井下供電系統無功補償的研究與應用

陜西彬長大佛寺礦業有限公司 寧少鋒 馬永航

隨著智能化快速發展，煤礦大采高工藝的采掘設備功率大、采面長、供電距離遠、末端功率大，啟動壓降大影響電控系統正常工作現象普遍。采取調壓措施不正確但又無其他解決辦法，帶來其他方面問題。為滿足末端大功率設備啟動，采取地面變電所有載調壓--主變調節電壓，變壓器調壓不能補償無功，造成地面供電距離近的工業廣場重要設備的電壓升至異常值。礦井末端負荷功率大、壓降大，起動時對整個電網造成電壓波動與閃變，三相負載不平衡，影響電能質量。

變頻器的使用對電網造成諧波污染，是對電網的二次危害，高次諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變，另外相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網電壓，增加電路損耗，浪費電網容量。從地面35kV變電所輸電到井下工作面，電網電壓由于遠距離輸電，線路損耗大、電壓不穩定。井下工作面負荷功率大、功率因數普遍在0.65左右，大功率負荷起動相互影響，存在電壓壓降大、電能質量低，一般采取的是調壓措施，由于調壓后針對地面與井下不協調電壓會影響其它供電區域。隨著采區不斷延伸，離井下中央變電所的距離越來越遠，供電設計存在計算值不滿足規定的要求。

目前井下電網質量沒有實現網絡化集成控制，沒有良好的人機界面，電能質量的諧波運行數據不能及時的展視到監控中心，沒法保證正常運行與故障診斷的功能，從而影響電能質量無法得到解決，長期運行不僅浪費電網而且影響設備的使用壽命。在配電電網中，地面系統近幾年來各種補償采取了不少，也起到了一定作用，而井下由于受諸多條件限制進展緩慢，致使井下電網存在問題得不到解決。研發一套礦用隔爆兼本質安全型鏈式靜止無功發生器，用于改善供電質量，提高設備運行效率，增加設備運行壽命刻不容緩[1]。

近年來，隨著井下電網無功補償技術的快速發展，一些廠家研制出先進的井下具有補償、濾波兩種作用的SVG裝置，解決了因補償投切對電網的沖擊，降低了電網諧波干擾，大大改善了供電系統供電質量。在此基礎上，采用網絡技術，將SVG裝置系統進行集成，實現礦井采掘工作面的無功補償控制，再擴展到全礦井下供電系統，使全礦井供電系統電壓得到控制，實現礦井供電系統質量的自動化、智能化控制，對提高我國煤礦面貌，在當前及今后促進煤礦向著標準化管理、節能減排工作將會起到極大的作用。

1 國內外研究水平

大功率的門極可關斷晶閘管的出現使靜止無功發生器得到了更快的發展，變成了柔性交流輸電系統的一個主要組成部分。在調節范圍、穩定性、體積、可連續調節性等多方面，靜止無功發生器SVG都非常大的優于傳統的靜止無功發生器。所以靜止無功發生器變成了無功補償技術的今后的發展方向。在很多發達和發展中國家得到了較好的應用，同時取得了很好的效果。

1981年關西電力、三菱電機一起研制成第一臺主電路采用基于晶閘管強制換相的靜止無功發生器樣機，容量為30兆乏。此后靜止無功發生器的技術發展取得了很大的進步。1987年美國的電力研究院、西屋公司研發完成第一臺采用GTO作為開關元件的靜止無功發生器實驗裝置,并投入當地的變電站，容量為±1兆乏。1990年關西電力、三菱電機再一次在伏山一個變電所投入并運行了60兆乏的靜止無功發生器。此后西屋電氣有限公司等單位合作在TVA建成電力系統的蘇良變電所建成了±100兆乏的靜止無功發生器。1998年德國西門子公司研發了第一臺使用在風力發電的靜止無功發生器,一臺機的容量為10兆乏,該靜止無功發生器裝置在德國黑德風場，很大程度的改變了風力所發出電的質量。

