）同步電機。同步電機包括同步發電機、同步電動機及同步調相機。同步發電機正常運行時，滯后功率因數運行，向系統提供無功，必要時減小勵磁電流，使功率因數超前，吸收多余的無功；同步電動機通過調整勵磁電流，改變輸出的無功電流大小和方向，成本高，安裝復雜，維護困難；同步調相機是空載運行的同步電機，其能在欠勵或過勵的情況下，向系統吸收或發出無功，但其有功損耗大，響應速度慢，運行維護復雜。

（2）并聯電容器。并聯電容器目可根據系統所需無功的多少，自動投切補償電容，功耗小，裝設靈活，但容易出現過補償或欠補償。

（3）靜止無功補償器。靜止無功補償器由晶閘管控制投切的電抗器和電容器組成，其能快速平滑地滿足無功補償的需要，但由于晶閘管控制對電抗器的投切過程中會產生諧波。

（4）靜止無功發生器。靜止無功發生器最基本的電路，是三相橋式變流電路，其不需要大容量的電抗器和電容器等儲能元件，只需在其直流側安裝較小容量的電容器，便可維持其電壓，通過采用PWM控制，靜止無功發生器即可發出無功功率，也可吸收無功功率，但控制系統比較復雜。

（5）有源電力濾波器。有源電力濾波器可在濾波的同時，進行無功補償，它可連續調節且響應迅速，既可對一個諧波和無功源進行單獨補償，也可對多個諧波和無功源進行集中補償，但成本較高，實現復雜。

3 諧波和無功電流檢測ip-iq檢測法

目前基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法ip-iq法，在電力系統中得到了廣泛的應用，該方法的諧波和無功電流檢測原理見圖1所示。

圖1 ip-iq檢測法原理圖

圖1中，

引入有功電流ip和無功電流iq定義如下：

該方法諧波檢測過程如下：

當要檢測諧波和無功電流之和時，只需要斷開圖1中計算iq的通道即可。而如果只需檢測無功電流，則僅對iq進行反變換即可。

由上面的分析結果可知，對于三相交流電流，只要電網電壓波形發生畸變，而不論三相電壓、電流是否對稱，按ip-iq運算方式檢測時，由于只取sinωt、-cosωt參與運算，畸變電壓的諧波成分在運算過程中不出現，因而檢測結果不受電壓波形畸變的影響，所以采用基于瞬時無功功率的ip-iq檢測方式，對諧波和無功電流進行檢測。

4 諧波和無功功率綜合補償裝置

由于無功補償裝置TCR本身也是一個諧波源，其在有效的補償容性負載產生的電流時，同時產生了大量的奇次諧波，加重了諧波污染。所以對接入電網的TCR必須裝設并聯的濾波器，從而減少注入到系統的諧波電流。無功和諧波綜合補償方案如圖2所示。

圖2 無功與諧波綜合補償系統結構圖

該系統主要由TCR、無源電力濾波器、有源電力濾波器組成，三相TCR采用三角形方式連接，TCR與無源電力濾波器，共同組成一個靜止的無功補償裝置，作為傳統的無功功率補償器，通過改變晶閘管觸角延遲角，輸出容性或感性無功功率，以平衡負載和校正功率因數。

但無源電力濾波器的主要缺點，是補償特性受電網阻抗和運行狀態的影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，而且其只能補償固定頻率的諧波，補償效果不理想。

有源電力濾波器能克服無源電力濾波器的缺陷，但是其安裝容量受開關器件容量的限制，將無源電力濾波器和有源電力濾波器串聯，組成混合型有源電力濾波器，可以取兩者之長，補其之短。其主要起濾除和減弱TCR工作時所產生的5、7、11等次諧波，同時能夠對無功電流進行有效的補償。本裝置對電網諧波和無功補償進行綜合補償，即可保證無功功率的補償，又能有效地抑制補償裝置自身的諧波和系統負載的諧波，能夠更好的降損節能，具有較好的實用性與經濟性。

5 結束語

為了對煤礦電網諧波采取有效地抑制，并對無功功率進行動態補償，本文提出了一種無功與諧波綜合補償方案，既能有效補償無功功率，又能有效濾除系統的諧波電流，改善了電壓波動，提高了功率因數，極大地改善了煤礦電力系統的電能質量，具有很好的推廣價值。

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