基于STATCOM礦井電力系統(tǒng)無功補償技術(shù)

朱劍鋒，陳立東，劉磊

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司阜新供電局，遼寧阜新 123000）

基于STATCOM礦井電力系統(tǒng)無功補償技術(shù)

朱劍鋒1，陳立東2，劉磊2

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司阜新供電局，遼寧阜新 123000）

礦井電氣設(shè)備是我國采礦企業(yè)使用范圍廣、耗能大的重要大功率設(shè)備之一，在工作過程中它需要頻繁的啟動、運行和停機，對煤礦電力系統(tǒng)的無功沖擊比較嚴重。本文在分析無功補償技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，針對礦井電力系統(tǒng)特點開展無功補償技術(shù)的研究，設(shè)計STATCOM礦井無功補償系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)單元，對于提高礦井電能質(zhì)量和保證井下高效、安全生產(chǎn)具有重要的意義。

礦井；提運系統(tǒng)；電動機；DSP；無功補償

0 前言

井下電力系統(tǒng)與地面電力系統(tǒng)相同具有感性和容性兩種負載，尤其是大功率電動機的廣泛應(yīng)用使得井下感性負載急劇增加。無功功率傳輸過程中在線路中產(chǎn)生較大的有功損耗，導(dǎo)致供電線路的末端電壓下降，井下電網(wǎng)的視在功率增加，嚴重降低電能質(zhì)量和井下電網(wǎng)的可靠性[1]。礦井提運系統(tǒng)在井下起到物料、設(shè)備、人員和礦產(chǎn)品的運輸作用，工作時需要頻繁的起動、加速、減速和停止，運行過程產(chǎn)生的無功變化范圍大，引起供電系統(tǒng)母線電壓產(chǎn)生較大波動，造成供電系統(tǒng)功率因數(shù)低，直接導(dǎo)致大量的電能不能充分利用及能源的浪費，同時對整個電網(wǎng)的用電設(shè)備也將產(chǎn)生不良的影響。針對井下供電系統(tǒng)的特點，開展無功補償技術(shù)的研究對于提升井下供電系統(tǒng)的傳輸能力、減小用電設(shè)備無功損耗和保障井下電網(wǎng)的安全可靠性運行具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 無功補償技術(shù)

無功補償是指根據(jù)電力系統(tǒng)負荷情況（感性或容性），進行無功補償以提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，保證電能質(zhì)量。按照無功補償裝置與電力系統(tǒng)的連接方式不同可分為串聯(lián)型補償和并聯(lián)型補償兩種類型。串聯(lián)補償是指將電容（電抗）器串聯(lián)接在電力系統(tǒng)中進行無功補償，這種補償方式接線復(fù)雜、操作復(fù)雜，同時對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性影響較大[2-4]。并聯(lián)補償是指將電容（電抗）器并聯(lián)接在電力系統(tǒng)中進行無功補償，這種補償方式接線簡單、操作容易，對電力系統(tǒng)的影響較小。

根據(jù)補償量是否能夠?qū)崟r變化和調(diào)節(jié)，將無功補償技術(shù)可分為靜態(tài)無功補償（STATCOM）和動態(tài)無功補償兩種。STATCOM技術(shù)是指利用不同的靜止型開關(guān)投切電容器或電抗器來吸收或者發(fā)送無功，進而達到穩(wěn)定系統(tǒng)功率因數(shù)的目的[5]。動態(tài)無功補償裝置是指根據(jù)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變化動態(tài)的投切電容器或電抗器來吸收或者發(fā)送無功，進而達到穩(wěn)定系統(tǒng)功率因數(shù)的目的。

STATCOM補償技術(shù)是指利用不同的靜止型開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收或發(fā)出無功功率的能力，這種補償方式主要是利用晶閘管優(yōu)良的控制性能來實現(xiàn)對電氣元件的可靠控制，由于晶閘管本身具有快速通斷的能力，所以對于控制信號的反應(yīng)極為迅速。另外，STATCOM補償技術(shù)不需要通過物理性接觸來保持器件的通斷，所以它的通斷次數(shù)理論上可以不受限制。當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生變化時靜止型無功補償器能夠?qū)崿F(xiàn)快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿足系統(tǒng)對無功補償?shù)膭討B(tài)需求[6]。同時還能做到對三相電路進行分相補償，對于三相不平衡負荷和沖擊性負荷具有較強的適應(yīng)性，對于解決各種負載所產(chǎn)生的無功沖擊是非常有效的。

