煤礦諧波治理及動態(tài)補(bǔ)償問題的研究

摘 要：煤礦存在大量的用電負(fù)荷，造成了嚴(yán)重的諧波污染。尤其是一些沖擊性負(fù)荷、非線性負(fù)荷的投入使用，導(dǎo)致了電網(wǎng)功率因數(shù)降低、電壓波動、電壓和電流波形畸變等一系列電能質(zhì)量問題。因此，對煤礦企業(yè)的供電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理顯得尤為重要。

分析了 SVG 動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)脑恚γ旱V常用的無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 緒論

1.1 背景及意義

煤礦企業(yè)中負(fù)荷多為交直流傳動設(shè)備，功率大，而且大部分是感性負(fù)荷，如皮帶機(jī)、采煤機(jī)、絞車等，它們啟停時會產(chǎn)生巨大的無功沖擊；煤礦電網(wǎng)中還有大量的非線性負(fù)荷，如提升機(jī)等，會產(chǎn)生諧波，諧波電流進(jìn)入供電系統(tǒng)，降低電能質(zhì)量。諧波和無功沖擊不僅會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動、閃變和三相不平衡，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量，而且會增加設(shè)備損耗，造成設(shè)備的頻繁停機(jī)以至癱瘓，給煤礦企業(yè)生產(chǎn)造成了很大危害和完全隱患[1]。功率因數(shù)過低，不但增加電能損耗，使變壓器等電力設(shè)備容量得不到充分利用，而且會引起電壓降落或抬升，這樣就會給大型煤礦用電企業(yè)帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失，而且可能帶來罰款。

我國大多數(shù)大型煤礦企業(yè)主變電所為 35/6kV 變電所，在 6kV 側(cè)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償具有十分重要的意義，能夠提高煤礦供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，能為大型煤礦企業(yè)節(jié)省大量電能[2]。當(dāng)前，我國積極倡導(dǎo)發(fā)展以低能耗、低排放、低污染為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)，以求綠色 GDP 增長，煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量控制技術(shù)備受關(guān)注，其研究有著廣闊的發(fā)展前景。因此，針對煤礦企業(yè)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償和諧波治理具有很大的研究價值。

1.2 煤礦企業(yè)無功補(bǔ)償和諧波治理的發(fā)展

改善電能質(zhì)量有很多方法， 列舉了一些常用的無功補(bǔ)償和諧波抑制方法。

1.2.1 煤礦企業(yè)無功補(bǔ)償發(fā)展現(xiàn)狀

無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展可以概況為兩個階段：早期無功補(bǔ)償裝置和現(xiàn)代無功補(bǔ)償裝置。從最早的電容器開始發(fā)展到今天的靜止無功發(fā)生器 SVG，歷經(jīng)了電容器、同步調(diào)相機(jī)、飽和電抗器，SVC和SVG等幾個不同的階段[3-8]。

其中靜止無功補(bǔ)償裝置簡稱SVC（STATICVARCOMPENSATOR）是指沒有運(yùn)動部件的無功補(bǔ)償裝置。由于使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置具有優(yōu)良的性能，近年來，在世界范圍內(nèi)其市場一直在迅速而穩(wěn)定地增長，已占據(jù)了靜止型無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。因此SVC往往專指使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置，包括晶閘管控制電抗器（TCR），晶閘管投切電容器（TSC），以及這兩者的混合裝置（TCR+TSC）或者晶閘管控制電抗器與固定電容器的混合裝置（TCR+FC），晶閘管控制電抗器與機(jī)械投切電容器的混合裝置（TCR+MSC）等。

