井下供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)难芯颗c應(yīng)用

陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司 寧少鋒 馬永航

隨著智能化快速發(fā)展，煤礦大采高工藝的采掘設(shè)備功率大、采面長、供電距離遠(yuǎn)、末端功率大，啟動壓降大影響電控系統(tǒng)正常工作現(xiàn)象普遍。采取調(diào)壓措施不正確但又無其他解決辦法，帶來其他方面問題。為滿足末端大功率設(shè)備啟動，采取地面變電所有載調(diào)壓--主變調(diào)節(jié)電壓，變壓器調(diào)壓不能補(bǔ)償無功，造成地面供電距離近的工業(yè)廣場重要設(shè)備的電壓升至異常值。礦井末端負(fù)荷功率大、壓降大，起動時對整個電網(wǎng)造成電壓波動與閃變，三相負(fù)載不平衡，影響電能質(zhì)量。

變頻器的使用對電網(wǎng)造成諧波污染，是對電網(wǎng)的二次危害，高次諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加電路損耗，浪費電網(wǎng)容量。從地面35kV變電所輸電到井下工作面，電網(wǎng)電壓由于遠(yuǎn)距離輸電，線路損耗大、電壓不穩(wěn)定。井下工作面負(fù)荷功率大、功率因數(shù)普遍在0.65左右，大功率負(fù)荷起動相互影響，存在電壓壓降大、電能質(zhì)量低，一般采取的是調(diào)壓措施，由于調(diào)壓后針對地面與井下不協(xié)調(diào)電壓會影響其它供電區(qū)域。隨著采區(qū)不斷延伸，離井下中央變電所的距離越來越遠(yuǎn)，供電設(shè)計存在計算值不滿足規(guī)定的要求。

目前井下電網(wǎng)質(zhì)量沒有實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集成控制，沒有良好的人機(jī)界面，電能質(zhì)量的諧波運行數(shù)據(jù)不能及時的展視到監(jiān)控中心，沒法保證正常運行與故障診斷的功能，從而影響電能質(zhì)量無法得到解決，長期運行不僅浪費電網(wǎng)而且影響設(shè)備的使用壽命。在配電電網(wǎng)中，地面系統(tǒng)近幾年來各種補(bǔ)償采取了不少，也起到了一定作用，而井下由于受諸多條件限制進(jìn)展緩慢，致使井下電網(wǎng)存在問題得不到解決。研發(fā)一套礦用隔爆兼本質(zhì)安全型鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器，用于改善供電質(zhì)量，提高設(shè)備運行效率，增加設(shè)備運行壽命刻不容緩[1]。

近年來，隨著井下電網(wǎng)無功補(bǔ)償技術(shù)的快速發(fā)展，一些廠家研制出先進(jìn)的井下具有補(bǔ)償、濾波兩種作用的SVG裝置，解決了因補(bǔ)償投切對電網(wǎng)的沖擊，降低了電網(wǎng)諧波干擾，大大改善了供電系統(tǒng)供電質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將SVG裝置系統(tǒng)進(jìn)行集成，實現(xiàn)礦井采掘工作面的無功補(bǔ)償控制，再擴(kuò)展到全礦井下供電系統(tǒng)，使全礦井供電系統(tǒng)電壓得到控制，實現(xiàn)礦井供電系統(tǒng)質(zhì)量的自動化、智能化控制，對提高我國煤礦面貌，在當(dāng)前及今后促進(jìn)煤礦向著標(biāo)準(zhǔn)化管理、節(jié)能減排工作將會起到極大的作用。

1 國內(nèi)外研究水平

大功率的門極可關(guān)斷晶閘管的出現(xiàn)使靜止無功發(fā)生器得到了更快的發(fā)展，變成了柔性交流輸電系統(tǒng)的一個主要組成部分。在調(diào)節(jié)范圍、穩(wěn)定性、體積、可連續(xù)調(diào)節(jié)性等多方面，靜止無功發(fā)生器SVG都非常大的優(yōu)于傳統(tǒng)的靜止無功發(fā)生器。所以靜止無功發(fā)生器變成了無功補(bǔ)償技術(shù)的今后的發(fā)展方向。在很多發(fā)達(dá)和發(fā)展中國家得到了較好的應(yīng)用，同時取得了很好的效果。

