基于STATCOM礦井電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

□張海東

（霍州煤電集團(tuán)云廈公司礦建分公司 山西 臨汾 031400）

基于STATCOM礦井電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

□張海東

（霍州煤電集團(tuán)云廈公司礦建分公司 山西 臨汾 031400）

我國(guó)采礦企業(yè)中運(yùn)用的功耗最大和大范圍的功率設(shè)備礦井電氣設(shè)備，礦井電氣系統(tǒng)在使用過(guò)程中需要經(jīng)常啟動(dòng)關(guān)閉，在工作過(guò)程中它需要頻繁的啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)，這樣就會(huì)給煤礦電力系統(tǒng)帶來(lái)很嚴(yán)重的無(wú)功沖擊。本文主要分析無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)原理，對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)礦井電力系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行研究，并且設(shè)計(jì)STATCOM礦井無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)和調(diào)整單元，對(duì)于提高礦井電能安全運(yùn)行和提高生產(chǎn)效率具有重大的意義。

礦井；提運(yùn)系統(tǒng)；電動(dòng)機(jī)；STATCOM；無(wú)功補(bǔ)償

井下和地面電力系統(tǒng)基本上是一樣的，在井下頻繁使用大功率電動(dòng)機(jī)會(huì)使得電力系統(tǒng)負(fù)載急劇上升。無(wú)功功率傳輸會(huì)在輸電線路中產(chǎn)生很大的的有功損耗，這樣電壓就會(huì)在輸電線路末端降低，井下電網(wǎng)功率上升，在輸電網(wǎng)路的安全性一定程度上降低和電能使用效率。礦井下的工人和設(shè)備礦產(chǎn)品等都是靠提運(yùn)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸?shù)?，提運(yùn)系統(tǒng)在使用的過(guò)程中要隨時(shí)啟動(dòng)停止加減速，無(wú)用功在提運(yùn)系統(tǒng)的使用過(guò)程中的變化很大，能造成電力系統(tǒng)的主線電壓不穩(wěn)定，造成供電系統(tǒng)功率因數(shù)低，致使大量的電能嚴(yán)重浪費(fèi)，進(jìn)而影響電網(wǎng)系統(tǒng)中的用電設(shè)備。實(shí)踐中，基于對(duì)井下電網(wǎng)布設(shè)情況綜合考量，筆者建議采用無(wú)功補(bǔ)償手段，來(lái)提高其輸電能力，使無(wú)功損耗得以降低。值得一提的是，礦井電力系統(tǒng)中，建議采用STATCOM無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)方法，從應(yīng)用效果來(lái)看非常的顯著。

1 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)概述

所謂無(wú)功補(bǔ)償，電網(wǎng)的功率因數(shù)是依靠無(wú)功補(bǔ)償來(lái)提升的，以此保障電能有效應(yīng)用。以接入方式和方法為依據(jù)，電網(wǎng)以及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和的接入存在較大的差異，通常情況下包括兩種，一種是串聯(lián)型補(bǔ)償方式，另一種則是并聯(lián)型補(bǔ)償方式。前者是將電容、電抗器等串聯(lián)起來(lái)使用，以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償之目的。然而，該種無(wú)功補(bǔ)償方式，可能會(huì)造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定和安全性；后者是將電容、電抗器等并聯(lián)在電網(wǎng)系統(tǒng)之中，操作方便，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)影響不大。實(shí)踐中，根據(jù)補(bǔ)償量變化情況做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，既可以采用靜態(tài)式的無(wú)功補(bǔ)償（即所謂的STATCOM），也可以采用動(dòng)態(tài)式的無(wú)功補(bǔ)償。其中，STATCOM技術(shù)只要功能是采用不同種類的電抗、電容器實(shí)現(xiàn)無(wú)功處理，從而穩(wěn)定電網(wǎng)功率因數(shù)。對(duì)于動(dòng)態(tài)式的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備而言，依靠功率因數(shù)變化情況，動(dòng)態(tài)的利用電容器對(duì)無(wú)功進(jìn)行優(yōu)化處理。就靜態(tài)無(wú)功技術(shù)而言，其采用多種類型電抗或者電容器來(lái)處理多余的無(wú)功的能力，STATCOM技術(shù)主要是采用晶閘管很好的控制能力以達(dá)到可以安全可靠的控制電氣元件，快速的判斷能力是晶閘管的功能特征，迅速反應(yīng)控制信號(hào)。與此同時(shí)，STATCOM技術(shù)不用使用人為接觸來(lái)保證控制件的判斷，STATCOM技術(shù)判斷次數(shù)理論上會(huì)受到一定的局限。實(shí)踐中，一旦電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)無(wú)功補(bǔ)償器可以迅速作出調(diào)整，來(lái)對(duì)電網(wǎng)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償。同時(shí)還可以對(duì)三相電路進(jìn)行分相無(wú)功補(bǔ)償，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力來(lái)應(yīng)對(duì)沖擊負(fù)荷以及三相不平衡負(fù)荷，以此來(lái)提高無(wú)功沖擊應(yīng)對(duì)效果。

