礦井動態(tài)無功補(bǔ)償方式研究以及諧波治理技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

（ 臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276017）

摘 要：無功補(bǔ)償與諧波治理對電力系統(tǒng)有著重要意義。由于大量非線性電力負(fù)荷的增加，給電網(wǎng)的正常運行帶來了功率因數(shù)降低、電磁干擾和諧波污染的問題。功率因數(shù)過低，將會導(dǎo)致大量的電能浪費、設(shè)備利用率降低和電壓偏差過大等;諧波電流的存在，則會引起波形畸變、電力設(shè)備基波負(fù)載容量下降和電力裝置產(chǎn)生諧振等嚴(yán)重問題，有的電力系統(tǒng)甚至引起電力設(shè)備損壞事故。

關(guān)鍵詞：動態(tài)無功補(bǔ)償;諧波治理技術(shù);開發(fā)應(yīng)用

0 引言

隨著現(xiàn)代化礦井快速發(fā)展，機(jī)械化程度不斷提升，大功率電機(jī)大量使用，各種感性負(fù)荷與地面電網(wǎng)供電電源之間必然循環(huán)著大量無功功率造成井下供電質(zhì)量惡化，同時無功損耗帶來電能浪費嚴(yán)重，同時，因電力電子設(shè)備的大量采用，供電網(wǎng)絡(luò)中的諧波污染日趨嚴(yán)重，必須對無功進(jìn)行補(bǔ)償，并對諧波進(jìn)行治理。

1 必要性分析

1.1 為什么要進(jìn)行無功補(bǔ)償

（1）穩(wěn)定供電電壓，提高供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性;

（2）提高供電設(shè)備的輸送能力或帶載能力;

（3）提高功率因數(shù)，0.65提升至0.9，節(jié)約電能（電費）;

（4）降低無功在變壓器、線路等電力設(shè)備的損耗。

1.2 為什么要進(jìn)行諧波治理

（1）諧波威脅控制系統(tǒng)和儀器儀表的正常工作;

（2）諧波對變壓器、電機(jī)的絕緣造成損壞;

（3）諧波在變壓器、電機(jī)、線路造成額外的熱損壞，導(dǎo)致設(shè)備額外溫升;

（4）諧波進(jìn)一步增加無功損耗。

2 技術(shù)現(xiàn)狀分析

2.1 第一代無功補(bǔ)償與濾波技術(shù)原理

機(jī)械式投切裝置（MSC），并聯(lián)若干組電容器，通過真空斷路器投切電容器組，實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)，也稱靜態(tài)補(bǔ)償，同時并聯(lián)特定參數(shù)的電感和電容，形成的LC濾波電路，吸收特定頻率的高次諧波。特點是特點：有級補(bǔ)償精度低、動態(tài)響應(yīng)時間長、設(shè)備數(shù)量多、僅能針對特定頻率的諧波進(jìn)行有限治理。

2.2 第二代無功補(bǔ)償與濾波技術(shù)原理

晶閘管投切裝置（MCR，TSC，TCR），并聯(lián)大容器，利用晶閘管作為開關(guān)器件，通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)容性電流的大小，達(dá)到動態(tài)補(bǔ)償?shù)男Ч⊿VC）。同時并聯(lián)特定參數(shù)的電感和電容，形成的LC濾波電路，吸收特定頻率的高次諧波。特點：動態(tài)補(bǔ)償精度較高、動態(tài)響應(yīng)時間較快、結(jié)構(gòu)簡單，但僅能針對特定頻率的諧波進(jìn)行有限治理

2.3 第三代無功補(bǔ)償與濾波技術(shù)原理

基于IGBT電壓源換流器（SVG/APF），并聯(lián)大容器，利用IGBT作為開關(guān)并調(diào)節(jié)容性電流，實現(xiàn)無功動態(tài)補(bǔ)償，可通過串聯(lián)方式實現(xiàn)高電壓的補(bǔ)償（SVG）;實時檢測系統(tǒng)電流，通過傅里葉算法分解電流中的基本成分，對剩余的諧波成分注入一個幅值相等但相位相反的諧波電流抵消諧波（有源濾波APF）。特點：動態(tài)補(bǔ)償精度很高、動態(tài)響應(yīng)時間很快、可以治理任意次數(shù)的復(fù)合諧波。同時將無功補(bǔ)償和諧波治理進(jìn)行有效的整合，一套裝置同時實現(xiàn)兩種功能。這是目前在低壓補(bǔ)償和濾波方面最新、最優(yōu)的技術(shù)。

該系統(tǒng)安裝維護(hù)簡單，對現(xiàn)場無特殊要求，可應(yīng)用于各類型工礦企業(yè)使用電焊機(jī)的地點，應(yīng)用前景十分廣泛。下一步工作中，計劃將對系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和在線監(jiān)測。

3 研究方向

3.1 集中補(bǔ)償

主要在地面主變電站進(jìn)行集中的無功補(bǔ)償和諧波治理，滿足供電部門的標(biāo)準(zhǔn)要求，一般為高壓補(bǔ)償，可采用MSC、SVC、SVG。

3.2 分散補(bǔ)償

主要在10KV、6KV線路、變電站母線進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理，一般可采用SVC、SVG。

3.3 就地補(bǔ)償

主要在1140V、660V區(qū)域變電站、電機(jī)等用電負(fù)荷側(cè)，進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理，一般可采用SVC、SVG。

4 技術(shù)路線

采用大功率IGBT、金屬膜電容，結(jié)合DSP、FPGA技術(shù)，研制動態(tài)無功補(bǔ)償與有源諧波治理一體化系統(tǒng)（SVG/APF），采用隔爆兼本安型設(shè)計，用于井下AC1140V、660V電壓等級的就地補(bǔ)償和治理，綜合補(bǔ)償容量為300KVAR、500KVAR，可并聯(lián)擴(kuò)容。

其中的核心部件為：IGBT換流器、直流電容器、檢測控制板。

5 工作原理

以基于IGBT的大功率電壓型逆變器為核心，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，使其和系統(tǒng)電壓形成可調(diào)基波電壓差或諧波電壓差，從而控制注入系統(tǒng)的無功電流或諧波電流。

圖2以基波無功補(bǔ)償為例，APF諧波補(bǔ)償時類似，在逆變器輸出相應(yīng)的諧波電壓，即可生成相應(yīng)的諧波電流。

6 與其他類型裝置的比較（見圖3）

7 結(jié)論

將動態(tài)無功就地補(bǔ)償與諧波治理技術(shù)進(jìn)行有效地整合，一套裝置同時可以顯現(xiàn)兩種功能，既節(jié)約了投資，又節(jié)省了設(shè)備空間，在低壓補(bǔ)償和諧波治理方面最新、最優(yōu)的技術(shù)。利用IGBT作為調(diào)節(jié)容性電流的開關(guān)，提高了精確度和準(zhǔn)確性，實時檢測系統(tǒng)電流，通過傅里葉算法分解電流中的基本成分，對剩余的諧波成分注入一個幅值相等但相位相反的諧波電流抵消諧波（有源濾波APF），具有很大的推廣應(yīng)用價值和經(jīng)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，王躍.諧波治理和無功功率補(bǔ)償（第2版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013（01）.

作者簡介：陳國成（1983-），男，本科，工程師，主要從事：熱能與動力工程專業(yè)。