1981年關(guān)西電力、三菱電機(jī)一起研制成第一臺主電路采用基于晶閘管強(qiáng)制換相的靜止無功發(fā)生器樣機(jī)，容量為30兆乏。此后靜止無功發(fā)生器的技術(shù)發(fā)展取得了很大的進(jìn)步。1987年美國的電力研究院、西屋公司研發(fā)完成第一臺采用GTO作為開關(guān)元件的靜止無功發(fā)生器實驗裝置,并投入當(dāng)?shù)氐淖冸娬?，容量為?兆乏。1990年關(guān)西電力、三菱電機(jī)再一次在伏山一個變電所投入并運行了60兆乏的靜止無功發(fā)生器。此后西屋電氣有限公司等單位合作在TVA建成電力系統(tǒng)的蘇良變電所建成了±100兆乏的靜止無功發(fā)生器。1998年德國西門子公司研發(fā)了第一臺使用在風(fēng)力發(fā)電的靜止無功發(fā)生器,一臺機(jī)的容量為10兆乏,該靜止無功發(fā)生器裝置在德國黑德風(fēng)場，很大程度的改變了風(fēng)力所發(fā)出電的質(zhì)量。

中國在靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器研究的起步比較晚，但同時也取得了很多的成果。清華大學(xué)聯(lián)合河南省電力局于1999年共同研發(fā)制造出中國第一臺靜止無功發(fā)生器，他的補(bǔ)償裝置以可控硅為開斷的元器件，容量為20兆伏安。此外，華北電力大學(xué)將Space Vector Pulse WidthModulation調(diào)制的應(yīng)用原理在靜止無功發(fā)生器上,達(dá)到了平穩(wěn)補(bǔ)償無功功率的目的。東南大學(xué)經(jīng)過對靜止無功發(fā)生器理論進(jìn)行了深入的研究，最終模擬出了相應(yīng)的模型。

國內(nèi)很多公司在靜止無功發(fā)生器方面也展開了很多的研究，并取得了一定的研究成果。在電壓要求、設(shè)備容量、響應(yīng)速度等方面，這些公司的靜止無功發(fā)生器基本達(dá)到了國際水平。靜止無功發(fā)生器的補(bǔ)償范圍在不斷的擴(kuò)大，由很早以前的僅用于輸電系統(tǒng)的補(bǔ)償，慢慢發(fā)展到變配電系統(tǒng)的補(bǔ)償，更進(jìn)一步的對設(shè)備的負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。靜止無功發(fā)生器的很多方面的優(yōu)點得到無功補(bǔ)償部分的一致認(rèn)可，在設(shè)備參數(shù)、類型等要求不斷嚴(yán)格的自動化、智能化供電系統(tǒng)中，靜止無功發(fā)生器的使用價值得到了充分的展現(xiàn)。

2 各系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)相關(guān)

系統(tǒng)設(shè)計原理。靜止無功發(fā)生器是用運于供電系統(tǒng)中的一種動態(tài)補(bǔ)償無功功率的設(shè)備，連續(xù)、快速的對一直處于變化狀態(tài)的無功進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置存在補(bǔ)償效果不好、反映速度很慢、對供電系統(tǒng)的質(zhì)量有很大的沖擊，使供電系統(tǒng)的頻率發(fā)生很大的變化，供電系統(tǒng)質(zhì)量較差。他的實際原理是將其同時匹配的電抗器和橋式電路直接并聯(lián)在電力系統(tǒng)上，有效的調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側(cè)電流，就可使這個電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，從而達(dá)到動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

技術(shù)路線。靜止無功發(fā)生器，每相根據(jù)設(shè)備電壓的等級由一定數(shù)量的功率模塊串聯(lián)組成，三相采用星型接法，通過電抗器與電網(wǎng)連接，實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償功能。軟啟動交接及軟啟動電阻起到限制啟動電流的作用。其中，功率模塊的電路采用單相H橋式逆變電路。由于各個功率模塊電氣結(jié)構(gòu)完全相同，使得鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器具有較高的可維護(hù)性[2]。

