礦井供電系統(tǒng)就地?zé)o功補(bǔ)償方案研究

摘要：為提高礦井供電穩(wěn)定性，確保煤礦的安全生產(chǎn)，闡述了無功補(bǔ)償在礦井供電系統(tǒng)中的意義，以山東某礦井為例，分析當(dāng)前供電系統(tǒng)現(xiàn)狀，根據(jù)無功發(fā)生器（SVG）原理，確定SVG控制方法與裝置容量。結(jié)果表明，SVG就地?zé)o功補(bǔ)償能夠顯著降低諧波含量，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。綜合礦井情況，建議礦井結(jié)合供電系統(tǒng)制訂無功補(bǔ)償方案，滿足設(shè)備運(yùn)行需求。

關(guān)鍵詞：礦井供電系統(tǒng)就地?zé)o功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD611

Researchonon-siteReactivePowerCompensationSchemeforMinePowerSupplySystem

FANGWeiZHAOLianzhen

ZaozhuangMining（Group）Co.，Ltd.，Zaozhuang，ShandongProvince，277000China

Abstract：Toimprovethestabilityofminepowersupplyandensurethesafetyofcoalmineproduction.Thesignificanceofreactivepowercompensationinminepowersupplysystemisexplained.TakingamineinShandongasanexample，thecurrentstatusofthepowersupplysystemisanalyzed.Basedontheprincipleofreactivepowergenerator（SVG），theSVGcontrolmethodanddevicecapacityaredetermined.TheresultsindicatethatSVGon-sitereactivepowercompensationcansignificantlyreduceharmoniccontentandstabilizegridvoltage.Basedontheoverallsituationofthemine，itisrecommendedthatthemineQOYjP8vmuvRCDv3DG/FwYG1SzsXIqhwPkP8UKWKC/m8=developareactivepowercompensationplaninconjunctionwiththepowersupplysystemtomeettheoperationalneedsoftheequipment.

KeyWords：Mine;Powersupplysystem;Onsitereactivepowercompensation;Conceptualdesign

我國作為能源消耗大國，對(duì)煤炭需求量較大，需保證礦井供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，方能合理應(yīng)用煤炭開采、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備，提高生產(chǎn)效率。但是，礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣、容量較大，依賴非線性電氣設(shè)備支持，必定會(huì)引發(fā)無功問題，干擾設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。因此，在礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行中，須采取就地?zé)o功補(bǔ)償方法，妥善解決無功功率問題，提高動(dòng)態(tài)補(bǔ)償速度與精準(zhǔn)度，強(qiáng)化電網(wǎng)安全性。

1無功補(bǔ)償在礦井供電系統(tǒng)中的意義

煤礦供電系統(tǒng)工作存在特殊性，要求雙回路供電，保證供電穩(wěn)定性，盡量消除干擾、抑制電壓波動(dòng)，卻由于煤礦絞車等設(shè)備負(fù)荷大、重復(fù)工作，容易增加電壓波動(dòng)。這些設(shè)備將會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成沖擊，產(chǎn)生諧波，降低功率因數(shù)與電能質(zhì)量，埋下運(yùn)行隱患。而無功補(bǔ)償能夠挖掘電力資源，提高電能質(zhì)量，對(duì)供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性意義重大。

2礦井供電系統(tǒng)就地?zé)o功補(bǔ)償方案研究

2.1當(dāng)前供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

某煤礦66kV變電所處于礦井場(chǎng)地東南部，設(shè)置8000kVA變壓器2臺(tái)，有66kV架空進(jìn)線兩回，1回電源是220kV一次變電所玉（主？）營線分支，1回是220kV變電所九環(huán)線分支。礦井供電系統(tǒng)出現(xiàn)無功情況，具體如下。

2.1.1無功欠補(bǔ)，功率因數(shù)不足

該礦井母線中，盡管設(shè)置投切電容補(bǔ)償器，卻在公共點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，功率因數(shù)較低，計(jì)算缺少3960kVar無功功率，明顯設(shè)置無功補(bǔ)償裝置少。

2.1.2電容器頻繁投切

電容器組件以電容為主，受到充放電影響，裝置難以持續(xù)運(yùn)行將出現(xiàn)跳變情況，將其用于礦井供電，可生成高頻率、高幅值電流，超過正常電流數(shù)倍，破壞供電線路。同時(shí)，頻繁投切下，6kV母線瞬間電壓變化超過8%，威脅用電設(shè)備。

2.1.3設(shè)備負(fù)荷較大

礦井多使用主變、提升機(jī)等設(shè)備，受限于工作特性，負(fù)荷波動(dòng)大，容易產(chǎn)生無功功率，進(jìn)而降低電壓，影響其他設(shè)備運(yùn)行，且變壓器效率低、因數(shù)小。

