煤礦供電系統(tǒng)無功補償新技術的應用分析

王靈慧

（潞安化工集團王莊煤礦，山西 長治 046000）

在各類用電設備啟動、停止的過程中會消耗大量的無功功率，不僅在一定程度上降低了供電效率和穩(wěn)定性，而且由于無功功率量的不可控性及突變性，會給電網(wǎng)造成很大沖擊。無功功率是評價供電質量的核心技術指標。無功功率過大會導致消耗過多的電量，降低供電的經濟性，而無功功率不足則會導致設備長期處于欠壓運行或者低功率運行，影響設備的使用壽命。因此如何保證供電系統(tǒng)內無功功率的動態(tài)平衡，就成了科技人員重點研究的內容。

目前常用的平衡無功功率的方法主要利用供電設備向用電負荷提供或者在用電設備附近增加無功功率發(fā)生裝置進行補償?shù)姆椒?，但這兩種方法均存在無法精確控制無功功率補償量、功率轉換量低、經濟性和穩(wěn)定性差的不足[1]。為解決前述問題，提出了一種新的煤礦供電系統(tǒng)無功補償技術，采用晶閘管投切電容器（以下簡稱TSC）及靜止無功發(fā)生器（以下簡稱SVG）相結合的控制方案[2]，充分結合了TSC控制技術靈活性高、補償容量大，SVG連續(xù)輸出性強、感性無功的優(yōu)點，開發(fā)了混合補償控制裝置，對無功補償進行分層協(xié)調控制，實現(xiàn)了供電網(wǎng)絡無功補償?shù)膭討B(tài)平衡。根據(jù)仿真分析表明該技術能夠將系統(tǒng)整體功率因數(shù)提升31.6%，對提升煤礦供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和經濟性具有十分重要的意義。

1 SVG與TSC聯(lián)合控制結構

該聯(lián)合控制方案控制結構如圖1所示。

圖1 SVG與TSC聯(lián)合控制結構

由圖1可知，該控制系統(tǒng)中系統(tǒng)首先對電網(wǎng)內的無功功率補償值進行檢測，然后經過混合控制策略分析后將值分別分配給SVG與TSC。其中，TSC主要是用于對大容量無功功率進行有級補償，SVG則主要是用于對TSC補償缺失的部分進行無級連續(xù)補償，從而保證對無功功率因數(shù)的提升，且還能夠在工作中進行電網(wǎng)三相不平衡的調節(jié)。在補償過程中該混合補償所提供的無功補償數(shù)值變化情況和實際電網(wǎng)的負載需求變化情況是相對應的。

在該控制結構中，SVG的響應速度高于TSC，因此在實際工作過程中，需要由TSC首先進行無功功率的補償，直到達到該裝置的最大功率輸出點后再由靈敏度高的SVG進行無功功率補償，補償達到平衡后靜止無功發(fā)生器逐漸由極限輸出工作狀態(tài)轉換為無功輸出的普通狀態(tài)并對三相不平衡情況進行優(yōu)化。因此在進行控制系統(tǒng)設計時需要按順序控制兩種發(fā)生器的工作狀態(tài)，從而解決靜止無功發(fā)生器長期在極限運行時穩(wěn)定性差、壽命低的問題。

2 SVG與TSC聯(lián)合補充控制邏輯

無功補償技術的核心目的是實現(xiàn)供電系統(tǒng)內的無功功率平衡及提升三相平衡度，從而顯著提升供電系統(tǒng)的功率因數(shù)、減少負荷的不平衡性。根據(jù)所提出的SVG及TSC聯(lián)合控制系統(tǒng)結構，在工作時首先利用TSC可大容量快速投切的特點，提升功率因數(shù)，對系統(tǒng)粗補償(仍使系統(tǒng)處于不完全補償狀態(tài))。然后再利用SVG能夠從感性到容性連續(xù)輸出無功功率的特點對電路內的無功功率進行補償，提升系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時還能夠對系統(tǒng)內的三相不平衡問題進行改善。

結合控制需求，本次設計所提出的SVG及TSC聯(lián)合控制系統(tǒng)整體包括了協(xié)調控制層、執(zhí)行層及無功控制層三個部分，其整體控制結構如圖2所示[3]。

