礦井提升機的動態無功補償方案設計與仿真

張文帥

（陽泉煤業集團七元煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

引言

煤礦生產以大型、大功率機電設備為主，在實際生產中大功率的沖擊性載荷會對整個煤礦供電網絡造成沖擊，嚴重威脅供電網絡的安全，直接表現為在電路中存在過電流或者欠電壓的影響，對于煤礦的可靠、安全生產造成影響[1]。

提升機作為煤礦生產的重要運輸設備，其承擔煤炭、物料以及人員的運輸，為了解決提升機的典型沖擊性負荷對電網造成的污染和諧波問題，本文將重點設計提升機的動態無功補償方案，并對補償效果進行仿真分析。

1 礦井提升機負荷對電網的影響

在煤礦生產中大型電子裝備應用較多，包括大型直驅提升機、軟啟動帶式輸送機等設備的頻繁啟動會對電網造成沖擊。因此，為保證煤礦供電系統的穩定性需要對上述設備所造成的沖擊載荷進行就地補償；此外，還需根據沖擊負載的變化率完成動態無功補償的工作[2]。

在實際生產中，為提升機配置的電動機屬于直流電動機，本礦與其配套電動機的功率為2 100 kW。提升機的主傳動示意圖如圖1所示。

圖1 提升機電動機傳動示意圖

簡單講，對于大功率負載的提升機而言，由于負載的變化其所產生的負載無功功率的變化對整個電網系統造成干擾；而且，當煤礦供電網絡的短路容量又特別小時會加劇干擾現象。在實際生產中，提升機的運行狀態分為6個階段，包括初加速度階段、主加速度階段、等速度運行階段、減速運行階段、爬行運行階段以及停車抱閘運行階段。在不同運行階段對應的有功功率和無功功率的大小與傳動系統所配置整流器的觸發延遲角和負載電路值相關[3]。經實際測量，提升機在上述6個不同運行階段對應沖擊功率（無功功率、有功功率、視在功率）如表1所示。

表1 提升機在不同運行階段的沖擊功率值

為定量分析提升機負載變化對電網造成的沖擊干擾問題，一般通過對功率因數、電壓波動以及電壓總諧波畸變率三項參數進行評估。根據相關標準及規范要求可知，對于標稱電壓為6 kV的供電網絡時，在負載沖擊的影響下，整個供電網絡的功率因數應大于0.9，電壓的波動率應小于7%，電壓總諧波畸變率應小于4%。

根據表1中提升機在不同運行階段沖擊功率值可以得出：

1）提升機在整個工作過程中的功率因數小于0.8，約0.725；而且在主加速階段的功率因素最低，僅為0.367。

2）在提升機運行的不同階段中，供電網絡電壓的最大波動率可達11.6%，而最小電壓波動率僅為2.2%；

3）提升機在不同運行階段的總電壓平均諧波畸變率為4.33%。

綜上，提升機電氣傳動系統對供電網絡的影響，包括功率因數、電壓波動率以及電壓總諧波畸變率均超出相關標準要求。因此，急需在標稱電壓為6 kV供電網絡的母線上設計一套動態無功補償裝置，以有效解決功率因數、電壓波動率以及電壓諧波畸變率不滿足要求的問題。

2 提升機動態無功補償方案的設計

當前礦井生產為現代化礦井，其設備控制以電子元器件為主。從上述分析可知，由于提升機的負載變化對供電網絡造成污染，導致供電網絡功率因數很低。因此，本文將結合實際生產需求設計動態無功補償方案，包括對補償容量的計算、濾波裝置的設計和控制系統的設計。

2.1 補償容量的計算

結合提升機的實際生產工況，其對應的最大無功波動量為提升機的最大無功功率（6 880 kVar）和最小無功功率（1 120 kVar）的差值，即最大無功波動量為5 760 kVar=5.76 MVar。

2.1.1 無功波動容量的計算

根據國家標準規定，對于標稱電壓為6 kV的供電網絡而言，電壓的波動范圍不得超過其短路容量（50 MVA）的7%。因此，可以得出提升機的無功波動容量為5.76 MVar-50×7%=2.264 MVar。

2.1.2 有功容量的計算

考慮最嚴格的條件，在補償之前的供電網絡的功率因數cosφ1為0.367，補償滯后供電網絡的功率因數cosφ2達到0.95，對應的tanφ1=2.535、tanφ2=0.328 7。則可以得出，有功容量為5 250×（2.532-0.328 7）=11 583.075 kVar。

則可以得出需要的最大動態無功補償容量為2.264+11.583=13.847 MVar。

2.2 濾波裝置的設計

由于本供電網絡中的電壓波動率和諧波電壓畸變率均不滿足要求。因此，還需為供電網絡配置有效的濾波電路，如圖2所示。

根據供電網絡電壓波動和電壓諧波畸變率，需設計3次、5次、7次和11次濾波電路，對應的參數如表2所示。

圖2 濾波裝置對應濾波電路的設計

表2 濾波電路參數

在圖1中傳動電路的基礎上所得的動態無功補償裝置如圖3所示。

圖3 提升機動態無功補償裝置接線圖

3 提升機動態無功補償裝置仿真分析

為驗證所設計提升機的動態無功補償裝置對整個供電網絡功率因數、電壓波動率和電壓諧波畸變率的改善情況。基于MATLAB軟件建立動態無功補償控制器的仿真模型，并根據計算所得的補償的容量和表2中濾波電路的參數進行模型設置。

經過仿真分析得出如表3所示的仿真結論。

表3 動態無功補償控制器的補償效果

如表3所示，采用動態無功補償控制器后供電網絡的功率因數、電壓波動率和電壓諧波畸變率均滿足國家標準的要求。

4 結論

提升機作為煤礦生產的大功率機電設備，其在啟動階段產生的負載變化會對供電網絡造成沖擊，從而影響整個供電網絡的穩定性和可靠性。本文在對當前供電網絡功率因數、電壓波動率和電壓諧波畸變率分析的基礎上，采用動態無功補償控制器進行改善。具體總結如下：

1）所設計控制器的補償容量為13.847 MVar；

2）在功率補償的基礎上，設計了3次、5次、7次、11次諧波濾波電路和高通濾波裝置；

3）通過MATLAB仿真分析，采用所設計的控制器對供電網絡功率因數、電壓波動率和電壓諧波畸變率的改善滿足國家標準要求。