2 STATCOM礦井無功補償原理

伴隨全控型電力電子元器件技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合傳統(tǒng)無功補償技術(shù)一種完全可控的電壓源或電流源的并聯(lián)補償裝置（STATCOM）獲得廣泛應(yīng)用。STATCOM（如圖1所示）礦井無功補償技術(shù)通過直接調(diào)節(jié)交流側(cè)的電流值或交流側(cè)電壓幅值、相角，從而實時動態(tài)發(fā)出或者吸收無功電流實現(xiàn)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)恒定的目的，達到對電力系統(tǒng)的無功功率進行動態(tài)補償?shù)男Ч?。在STATCOM礦井無功補償系統(tǒng)實際運行中，通過IGBT、GTO等電力電子元器件構(gòu)成的逆變電路實現(xiàn)將直流側(cè)的電壓變換成與電網(wǎng)電壓頻率相同的交流側(cè)電壓[7]。STATCOM礦井無功補償技術(shù)的輸出電流不受電力系統(tǒng)電壓的影響，尤其在低壓時無功補償?shù)男Ч永硐?，與傳統(tǒng)無功補償技術(shù)相比較，具有響應(yīng)特性好、補償速度快、產(chǎn)生的諧波少、體積小、移動方便等優(yōu)點，還可以實時、非連續(xù)的發(fā)出或吸收無功電流，來保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖1 電壓型STATCOM基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of three-phase STATCOM voltage type

在感性工況的或容性工況的工作場合下，STATCOM均可以穩(wěn)定可靠運行，兩種不同工況下的相量圖完全不同，如圖2所示。其中，UI表示STATCOM輸出的交流電壓，US表示與STATCOM連接的電網(wǎng)的電壓，UL表示STATCOM等效阻抗兩端的電壓，φ表示STATCOM等效電抗的阻抗角，δ表示US與UI間相位差，這里規(guī)定，當(dāng)US滯后UI時δ為正值，當(dāng)US超前UI時δ為負值。

當(dāng)US超前UI（即δ＜0）的工況下，此時STATCOM處于容性工作狀態(tài)下，煤礦電力系統(tǒng)的電壓US滯后電流I，STATCOM將發(fā)出感性的無功，給煤礦電力系統(tǒng)提供無功補償，維持系統(tǒng)的功率因數(shù)恒定。當(dāng)US滯后UI（即δ＞0）的工況下，此時STATCOM處在感性工作狀態(tài)下，煤礦電力系統(tǒng)的電壓US超前電流I，STATCOM將發(fā)出容性的無功，給煤礦電力系統(tǒng)提供無功補償，維持系統(tǒng)的功率因數(shù)恒定[8]。

STATCOM向煤礦電力系統(tǒng)發(fā)出感性或容性的無功功率，維持系統(tǒng)功率因數(shù)恒定，其無功功率的表達式為：

圖2 STATCOM不同工況下相量圖Fig.2 Phasor diagrams under different conditions of STATCOM

在此公式1中，Q表示STATCOM向煤礦電力系統(tǒng)發(fā)出總無功功率。在δ＞0時，即Q為正值，此時STATCOM向煤礦電力系統(tǒng)發(fā)出容性無功。當(dāng)δ＜0時，即Q為負值，此時STATCOM向煤礦電力系統(tǒng)發(fā)出感性無功。根據(jù)公式1可知：可以通過調(diào)節(jié)δ的正負，能夠?qū)崿F(xiàn)在煤礦電力系統(tǒng)無功多余時吸收無功，無功缺乏時發(fā)出無功。另外，還可以通過調(diào)節(jié)δ值，實現(xiàn)平柔地改變STATCOM向煤礦電力系統(tǒng)發(fā)出容性或者感性無功值[9-10]。由于電壓源或電流源的工作過程不需要有功功率支持，無論在容性工作狀態(tài)還是感性工作狀態(tài)，STATCOM交流邊的電壓與電流都是正交的。