靜止無功發(fā)生器簡稱SVG（STATICVARGENERATOR）也是一種電力電子補(bǔ)償裝置。與靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）不同的是通過發(fā)出無功功率達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康?，不需要大容量的電抗器、電容器等儲能元件。目前，SVG大都采用GTO和 IGBT全控型器件，已在電網(wǎng)和工業(yè)工程中得到了應(yīng)用，文獻(xiàn)[9]是SVG 在煤礦工程中應(yīng)用。根據(jù)SVG直流側(cè)采用的是電感還是電容，將 SVG分為電壓型和電流型兩種。如圖 1-1所示，SVG 的電路基本結(jié)構(gòu)為電壓型橋式電路。如果用電抗器代替圖1-1直流側(cè)的電容器，用并聯(lián)電容器代替交流側(cè)的串聯(lián)電感，則為電流型的SVG。電壓型SVG和電流型 SVG 的動態(tài)補(bǔ)償原理相同。

1.2.2 諧波問題及研究現(xiàn)狀

隨著非線性電力電子裝置的應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波含量增加了，同時也給煤礦企業(yè)帶來了困擾。因此，針對煤礦企業(yè)負(fù)荷產(chǎn)生的諧波進(jìn)行有效的治理，將其限制在允許的范圍之內(nèi)，對保證煤礦企業(yè)設(shè)備安全運(yùn)行具有十分重要的意義。諧波治理的措施主要包括兩種：一是主動治理，降低諧波源產(chǎn)生的諧波或使其不產(chǎn)生諧波。二是被動治理，即安裝濾波裝置。在實際的應(yīng)用中，由于非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波的多樣性，一般還是采用安裝濾波器的方法，濾波裝置一般包括無源濾波器和有源濾波器。

（1） 無源濾波裝置。無源濾波器（Passive Filter， PF）由電容器、電感和電阻適當(dāng)組合而成，其設(shè)計穩(wěn)定可靠，因此在工業(yè)工程上得到了廣泛應(yīng)用。在諧波源附近安裝無源濾波器，既可以抑制諧波電流，同時還可以進(jìn)行無功補(bǔ)償。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行維護(hù)簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但它也有缺點(diǎn)[10-12]，只能對特定次數(shù)諧波進(jìn)行治理，各項運(yùn)行指標(biāo)受到電網(wǎng)參數(shù)、負(fù)荷變量、環(huán)境等各項因素制約。而且電容器組補(bǔ)償效果不理想，會消耗大量的有色金屬，占地面積也大，因此無源濾波器的應(yīng)用受到了限制。

（2） 有源濾波裝置（Active Power Filter， APF）。隨著柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展，近幾年靜止型APF有源濾波器也得到快速發(fā)展，由于電力電子器件價格的降低，使APF廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)。 APF 主電路采用 PWM 控制變流器，構(gòu)成并聯(lián)型電力有源濾波裝置，控制回路采用雙閉環(huán)跟蹤控制技術(shù)，運(yùn)用高速大容量 DSP 計算機(jī)芯片，實時、快速地將負(fù)載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來，并準(zhǔn)確輸出補(bǔ)償電流，實現(xiàn)濾除諧波的功能。它的基本原理是根據(jù)測得的諧波電流，發(fā)生一個與之大小相同，相位相差180度的諧波電流，這兩個諧波電流疊加后互相抵消，保證最終流入系統(tǒng)的電流是正弦波。其特點(diǎn)是：與LC濾波器相比，不受系統(tǒng)阻抗影響，濾波效率大大提高，可以補(bǔ)償各次諧波，不像LC濾波器需設(shè)多組單調(diào)諧濾波器；不存在諧波放大，不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振；不存在過負(fù)荷問題，若諧波電流較大，可多臺 APF 并聯(lián)。在各領(lǐng)域，傳統(tǒng)的 LC 濾波器正在被 APF有源濾波器所代替。

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作者簡介

周文武（1985-），男 ，安徽省宿松縣人，2009年6月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，2009年9月一至今在鄭煤集團(tuán)超化煤礦工作，現(xiàn)任鄭煤集團(tuán)超化煤礦機(jī)電運(yùn)輸科副科長。