關(guān)鍵技術(shù)特點。本系統(tǒng)是一種新型的高壓大容量補(bǔ)償裝置，使用高頻電力電子開關(guān)器件取代傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置中的電容器及電抗器，實現(xiàn)快速的動態(tài)補(bǔ)償，與傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置相比具有以下特點：控制芯片。采用先進(jìn)的DSP+ARM雙核處理器，復(fù)雜可編程邏輯器件FPGA及CPLD；控制供電。具有電源冗余功能，可實現(xiàn)多樣化的補(bǔ)償功能；模塊化設(shè)計，維護(hù)方便；功率模塊隔離方式：光纖隔離；響應(yīng)速度快，最快可達(dá)5ms；運行范圍更寬，輸出諧波含量低；功率半導(dǎo)體器件：IGBT；整機(jī)保護(hù)。輸入過壓、輸入欠壓、輸入錯相、輸入缺相、輸出過載、模塊故障、PLC故障、控制器故障、輸入交接故障、軟啟動交接故障、柜門異常、風(fēng)機(jī)故障；功率模塊保護(hù)。直流母線過壓、直流母線欠壓、通訊故障、模塊過熱、開關(guān)電源故障、模塊過流。

2.2 控制系統(tǒng)

靜止無功發(fā)生器的主要控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對這個設(shè)備的控制要求，是整套設(shè)備的主要核心部件，其中包含了冗余單元、電源、檢測單元、監(jiān)控單元、狀態(tài)顯示燈等。

冗余單元、電源。主要是為靜止無功發(fā)生器提供控制設(shè)備晶閘管、設(shè)備用電、以及對設(shè)備用電的可靠性的控制，主要部分由開關(guān)、UPS等部件構(gòu)成。其中采用了兩組開關(guān)電源，經(jīng)過電源冗余電路板一起向靜止無功發(fā)生的的控制系統(tǒng)提供電源，更加可靠、有效的保證了控制系統(tǒng)的運行；檢測單元。主要對輸出電壓、輸入電壓，控制電壓、輸入電流，輸出電流等檢測，根據(jù)所檢測的結(jié)果對各個檢測量進(jìn)行分析、控制，同時輸出相對應(yīng)的信號，對每個功率單元的開關(guān)進(jìn)行控制等。

監(jiān)控單元。主要在設(shè)備運行過程當(dāng)中，通過設(shè)備運行的電流、電壓、功率因數(shù)、無功、有功功率等進(jìn)行監(jiān)控，同時設(shè)備設(shè)備的運行參數(shù)、運行指令、控制參數(shù)等，使設(shè)備在達(dá)到滿足功率因數(shù)的條件下運行，補(bǔ)償設(shè)備的無功，功率因數(shù)達(dá)到0.9以上運行，通過上位機(jī)實現(xiàn)嵌入式的操作監(jiān)控系統(tǒng)，通過人機(jī)界面實現(xiàn)對設(shè)備的控制及操作。使用者可以在上位機(jī)上進(jìn)行操作對靜止無功發(fā)生器設(shè)備的開停、設(shè)備運行的狀態(tài)、設(shè)備運行的參數(shù)、設(shè)備運行故障的狀態(tài)等，查找設(shè)備出現(xiàn)的故障，根據(jù)不同的設(shè)備設(shè)置設(shè)備運行的參數(shù)等。

2.3 功率模塊、軟啟動組件、開關(guān)柜

功率模塊主要組成部分為霍爾傳感器和功率模塊構(gòu)成，其主要組成部分為各類電容、驅(qū)動電路板、電源模塊電路板、散熱器、功率單元、絕緣柵雙極型晶體管模塊等。驅(qū)動電路板的主要作用是將控制系統(tǒng)下發(fā)的脈沖寬度調(diào)制信號解碼并輸出，同時檢測故障模塊的信息，對設(shè)備保護(hù)，并且同時將信息編碼上傳，電源模塊電路板負(fù)責(zé)對功率模塊的控制提供電源，各類電容為功率模塊提供電壓的支撐，也可以作為限制整個系統(tǒng)中電壓上升過大，晶體管過電壓運行，保證晶體管的安全運行，在功率單元運行過程當(dāng)中會產(chǎn)生大量的熱量，為了便于保護(hù)功率單元的安全運行，散熱器將產(chǎn)生的熱量及時排出，確保晶體管的可靠工作。