3 STATCOM礦井無功補償系統(tǒng)

STATCOM電流間接調(diào)節(jié)依靠數(shù)字信號處理器（DSP）的強大處理能力，主要包括DSP、高精度電壓互感器、高精度電流互感器、低通濾波器及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等，其線路連接圖如圖3所示。從圖可以看出：高精度電壓互感器V1、V2分別用于測量三相電壓源的電壓及STATCOM直流側(cè)電容的電壓；高精度電流互感器A1、A2、A3分別用于測量電網(wǎng)電流、負載電流和STATCOM交流邊電流；電壓互感器和電流互感器的輸出信號經(jīng)過低通濾波器進行濾波處理，低通濾波器輸出的信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后發(fā)送給DSP的信號輸入端口，DSP調(diào)用內(nèi)部程序進行計算，得到STATCOM補償過程需要的補償角δ，最后依照電網(wǎng)電壓所接收到的同步信號，發(fā)出觸發(fā)脈沖序列，控制逆變橋?qū)ā?/p>

在STATCOM煤礦電力系統(tǒng)無功補償過程中數(shù)據(jù)計算及輸出調(diào)節(jié)是整個過程的關(guān)鍵，電壓、電流及功率因數(shù)等參數(shù)的計算，觸發(fā)脈沖的發(fā)送都是通過以DSP為核心的調(diào)節(jié)單元完成的。調(diào)節(jié)單元的響應(yīng)速度、可靠性和安全性直接關(guān)系整個煤礦電力系統(tǒng)無功補償?shù)挠行?。調(diào)節(jié)單元的結(jié)構(gòu)如圖4所示，選用數(shù)字信號處理器（TMS320F28335）作為調(diào)節(jié)部分的核心芯片，信號反饋用于采集煤礦電力系統(tǒng)的信息，可編程邏輯器件（CPLD）用于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，鍵盤用于控制指令的輸入，顯示屏顯示系統(tǒng)狀態(tài)、參數(shù)。

圖3 STATCOM電流間接調(diào)節(jié)時電網(wǎng)連線Fig.3 Power grid connection when STATCOM adopting current indirect control

圖4 STATCOM調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of STATCOM control unit

4 結(jié)論

智能化電網(wǎng)和智能化礦井是當(dāng)今煤礦企業(yè)的發(fā)展趨勢，電網(wǎng)無功的實時測量和有效補償是智能化電網(wǎng)發(fā)展的必然要求。在分析無功補償器技術(shù)類型及靜止無功補償技術(shù)工作原理基礎(chǔ)上，設(shè)計了電網(wǎng)無功補償系統(tǒng)，其中包括電參數(shù)測量電路、無功調(diào)節(jié)電路等。經(jīng)過分析表明：系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)的運行情況實時調(diào)節(jié)補償?shù)臒o功量，具有測量精度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，滿足綠色電網(wǎng)對無功補償?shù)囊蟆?/p>

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Reactive Compensation Technology of Mine Power System Based on STATCOM

ZHU Jian-feng1, CHEN Li-dong2, LIU Lei2
(1. CCTEG Shenyang Research Institute, Fushun Liaoning 113122; 2. state grid fuxin electric power supply company, Fuxin Liaoning 123000 )

Mine electrical equipment, the use range of mining enterprises in our country, one of the important power equipment of large energy consumption, in the process of work it requires frequent start-up, operation and stop to the coal mine power system reactive power impact are more serious. In this paper, on the basis of analyzing the principle of reactive compensation technology, according to the characteristics of the mine power system for the research of reactive power compensation technology, design of STATCOM mine reactive compensation system and its control unit, power quality and guarantee for improving mine down hole efficiency and safety in production is of great importance.

Mine; Delivery System; Motor; DSP; Reactive Compensation

朱劍鋒，陳立東，劉磊. 基于STATCOM礦井電力系統(tǒng)無功補償技術(shù)[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（11）：64-67.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.11.008

: ZHU Jian-feng, CHEN Li-dong, LIU Lei. Reactive Compensation Technology of Mine Power System Based on STATCOM[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(11) : 64-67.

中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金（2013MS014）

朱劍鋒（1982-），男，工程師，煤礦電氣設(shè)備檢驗及理論研究