中國在靜止無功補償發生器研究的起步比較晚，但同時也取得了很多的成果。清華大學聯合河南省電力局于1999年共同研發制造出中國第一臺靜止無功發生器，他的補償裝置以可控硅為開斷的元器件，容量為20兆伏安。此外，華北電力大學將Space Vector Pulse WidthModulation調制的應用原理在靜止無功發生器上,達到了平穩補償無功功率的目的。東南大學經過對靜止無功發生器理論進行了深入的研究，最終模擬出了相應的模型。

國內很多公司在靜止無功發生器方面也展開了很多的研究，并取得了一定的研究成果。在電壓要求、設備容量、響應速度等方面，這些公司的靜止無功發生器基本達到了國際水平。靜止無功發生器的補償范圍在不斷的擴大，由很早以前的僅用于輸電系統的補償，慢慢發展到變配電系統的補償，更進一步的對設備的負荷進行相應的補償。靜止無功發生器的很多方面的優點得到無功補償部分的一致認可，在設備參數、類型等要求不斷嚴格的自動化、智能化供電系統中，靜止無功發生器的使用價值得到了充分的展現。

2 各系統構成

2.1 系統相關

系統設計原理。靜止無功發生器是用運于供電系統中的一種動態補償無功功率的設備，連續、快速的對一直處于變化狀態的無功進行補償。傳統的無功補償裝置存在補償效果不好、反映速度很慢、對供電系統的質量有很大的沖擊，使供電系統的頻率發生很大的變化，供電系統質量較差。他的實際原理是將其同時匹配的電抗器和橋式電路直接并聯在電力系統上，有效的調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側電流，就可使這個電路吸收或發出滿足要求的無功電流，從而達到動態無功補償的要求。

技術路線。靜止無功發生器，每相根據設備電壓的等級由一定數量的功率模塊串聯組成，三相采用星型接法，通過電抗器與電網連接，實現動態無功補償功能。軟啟動交接及軟啟動電阻起到限制啟動電流的作用。其中，功率模塊的電路采用單相H橋式逆變電路。由于各個功率模塊電氣結構完全相同，使得鏈式靜止無功發生器具有較高的可維護性[2]。

關鍵技術特點。本系統是一種新型的高壓大容量補償裝置，使用高頻電力電子開關器件取代傳統無功補償裝置中的電容器及電抗器，實現快速的動態補償，與傳統的無功補償裝置相比具有以下特點：控制芯片。采用先進的DSP+ARM雙核處理器，復雜可編程邏輯器件FPGA及CPLD；控制供電。具有電源冗余功能，可實現多樣化的補償功能；模塊化設計，維護方便；功率模塊隔離方式：光纖隔離；響應速度快，最快可達5ms；運行范圍更寬，輸出諧波含量低；功率半導體器件：IGBT；整機保護。輸入過壓、輸入欠壓、輸入錯相、輸入缺相、輸出過載、模塊故障、PLC故障、控制器故障、輸入交接故障、軟啟動交接故障、柜門異常、風機故障；功率模塊保護。直流母線過壓、直流母線欠壓、通訊故障、模塊過熱、開關電源故障、模塊過流。

2.2 控制系統

靜止無功發生器的主要控制系統實現了對這個設備的控制要求，是整套設備的主要核心部件，其中包含了冗余單元、電源、檢測單元、監控單元、狀態顯示燈等。

冗余單元、電源。主要是為靜止無功發生器提供控制設備晶閘管、設備用電、以及對設備用電的可靠性的控制，主要部分由開關、UPS等部件構成。其中采用了兩組開關電源，經過電源冗余電路板一起向靜止無功發生的的控制系統提供電源，更加可靠、有效的保證了控制系統的運行；檢測單元。主要對輸出電壓、輸入電壓，控制電壓、輸入電流，輸出電流等檢測，根據所檢測的結果對各個檢測量進行分析、控制，同時輸出相對應的信號，對每個功率單元的開關進行控制等。

監控單元。主要在設備運行過程當中，通過設備運行的電流、電壓、功率因數、無功、有功功率等進行監控，同時設備設備的運行參數、運行指令、控制參數等，使設備在達到滿足功率因數的條件下運行，補償設備的無功，功率因數達到0.9以上運行，通過上位機實現嵌入式的操作監控系統，通過人機界面實現對設備的控制及操作。使用者可以在上位機上進行操作對靜止無功發生器設備的開停、設備運行的狀態、設備運行的參數、設備運行故障的狀態等，查找設備出現的故障，根據不同的設備設置設備運行的參數等。

