基于STATCOM礦井電力系統(tǒng)無功補償技術

□張海東

（霍州煤電集團云廈公司礦建分公司 山西 臨汾 031400）

基于STATCOM礦井電力系統(tǒng)無功補償技術

□張海東

（霍州煤電集團云廈公司礦建分公司 山西 臨汾 031400）

我國采礦企業(yè)中運用的功耗最大和大范圍的功率設備礦井電氣設備，礦井電氣系統(tǒng)在使用過程中需要經(jīng)常啟動關閉，在工作過程中它需要頻繁的啟動、運行和停機，這樣就會給煤礦電力系統(tǒng)帶來很嚴重的無功沖擊。本文主要分析無功補償技術原理，對于無功補償技術對礦井電力系統(tǒng)特點進行研究，并且設計STATCOM礦井無功補償系統(tǒng)和調整單元，對于提高礦井電能安全運行和提高生產(chǎn)效率具有重大的意義。

礦井；提運系統(tǒng)；電動機；STATCOM；無功補償

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機會使得電力系統(tǒng)負載急劇上升。無功功率傳輸會在輸電線路中產(chǎn)生很大的的有功損耗，這樣電壓就會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。礦井下的工人和設備礦產(chǎn)品等都是靠提運系統(tǒng)來進行運輸?shù)?，提運系統(tǒng)在使用的過程中要隨時啟動停止加減速，無用功在提運系統(tǒng)的使用過程中的變化很大，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，致使大量的電能嚴重浪費，進而影響電網(wǎng)系統(tǒng)中的用電設備。實踐中，基于對井下電網(wǎng)布設情況綜合考量，筆者建議采用無功補償手段，來提高其輸電能力，使無功損耗得以降低。值得一提的是，礦井電力系統(tǒng)中，建議采用STATCOM無功補償技術方法，從應用效果來看非常的顯著。

1 無功補償技術概述

所謂無功補償，電網(wǎng)的功率因數(shù)是依靠無功補償來提升的，以此保障電能有效應用。以接入方式和方法為依據(jù)，電網(wǎng)以及無功補償設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)型補償方式，另一種則是并聯(lián)型補償方式。前者是將電容、電抗器等串聯(lián)起來使用，以實現(xiàn)無功補償之目的。然而，該種無功補償方式，可能會造成電網(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，對電網(wǎng)系統(tǒng)影響不大。實踐中，根據(jù)補償量變化情況做出適當?shù)恼{節(jié)，既可以采用靜態(tài)式的無功補償（即所謂的STATCOM），也可以采用動態(tài)式的無功補償。其中，STATCOM技術只要功能是采用不同種類的電抗、電容器實現(xiàn)無功處理，從而穩(wěn)定電網(wǎng)功率因數(shù)。對于動態(tài)式的無功補償設備而言，依靠功率因數(shù)變化情況，動態(tài)的利用電容器對無功進行優(yōu)化處理。就靜態(tài)無功技術而言，其采用多種類型電抗或者電容器來處理多余的無功的能力，STATCOM技術主要是采用晶閘管很好的控制能力以達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，迅速反應控制信號。與此同時，STATCOM技術不用使用人為接觸來保證控制件的判斷，STATCOM技術判斷次數(shù)理論上會受到一定的局限。實踐中，一旦電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動，此時無功補償器可以迅速作出調整，來對電網(wǎng)系進行動態(tài)的無功補償。同時還可以對三相電路進行分相無功補償，具有很強的適應能力來應對沖擊負荷以及三相不平衡負荷，以此來提高無功沖擊應對效果。

2 礦井電力系統(tǒng)中的STATCOM無功補償機理分析

STATCOM礦井無功補償技術其工作原理是直接調節(jié)電壓和電流與相角，來達到實時動態(tài)處理無功電流，實現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)穩(wěn)定的目標，以此能動態(tài)的對電網(wǎng)系統(tǒng)運行進行無功補償。在此過程中，STATCOM技術應用時，基于IGBT以及GTO電氣元件應用基礎上的逆變電路，將直流電壓有效的轉變成電壓頻率一致的交流側電壓。在礦井STAT-COM無功補償技術應用過程中，輸出電流不會對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生影響，無功補償在電網(wǎng)電壓的情況下尤其明顯，傳統(tǒng)無功補償技術跟與 STAT-COM礦井無功補償技術對比，STAT-COM礦井無功補償技術的響應快、移動方便等優(yōu)點，能實時處理無功電流，以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