軟啟動組件主要功能為在設(shè)備啟動過程中產(chǎn)生較大的諧波、大電流、低電壓等現(xiàn)象，從而保護(hù)設(shè)備安全運行，對產(chǎn)生的諧波、初始電流及電壓等進(jìn)行抑制，帶電運行時，軟啟動接觸器吸合，設(shè)備在運行過程中先經(jīng)過軟啟動電阻進(jìn)行充電，然后合主交接，再次軟啟動交接切斷，設(shè)備進(jìn)入正常運行狀態(tài)。

外接開關(guān)柜內(nèi)部器件均可根據(jù)實際需要定制，通常包含高壓帶電顯示器、電流采樣、隔離開關(guān)等。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計功能

系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、顯示操作系統(tǒng)、水冷功率單元、隔離及緩沖系統(tǒng)、隔離及濾波電抗器、內(nèi)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等幾部分組成。采用電力電子電能變換和控制技術(shù)，專門為電力系統(tǒng)中的無功功率進(jìn)行快速的動態(tài)補(bǔ)償，它并聯(lián)于電網(wǎng)上，其無功電流可以快速地跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化，自動補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無功功率，不僅能補(bǔ)償感性無功，還能補(bǔ)償容性無功，響應(yīng)速度更快、限制電壓波動及閃變能力更強(qiáng)，運行范圍更寬、自身諧波極低。

主要功能如下：動態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)無功電流，調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，維持電網(wǎng)功率因數(shù)穩(wěn)定；提高系統(tǒng)電能質(zhì)量穩(wěn)定性和輸電能力；減少電壓波動和抑制電壓閃變；系統(tǒng)故障情況下提供電壓支撐。

3 效益分析

3.1 年節(jié)電量計算

無功補(bǔ)償和諧波治理后可使供電系統(tǒng)功率因數(shù)提高到0.9以上，使供電系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)電網(wǎng)中諧波含量低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求，是最經(jīng)濟(jì)合理的補(bǔ)償。其中節(jié)電量計算：每1kVar年節(jié)電量Pj=Qc×Cb1×Tn×Kfh-Qs，式中:Pj為年節(jié)電量；Qc為有效無功補(bǔ)償容量、1kVar；Cb1為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，三級變壓，取0.298；Tn為設(shè)備年運行小時，7200小時；Kfh為負(fù)荷率，取0.73；Qs為無功補(bǔ)償設(shè)備自身電能損耗（損耗率為0.5%），Qs=Qc×Tn×0.005×0.73=26.28。上式計算得：Pj=1×0.298×7200×0.73-26.28=1540kWh，按電價0.57元/kWh計算，得每1kVar年節(jié)能費用為800元。

3.2 全礦井下采掘設(shè)備就地補(bǔ)償效益預(yù)測

目前井下采掘運設(shè)備平均功率因數(shù)一般在0.6～0.7之間，安裝無功發(fā)生器后功率因數(shù)可提高到0.95以上。目前全礦井采掘運變壓器額定容量大致在30000kVA，平均負(fù)荷率取0.7（經(jīng)摸底，井下采掘運設(shè)備功率因數(shù)幾乎都在0.6左右），按補(bǔ)償容量30%估算，全礦井下采掘運設(shè)備所需就地補(bǔ)償容量大約為6300kVar。按800元/kVar計算，全礦每年可節(jié)約6300×800=504萬元。考慮電容介質(zhì)損耗，大約需裝備400kVar/臺的補(bǔ)償裝置20臺，按每臺40萬元計算需800萬元，加上設(shè)備折舊和維修費用等，預(yù)計兩年即可收回投資成本，之后每年可直接創(chuàng)益504萬元。

綜上，隨著采區(qū)不斷延伸，離井下中央變電所的距離越來越遠(yuǎn)，掘進(jìn)機(jī)在1500米處作業(yè)時由于功率因數(shù)的降低設(shè)備啟動困難，按照傳統(tǒng)解決辦法需要再并入一路電纜提高設(shè)備功率因數(shù)，這樣不僅提高了井下電網(wǎng)的建設(shè)成本，而且增加掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工作的時間周期[3]。