提高礦山企業(yè)電力系統(tǒng)功率因數(shù)的方法

李艷蕓

（冀中能源集團股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054001）

無功功率增加，這就導(dǎo)致供電系統(tǒng)的功率因數(shù)變小，對電源的要求也會增強，只有電源容量大的供電系統(tǒng)才能正常維持電力設(shè)備運行，但會導(dǎo)致發(fā)電機的輸出功率減少，減低發(fā)電機的有功輸出，提高功率因數(shù)對企業(yè)發(fā)展和電力系統(tǒng)是有重要意義的。

1 高功率因數(shù)矩陣電力變換器在礦企電力系統(tǒng)中的控制研究

1.1 高功率因數(shù)矩陣電力變換器的電流跟蹤控制法

高功率因數(shù)矩陣電力變換器的電流跟蹤控制法指的就是：將其所實際測量出來的電流信號數(shù)據(jù)與三相輸出的電流信號數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的比較之后，并進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)階段變換器電源開關(guān)的實際狀態(tài)，來對比較之后所形成的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析，進(jìn)而確定變換器的開關(guān)動作。運用電流跟蹤控制法來對礦企中的高功率因數(shù)矩陣電力變換器進(jìn)行全面控制，不僅操作簡單且其主要的工作原理也通常比較容易被理解與接受，且其自身的響應(yīng)速度一般也較為迅速，這是該控制法的優(yōu)勢特征。

1.2 高功率因數(shù)矩陣電力變換器直接變換控制法

在高功率因數(shù)矩陣電力變換器的控制方法中，直接變換控制法又可以被劃分為電流諧波注入法和坐標(biāo)變換法以及等效電導(dǎo)法及標(biāo)量法等重要的部分。一般，高功率因數(shù)矩陣電力變換器直接變換控制法通常是直接對輸入的電壓進(jìn)行連續(xù)的斬波，并進(jìn)一步將其合成有效的輸出電壓，來對高功率因數(shù)矩陣電力變換器的電流電壓進(jìn)行全面控制的。雖然說高功率因數(shù)矩陣電力變換器直接變換控制法中的方法組成分類很多，且每一個方法自身都具有相應(yīng)的優(yōu)勢特征，不過和高功率因數(shù)矩陣電力變換器的電流跟蹤控制法相同，其自身也存在明顯的漏洞與缺陷，比如說標(biāo)量法在對高功率因數(shù)矩陣電力變換器進(jìn)行控制時，雖然能夠輸入較好的電流波形，但是其所輸出的電流波形就往往會存在嚴(yán)重的諧波問題。這就導(dǎo)致直接變換控制法在高功率因數(shù)矩陣電力變換器中的應(yīng)用受到了較大的影響與限制。

2 高功率因數(shù)矩陣電力變換器空間矢量調(diào)制

2.1 空間矢量調(diào)制的應(yīng)用研究

在高功率因數(shù)矩陣電力變換器的各種控制法中，空間矢量調(diào)制技術(shù)是其中一項應(yīng)用最為廣泛，且功能價值較高的控制技術(shù)。一般，又把空間矢量調(diào)制稱為間接變換法，是通過全面運用空間矢量變換來達(dá)到電流控制目的的高功率因數(shù)矩陣電力變換器控制方法。運用空間矢量調(diào)制控制，往往能夠直接將變換器中的交流-交流模式轉(zhuǎn)變成直交與交直變換的模式，這就使得變換器能夠更加有效的對高頻整流技術(shù)進(jìn)行全面的應(yīng)用，從而進(jìn)一步改善變換器的實際性能水平。雖然說該控制方案具有明顯的復(fù)雜性特征，且其往往會缺乏相應(yīng)的動態(tài)理論來為其提供有力的支撐與保障，但是，空間矢量調(diào)制控制在高功率因數(shù)矩陣電力變換器中的應(yīng)用范圍比較廣泛，且其不僅能夠全面的對輸入波形進(jìn)行合理控制，同時也能在一定程度上對輸出波形進(jìn)行有效控制，還能進(jìn)一步完善輸入的功率因數(shù)。在現(xiàn)階段的高功率因數(shù)矩陣電力變換器中，空間矢量調(diào)制控制具有廣闊的發(fā)展空間和光明的發(fā)展前景。

2.3 空間矢量調(diào)制方案的仿真分析

為了能夠進(jìn)一步對高功率因數(shù)矩陣電力變換器中的空間矢量調(diào)制方案進(jìn)行有效的驗證，本文中就通過運用MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真軟件，來對高功率因數(shù)矩陣電力變換器進(jìn)行全面的仿真分析。在進(jìn)行實際的仿真分析之前，我們首先要對仿真參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置，一般情況下，我們會將輸入電壓設(shè)置為220V/60Hz，且將輸出頻率設(shè)置成40Hz，將電感設(shè)置為50mH，將電阻設(shè)置成30Ω，并進(jìn)一步將負(fù)載設(shè)置為阻感負(fù)載，然后運用MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真軟件，來為其建立起一個模塊化子系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析與研究。其中，我們將主電路仿真模型中的開關(guān)設(shè)置成雙向開關(guān)的形式，則高功率因數(shù)矩陣電力變換器中的輸入相電流與其實際的輸入相電壓相位的對比情況如圖1所示。