2.3 功率模塊、軟啟動組件、開關柜

功率模塊主要組成部分為霍爾傳感器和功率模塊構成，其主要組成部分為各類電容、驅動電路板、電源模塊電路板、散熱器、功率單元、絕緣柵雙極型晶體管模塊等。驅動電路板的主要作用是將控制系統下發的脈沖寬度調制信號解碼并輸出，同時檢測故障模塊的信息，對設備保護，并且同時將信息編碼上傳，電源模塊電路板負責對功率模塊的控制提供電源，各類電容為功率模塊提供電壓的支撐，也可以作為限制整個系統中電壓上升過大，晶體管過電壓運行，保證晶體管的安全運行，在功率單元運行過程當中會產生大量的熱量，為了便于保護功率單元的安全運行，散熱器將產生的熱量及時排出，確保晶體管的可靠工作。

軟啟動組件主要功能為在設備啟動過程中產生較大的諧波、大電流、低電壓等現象，從而保護設備安全運行，對產生的諧波、初始電流及電壓等進行抑制，帶電運行時，軟啟動接觸器吸合，設備在運行過程中先經過軟啟動電阻進行充電，然后合主交接，再次軟啟動交接切斷，設備進入正常運行狀態。

外接開關柜內部器件均可根據實際需要定制，通常包含高壓帶電顯示器、電流采樣、隔離開關等。

2.4 系統設計功能

系統由控制系統、顯示操作系統、水冷功率單元、隔離及緩沖系統、隔離及濾波電抗器、內水循環冷卻系統、檢測系統等幾部分組成。采用電力電子電能變換和控制技術，專門為電力系統中的無功功率進行快速的動態補償，它并聯于電網上，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償電網系統所需無功功率，不僅能補償感性無功，還能補償容性無功，響應速度更快、限制電壓波動及閃變能力更強，運行范圍更寬、自身諧波極低。

主要功能如下：動態補償電網無功電流，調節電網功率因數，維持電網功率因數穩定；提高系統電能質量穩定性和輸電能力；減少電壓波動和抑制電壓閃變；系統故障情況下提供電壓支撐。

3 效益分析

3.1 年節電量計算

無功補償和諧波治理后可使供電系統功率因數提高到0.9以上，使供電系統負荷側電網中諧波含量低于國家標準要求，是最經濟合理的補償。其中節電量計算：每1kVar年節電量Pj=Qc×Cb1×Tn×Kfh-Qs，式中:Pj為年節電量；Qc為有效無功補償容量、1kVar；Cb1為無功經濟當量，三級變壓，取0.298；Tn為設備年運行小時，7200小時；Kfh為負荷率，取0.73；Qs為無功補償設備自身電能損耗（損耗率為0.5%），Qs=Qc×Tn×0.005×0.73=26.28。上式計算得：Pj=1×0.298×7200×0.73-26.28=1540kWh，按電價0.57元/kWh計算，得每1kVar年節能費用為800元。

3.2 全礦井下采掘設備就地補償效益預測

目前井下采掘運設備平均功率因數一般在0.6～0.7之間，安裝無功發生器后功率因數可提高到0.95以上。目前全礦井采掘運變壓器額定容量大致在30000kVA，平均負荷率取0.7（經摸底，井下采掘運設備功率因數幾乎都在0.6左右），按補償容量30%估算，全礦井下采掘運設備所需就地補償容量大約為6300kVar。按800元/kVar計算，全礦每年可節約6300×800=504萬元?？紤]電容介質損耗，大約需裝備400kVar/臺的補償裝置20臺，按每臺40萬元計算需800萬元，加上設備折舊和維修費用等，預計兩年即可收回投資成本，之后每年可直接創益504萬元。

綜上，隨著采區不斷延伸，離井下中央變電所的距離越來越遠，掘進機在1500米處作業時由于功率因數的降低設備啟動困難，按照傳統解決辦法需要再并入一路電纜提高設備功率因數，這樣不僅提高了井下電網的建設成本，而且增加掘進機掘進工作的時間周期[3]。