礦井提升機的動態(tài)無功補償方案設計與仿真

張文帥

（陽泉煤業(yè)集團七元煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

引言

煤礦生產以大型、大功率機電設備為主，在實際生產中大功率的沖擊性載荷會對整個煤礦供電網絡造成沖擊，嚴重威脅供電網絡的安全，直接表現為在電路中存在過電流或者欠電壓的影響，對于煤礦的可靠、安全生產造成影響[1]。

提升機作為煤礦生產的重要運輸設備，其承擔煤炭、物料以及人員的運輸，為了解決提升機的典型沖擊性負荷對電網造成的污染和諧波問題，本文將重點設計提升機的動態(tài)無功補償方案，并對補償效果進行仿真分析。

1 礦井提升機負荷對電網的影響

在煤礦生產中大型電子裝備應用較多，包括大型直驅提升機、軟啟動帶式輸送機等設備的頻繁啟動會對電網造成沖擊。因此，為保證煤礦供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要對上述設備所造成的沖擊載荷進行就地補償；此外，還需根據沖擊負載的變化率完成動態(tài)無功補償的工作[2]。

在實際生產中，為提升機配置的電動機屬于直流電動機，本礦與其配套電動機的功率為2 100 kW。提升機的主傳動示意圖如圖1所示。

圖1 提升機電動機傳動示意圖

簡單講，對于大功率負載的提升機而言，由于負載的變化其所產生的負載無功功率的變化對整個電網系統(tǒng)造成干擾；而且，當煤礦供電網絡的短路容量又特別小時會加劇干擾現象。在實際生產中，提升機的運行狀態(tài)分為6個階段，包括初加速度階段、主加速度階段、等速度運行階段、減速運行階段、爬行運行階段以及停車抱閘運行階段。在不同運行階段對應的有功功率和無功功率的大小與傳動系統(tǒng)所配置整流器的觸發(fā)延遲角和負載電路值相關[3]。經實際測量，提升機在上述6個不同運行階段對應沖擊功率（無功功率、有功功率、視在功率）如表1所示。

表1 提升機在不同運行階段的沖擊功率值

為定量分析提升機負載變化對電網造成的沖擊干擾問題，一般通過對功率因數、電壓波動以及電壓總諧波畸變率三項參數進行評估。根據相關標準及規(guī)范要求可知，對于標稱電壓為6 kV的供電網絡時，在負載沖擊的影響下，整個供電網絡的功率因數應大于0.9，電壓的波動率應小于7%，電壓總諧波畸變率應小于4%。

根據表1中提升機在不同運行階段沖擊功率值可以得出：

1）提升機在整個工作過程中的功率因數小于0.8，約0.725；而且在主加速階段的功率因素最低，僅為0.367。

2）在提升機運行的不同階段中，供電網絡電壓的最大波動率可達11.6%，而最小電壓波動率僅為2.2%；

3）提升機在不同運行階段的總電壓平均諧波畸變率為4.33%。

綜上，提升機電氣傳動系統(tǒng)對供電網絡的影響，包括功率因數、電壓波動率以及電壓總諧波畸變率均超出相關標準要求。因此，急需在標稱電壓為6 kV供電網絡的母線上設計一套動態(tài)無功補償裝置，以有效解決功率因數、電壓波動率以及電壓諧波畸變率不滿足要求的問題。

2 提升機動態(tài)無功補償方案的設計

當前礦井生產為現代化礦井，其設備控制以電子元器件為主。從上述分析可知，由于提升機的負載變化對供電網絡造成污染，導致供電網絡功率因數很低。因此，本文將結合實際生產需求設計動態(tài)無功補償方案，包括對補償容量的計算、濾波裝置的設計和控制系統(tǒng)的設計。

2.1 補償容量的計算

結合提升機的實際生產工況，其對應的最大無功波動量為提升機的最大無功功率（6 880 kVar）和最小無功功率（1 120 kVar）的差值，即最大無功波動量為5 760 kVar=5.76 MVar。

2.1.1 無功波動容量的計算

根據國家標準規(guī)定，對于標稱電壓為6 kV的供電網絡而言，電壓的波動范圍不得超過其短路容量（50 MVA）的7%。因此，可以得出提升機的無功波動容量為5.76 MVar-50×7%=2.264 MVar。

2.1.2 有功容量的計算

考慮最嚴格的條件，在補償之前的供電網絡的功率因數cosφ1為0.367，補償滯后供電網絡的功率因數cosφ2達到0.95，對應的tanφ1=2.535、tanφ2=0.328 7。則可以得出，有功容量為5 250×（2.532-0.328 7）=11 583.075 kVar。

則可以得出需要的最大動態(tài)無功補償容量為2.264+11.583=13.847 MVar。

2.2 濾波裝置的設計

由于本供電網絡中的電壓波動率和諧波電壓畸變率均不滿足要求。因此，還需為供電網絡配置有效的濾波電路，如圖2所示。

根據供電網絡電壓波動和電壓諧波畸變率，需設計3次、5次、7次和11次濾波電路，對應的參數如表2所示。

圖2 濾波裝置對應濾波電路的設計

表2 濾波電路參數

在圖1中傳動電路的基礎上所得的動態(tài)無功補償裝置如圖3所示。

圖3 提升機動態(tài)無功補償裝置接線圖

3 提升機動態(tài)無功補償裝置仿真分析

為驗證所設計提升機的動態(tài)無功補償裝置對整個供電網絡功率因數、電壓波動率和電壓諧波畸變率的改善情況?；贛ATLAB軟件建立動態(tài)無功補償控制器的仿真模型，并根據計算所得的補償的容量和表2中濾波電路的參數進行模型設置。

經過仿真分析得出如表3所示的仿真結論。

表3 動態(tài)無功補償控制器的補償效果

如表3所示，采用動態(tài)無功補償控制器后供電網絡的功率因數、電壓波動率和電壓諧波畸變率均滿足國家標準的要求。

4 結論

提升機作為煤礦生產的大功率機電設備，其在啟動階段產生的負載變化會對供電網絡造成沖擊，從而影響整個供電網絡的穩(wěn)定性和可靠性。本文在對當前供電網絡功率因數、電壓波動率和電壓諧波畸變率分析的基礎上，采用動態(tài)無功補償控制器進行改善。具體總結如下：

1）所設計控制器的補償容量為13.847 MVar；

2）在功率補償的基礎上，設計了3次、5次、7次、11次諧波濾波電路和高通濾波裝置；

3）通過MATLAB仿真分析，采用所設計的控制器對供電網絡功率因數、電壓波動率和電壓諧波畸變率的改善滿足國家標準要求。