圖2 聯(lián)合控制系統(tǒng)結構

由圖2可知，系統(tǒng)在工作時，首先利用協(xié)調控制層來對電網(wǎng)運行時的狀態(tài)信息進行采集，通過控制中心對系統(tǒng)的無功功率缺口及三相不平衡度情況進行分析，根據(jù)分析結果自動匹配適合的電容器投切組數(shù)及投切控制方案，再根據(jù)SVG及TSC的特性自動分配相應的補償容量。系統(tǒng)的無功控制層根據(jù)系統(tǒng)分配的控制方案，對其進行二進制編碼并發(fā)出調節(jié)控制指令，最后由執(zhí)行層進行控制指令的輸出和調節(jié)，實現(xiàn)對系統(tǒng)無功功率平衡的補償及對三相不平衡性的優(yōu)化。

3 電網(wǎng)參數(shù)采集位置確定

目前常用的位置監(jiān)測方法包括以用電負載作為檢測位置以及將電源側作為檢測位置兩種方案[4]。

以用電負載作為檢測位置。該系統(tǒng)具有檢測速度快、控制簡單的優(yōu)點，但其采用的為開環(huán)的控制方案，系統(tǒng)控制精度稍顯不足。

以用電源側（補償設備側）作為檢測位置。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于實現(xiàn)了對控制信息的閉環(huán)控制，能夠在工作中進行實時動態(tài)補償，從而能夠有效地提升系統(tǒng)的補償精度，同時該系統(tǒng)由于是以保證電源一側的電壓相位跟蹤，使其和系統(tǒng)的電源參數(shù)保持一致。

該控制系統(tǒng)的核心在于滿足對供電網(wǎng)絡無功補償快速性和準確性的需求，單獨采用用電負載作為檢測位置及電源側檢測位置均無法達到控制需求。因此在經過多次實際驗證后，本次研究將SVG的檢測位置設置到用電負載側，將TSC的檢測位置設置到補償設備側。一方面利用TSC控制反應速度慢的特點，將檢測位置設置到用電負載側能夠進行快速補償，而且該控制系統(tǒng)的控制邏輯相對簡單，可靠性好。另一方面利用SVG反應速度快的優(yōu)勢，將其設置在補償設備側，能精確地跟蹤監(jiān)測位置的電網(wǎng)運行參數(shù)。通過兩種控制模式相結合的方案能夠實現(xiàn)對供電系統(tǒng)快速、精確的功率補償控制，改善系統(tǒng)的三相不平衡性，該組合式的檢測位置布置結構如圖3所示[5]。

圖3 監(jiān)測位置布置結構

4 系統(tǒng)仿真分析

為了對該綜合控制系統(tǒng)的實際應用效果進行驗證，利用MATLAB仿真分析軟件及Simulink仿真工具[6]的電子電力模塊庫建立該綜合控制系統(tǒng)的仿真分析模型。在進行仿真分析時，首先對系統(tǒng)輸入電網(wǎng)監(jiān)測參數(shù)，然后通過TSC向電網(wǎng)系統(tǒng)內快速提供大量的無功功率，對其進行第一階段的粗略補償，再啟動SVG對其進行第二階段的平滑連續(xù)調節(jié)，對無功補償量進行修正，提升其運行時的功率因數(shù)，改善系統(tǒng)運行時的三相不平衡問題。

5 結論

針對煤礦電網(wǎng)供電負載不斷增大三相功率不平衡嚴重、功率因數(shù)不足的現(xiàn)狀，提出了一種新的煤礦供電系統(tǒng)無功補償技術，采用TSC（晶閘管投切電容器）及SVG（靜止無功發(fā)生器）混合補償控制方案實現(xiàn)了對煤礦供電系統(tǒng)的無功補償，根據(jù)仿真分析表明：

1）采用TSC（晶閘管投切電容器）及SVG（靜止無功發(fā)生器）相結合的控制方案，通過混合控制模式按順序控制兩種發(fā)生器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)三相不平衡和功率因數(shù)補償。

2）靜止無功發(fā)生器及晶閘管投切電容器聯(lián)合控制系統(tǒng)整體包括了協(xié)調控制層、執(zhí)行層及無功控制層三個部分，結構緊湊，控制穩(wěn)定性好。

3）該技術能夠將系統(tǒng)整體功率因數(shù)提升31.6%，同時能夠有效解決系統(tǒng)內的三相不平衡情況，提升系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。

4）該無功補償技術目前在仿真分析中得驗證，在項目批準，資金到位后將投入工業(yè)試驗。