2 礦井電力系統(tǒng)中的STATCOM無(wú)功補(bǔ)償機(jī)理分析

STATCOM礦井無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)其工作原理是直接調(diào)節(jié)電壓和電流與相角，來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)穩(wěn)定的目標(biāo)，以此能動(dòng)態(tài)的對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。在此過(guò)程中，STATCOM技術(shù)應(yīng)用時(shí)，基于IGBT以及GTO電氣元件應(yīng)用基礎(chǔ)上的逆變電路，將直流電壓有效的轉(zhuǎn)變成電壓頻率一致的交流側(cè)電壓。在礦井STAT-COM無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，輸出電流不會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生影響，無(wú)功補(bǔ)償在電網(wǎng)電壓的情況下尤其明顯，傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)跟與 STAT-COM礦井無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)比，STAT-COM礦井無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的響應(yīng)快、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)處理無(wú)功電流，以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在感性或榮性工況的工作情況下，STATCOM都可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，在感性工況和榮性工況有不同的相量圖，如圖1所示。由表中得出，經(jīng)STATCOM的交流電壓，以UI表示，US表示為基于STATCOM技術(shù)的電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電壓，UL表示的是等效阻抗電壓，Φ表示為阻抗角。δ表示US以及UI間相位差，δ正值時(shí)代表的是因US滯后UI所致；當(dāng)前為δ為負(fù)值時(shí)，則是因US超前UI導(dǎo)致的。

當(dāng)US高過(guò)UI的工況下，則STATCOM處在容性工作下，煤礦電網(wǎng)電壓US延遲于電流I，STATCOM進(jìn)行感性的無(wú)功，提供給煤礦電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償，以此電網(wǎng)的功率因數(shù)的到穩(wěn)定恒定。

當(dāng)US延遲于UI時(shí)，說(shuō)明STATCOM正在處于一種感性運(yùn)作狀態(tài)，當(dāng)?shù)V井電壓US超過(guò)電流I時(shí)，則STATCOM進(jìn)行容性的無(wú)功，供給礦井電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償，從而穩(wěn)定電網(wǎng)的功率因數(shù)。實(shí)踐中，如果STATCOM技術(shù)對(duì)礦井電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出感性無(wú)功功率，那么電網(wǎng)功率因數(shù)會(huì)維持恒定狀態(tài)，Q=3US22rsin2δ為無(wú)功功率的表達(dá)方程式。在表達(dá)方程式中，Q代表STATCOM對(duì)礦井電網(wǎng)發(fā)出總無(wú)功功率。如果δ＞0，那么Q為正值，此時(shí)STATCOM向礦井電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出容性無(wú)功；如果δ＜0，那么Q為負(fù)值，此時(shí)STATCOM向礦井電網(wǎng)發(fā)出感性無(wú)功。基于上述公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)δ調(diào)解數(shù)值正負(fù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井電網(wǎng)的無(wú)功多余無(wú)功處理，一旦出現(xiàn)無(wú)功缺少現(xiàn)象，則可及時(shí)給出無(wú)功。對(duì)δ值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)解STATCOM向煤礦電網(wǎng)給出容性或者感性無(wú)功數(shù)。但電流源、電壓源在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)需有功支持。電網(wǎng)系統(tǒng)容性或者感性狀態(tài)時(shí)，STATCOM交流變電壓以及電流，均為正交。

3 STATCOM礦井無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)實(shí)踐

STATCOM電流利用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）強(qiáng)大處理能力間接調(diào)整，主要包括DSP、高精度電壓互感器、高精度電流互感器等，STATCOM的直流側(cè)電容的電壓和三相電壓源的電壓的測(cè)量主要是依靠高精度電壓互感器V1、V2進(jìn)行的；電網(wǎng)電流、負(fù)載電流和STATCOM交流邊電流是通過(guò)高精度電流互感器A1、A2、A3分別來(lái)測(cè)量；利用低通濾波器來(lái)對(duì)電壓互感器和電流互感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理，低通濾波器輸出的信號(hào)采用芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后發(fā)給DSPDE的端口，DSP進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算得到補(bǔ)償角δ，同時(shí)信號(hào)同步給電網(wǎng)電壓，從而發(fā)出命令觸發(fā)脈沖，把逆變橋通順。在STATCOM煤礦電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償中的數(shù)據(jù)運(yùn)算和調(diào)整是真?zhèn)€調(diào)整過(guò)程的重中之重，通過(guò)對(duì)電壓、電流等的運(yùn)算，將觸發(fā)脈沖用DSP為主的調(diào)節(jié)單元得以完成。調(diào)節(jié)單元的響應(yīng)和安全性將關(guān)乎整個(gè)煤礦電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償有效性。調(diào)節(jié)單元的結(jié)構(gòu)大多選擇數(shù)字信號(hào)處理器作為調(diào)節(jié)部分的核心，反饋的信號(hào)只要使用在采集的煤電電網(wǎng)的信息，可以采用編程邏輯器件使用在產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，輸入的控制指令的方式只要用鍵盤(pán)，系統(tǒng)的參數(shù)和當(dāng)前狀態(tài)主要用顯示器顯示。

圖1 STA TCO M不同工況下相量圖

結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)的智能化于礦井的智能化事先下采礦領(lǐng)域趨勢(shì)所在，電力系統(tǒng)的無(wú)功實(shí)時(shí)測(cè)量與有效補(bǔ)償是智能化電力系統(tǒng)發(fā)展勢(shì)必所在。在結(jié)合基STATCOM礦井無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)工作原理基礎(chǔ)上，進(jìn)行電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)，當(dāng)中包含電參數(shù)測(cè)量電路、無(wú)功調(diào)節(jié)電路等數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐分析：STATCOM礦井無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)可以依靠電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況來(lái)進(jìn)行調(diào)解無(wú)工量，此系統(tǒng)的測(cè)量精度高、反應(yīng)迅速、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，滿足礦井電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>

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1004-7026（2016）17-0113-02

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A

10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2016.17.087