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技術的電網(wǎng)系統(tǒng)運行時的電壓，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正值時代表的是因US滯后UI所致；當前為δ為負值時，則是因US超前UI導致的。

當US高過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進行感性的無功，提供給煤礦電網(wǎng)無功補償，以此電網(wǎng)的功率因數(shù)的到穩(wěn)定恒定。

當US延遲于UI時，說明STATCOM正在處于一種感性運作狀態(tài)，當?shù)V井電壓US超過電流I時，則STATCOM進行容性的無功，供給礦井電網(wǎng)無功補償，從而穩(wěn)定電網(wǎng)的功率因數(shù)。實踐中，如果STATCOM技術對礦井電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出感性無功功率，那么電網(wǎng)功率因數(shù)會維持恒定狀態(tài)，Q=3US22rsin2δ為無功功率的表達方程式。在表達方程式中，Q代表STATCOM對礦井電網(wǎng)發(fā)出總無功功率。如果δ＞0，那么Q為正值，此時STATCOM向礦井電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出容性無功；如果δ＜0，那么Q為負值，此時STATCOM向礦井電網(wǎng)發(fā)出感性無功。基于上述公式對其進行計算，通過δ調解數(shù)值正負，這樣可以實現(xiàn)對礦井電網(wǎng)的無功多余無功處理，一旦出現(xiàn)無功缺少現(xiàn)象，則可及時給出無功。對δ值進行適當?shù)恼{整，可以實現(xiàn)平滑的調解STATCOM向煤礦電網(wǎng)給出容性或者感性無功數(shù)。但電流源、電壓源在實際運行過程中，無需有功支持。電網(wǎng)系統(tǒng)容性或者感性狀態(tài)時，STATCOM交流變電壓以及電流，均為正交。

3 STATCOM礦井無功補償技術實踐

STATCOM電流利用數(shù)字信號處理器（DSP）強大處理能力間接調整，主要包括DSP、高精度電壓互感器、高精度電流互感器等，STATCOM的直流側電容的電壓和三相電壓源的電壓的測量主要是依靠高精度電壓互感器V1、V2進行的；電網(wǎng)電流、負載電流和STATCOM交流邊電流是通過高精度電流互感器A1、A2、A3分別來測量；利用低通濾波器來對電壓互感器和電流互感器輸出信號進行濾波處理，低通濾波器輸出的信號采用芯片轉換成數(shù)字量后發(fā)給DSPDE的端口，DSP進行內部運算得到補償角δ，同時信號同步給電網(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)無功補償中的數(shù)據(jù)運算和調整是真?zhèn)€調整過程的重中之重，通過對電壓、電流等的運算，將觸發(fā)脈沖用DSP為主的調節(jié)單元得以完成。調節(jié)單元的響應和安全性將關乎整個煤礦電網(wǎng)的無功補償有效性。調節(jié)單元的結構大多選擇數(shù)字信號處理器作為調節(jié)部分的核心，反饋的信號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，系統(tǒng)的參數(shù)和當前狀態(tài)主要用顯示器顯示。

圖1 STA TCO M不同工況下相量圖

結束語

電網(wǎng)的智能化于礦井的智能化事先下采礦領域趨勢所在，電力系統(tǒng)的無功實時測量與有效補償是智能化電力系統(tǒng)發(fā)展勢必所在。在結合基STATCOM礦井無功補償技術工作原理基礎上，進行電力系統(tǒng)無功補償?shù)脑O計，當中包含電參數(shù)測量電路、無功調節(jié)電路等數(shù)據(jù)。經(jīng)過實踐分析：STATCOM礦井無功補償系統(tǒng)可以依靠電力系統(tǒng)實時運行狀況來進行調解無工量，此系統(tǒng)的測量精度高、反應迅速、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，滿足礦井電網(wǎng)對無功補償?shù)男枨蟆?/p>

[1]朱劍鋒，陳立東，劉磊.基于STATCOM礦井電力系統(tǒng)無功補償技術[J].新型工業(yè)化，2016（11）.

[2]柏建勇，劉雨佳.基于MRAS觀測器的PMSM無速度傳感器模型預測電流控制[J].新型工業(yè)化，2015（9）.

[3]劉全周，李占旗，張蕾.基于硬件在環(huán)技術的DCT控制器測試評價技術研究[J].新型工業(yè)化，2015（8）.

1004-7026（2016）17-0113-02

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