圖1 輸入相電流與其實際的輸入相電壓相位的對比

通過仿真模型中所形成的波形情況我們可以看出，運用空間矢量調(diào)制的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)矩陣電力變換器中變壓與變頻功能，同時也能進(jìn)一步對MC輸入的功率因素進(jìn)行科學(xué)合理的控制。所以說，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，高功率因數(shù)矩陣電力變換器在礦山變頻驅(qū)動設(shè)備中的應(yīng)用也必將更加廣泛。

3 提高功率因數(shù)的方法

3.1 提高自然功率因數(shù)

能源開采企業(yè)所使用的用電設(shè)備，其運行系統(tǒng)功率因數(shù)提高方法需要將自然功率因數(shù)提高上來，才能達(dá)到預(yù)期效果，由于提高用電設(shè)備自然功率因數(shù)不需要額外設(shè)備，主要是依靠降低礦山用電設(shè)備無功功率，而功率因數(shù)的大小、電動機容量及電動機的型號都是都是對電動機的選擇有一定限制，使用異步電動機與同步電動機可以將礦用電器設(shè)備的功率因數(shù)提升上來，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)電器設(shè)備的運行方式及變壓器的容量會對功率因數(shù)產(chǎn)生影響，因此要將變壓器負(fù)載率低的電機更換掉，使用負(fù)載率高的電機提高系統(tǒng)的自然功率，將小容量的電動機進(jìn)行淘汰，取而代之是大容量電動機，這樣做可以將礦企電氣設(shè)備功率因數(shù)大幅度提升，對于帶故障運行的電機設(shè)備要及時進(jìn)行更新，鼓勵專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)革新，同時礦企也要制定合理的工藝流程，提高電動機的功率因數(shù)。

3.2 人工補償功率因數(shù)

靜止補償器與同步補償器是人工補償裝置的重要組成部分，同步補償器屬于電氣設(shè)備的無功功率發(fā)電機，它對電網(wǎng)的功率因數(shù)提升起到一定作用，同時也對礦企電氣設(shè)備電路電壓起到了調(diào)節(jié)功能。同步補償器具若超負(fù)荷工作，其能量損耗也會隨之增加；相比較而言靜止補償器實際應(yīng)用成本過高，一旦出現(xiàn)故障后期維修較復(fù)雜。使用靜止補償器時我們可以對電力設(shè)備進(jìn)行無功補償。在低壓狀態(tài)下運行其運行時間較長的用電設(shè)備可以使用就地補償器，它可以將電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，將無功損耗降到最低。分散補償能夠?qū)㈦娙萜鞣纸M分配在變電所、配電室的分路線上，它的利用率與其它補償方法相比利用率較高；集中補償可以將總降壓變電所安裝電容器組集，這種方法較安全且利用率高。

高壓或低壓補償方式按下式選擇：

若補償量大于低壓電容器經(jīng)濟容量宜選用低壓補償方式。

式中Qjs為低壓計算負(fù)荷無功功率；Qcd為低壓電容器組容量；Ud為低壓線路的線電壓；R為包括變壓器和至低壓電容器線路的每相電阻；Ad為低壓電力電容器每千乏的初投資；nb為附加一次投資的還本年限數(shù)；F為電價；T為電容器組年利用小時數(shù)。隨機補充是低壓電容器組合電機并聯(lián)，可以控制保護裝置，不需要經(jīng)常調(diào)整補償容量、占地小，且安裝簡單、安全、維修方便。隨器補償是補償變壓器空載無功的方法，接線簡易、維修方便、降低無功損耗、經(jīng)濟性能好。跟蹤補償可以替代隨機、隨器補償方式，效果也比較好，使用時間長，應(yīng)用靈活，但前期投入資金較多。

4 結(jié)語

基于有功功率礦山用電設(shè)備的功率因數(shù)小是由于有功功率變大，而用電設(shè)備電壓出現(xiàn)一定波動的原因是由無功功率變大而引起的，導(dǎo)致耗電量變大，我國大多數(shù)能源開采企業(yè)的用電設(shè)備耗電量較大，而在國家在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排這一大環(huán)境下，想要節(jié)省電能消耗，就需要提高用電設(shè)備的功率因數(shù)，為此研究了提高礦企用電設(shè)備的功率因數(shù)具體方法，例如實行人工補償方法或提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)，力求為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。