2.2就地?zé)o功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

礦井供電系統(tǒng)諧波電流較多，影響供電質(zhì)量，電壓達(dá)到限值將會(huì)破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性，需結(jié)合供電系統(tǒng)，確定無功補(bǔ)償方案[2]。

2.2.1無功發(fā)生器（SVG）原理

靜止無功發(fā)生器（SwitchingVirtualCircuit，SVG）可分為電壓型與電流型兩種，見圖1。逆變電路中，絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor，IGBT）均以并聯(lián)方式連接反饋二極管，從交流側(cè)向直流側(cè)為無功功率提供通道。電壓型SVG通常串聯(lián)電感至直流側(cè)；電流型則并聯(lián)電容至直流側(cè)，用于儲(chǔ)能接入電網(wǎng)。該電路輸入相位、電壓控制是控制IGBT實(shí)現(xiàn)，能夠間接控制主電路功率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，具有體積小、故障率低的特點(diǎn)。

根據(jù)靜止無功補(bǔ)償器（StaticVarCompensator，SVC）與SVG的電流-電壓特性曲線（見圖2），為電網(wǎng)電壓，SVG感性輸出電流、容性輸出電流以、表示，減小數(shù)值下，曲線同步下移，為穩(wěn)定、，需對(duì)交流側(cè)輸出電壓幅值、相位加以調(diào)整。

SVG增加并聯(lián)電阻與電容，與傳統(tǒng)SVG相比，能夠結(jié)合電壓變化，對(duì)、動(dòng)態(tài)調(diào)整，使其工作曲線為倒三角狀，覆蓋面積更大，補(bǔ)償范圍超SVC，具有良好適應(yīng)性，且引入脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）技術(shù)、多重設(shè)計(jì)、多電平技術(shù)等，可消除供電系統(tǒng)背景噪聲，將高次諧波濾除[3]。

2.2.2控制方法

供電系統(tǒng)處于穩(wěn)定區(qū)間范圍，控制無功功率可對(duì)無功電流直接調(diào)整。該礦井采取SVG直流側(cè)電壓電容為逆變電源，需要穩(wěn)定直流側(cè)電壓，適當(dāng)補(bǔ)償、吸收電網(wǎng)無功功率[4]。該供電系統(tǒng)采取直接控制法，是指SVG能夠直接控制自身無功電流，對(duì)交流電壓基波幅值、相位無須測(cè)量，屬于常見控制模式。對(duì)于供電系統(tǒng)三角波比較法更具針對(duì)性，包括abc坐標(biāo)法、dq坐標(biāo)法，具體如下。

（1）基于abc坐標(biāo)控制供電系統(tǒng)，能夠控制無功電流，穩(wěn)定直流電壓，主要是以比例調(diào)節(jié)器處理，反饋電壓、輸入電壓與對(duì)應(yīng)與無功、有功電流，通過dq進(jìn)行三相abc變換，可生成瞬時(shí)電流數(shù)值、、，對(duì)比恒頻三角波及復(fù)合瞬時(shí)電流，用作SVG信號(hào)完成開關(guān)控制。

（2）基于dq坐標(biāo)控制供電系統(tǒng)，能夠滿足電流恒定需求，可跟隨無功電流進(jìn)行補(bǔ)償。該控制方法主要是檢測(cè)三相輸出、、電流值，利用坐標(biāo)變換法，能夠生成相應(yīng)無功、有功電流，與比較，確定雙方差異，結(jié)果輸入調(diào)節(jié)器，利用dq翻轉(zhuǎn)變換，得到相應(yīng)電流信號(hào)，對(duì)比恒定頻率三角波，控制電子電器。

Abc控制法信號(hào)選用輸出交流電流；dq控制法信號(hào)為直流。調(diào)節(jié)過程中，考慮交流信號(hào)將會(huì)帶來波動(dòng)，難以解決誤差問題，不利于提高無功補(bǔ)償準(zhǔn)確度，而直流信號(hào)誤差小，加上dq法適用PI設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此，為縮小器件體積，提高控制精度，選用dq控制法。

2.2.3容量確定

根據(jù)礦井項(xiàng)目可知，變電站采取2回66kV架空線路進(jìn)行電能輸送，需要變壓站裝置相應(yīng)輸入線路，以2導(dǎo)線為礦區(qū)專門供電，其他負(fù)載無過多要求，具體母線負(fù)荷見表1。

母線Ⅰ、Ⅱ段重要負(fù)載較多，包括主/副井提升設(shè)備、扇風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐、泵房、鍋爐房等，確定供電系統(tǒng)公式如下：

式（1）至式（4）中，是設(shè)備連續(xù)最大負(fù)荷；是連續(xù)負(fù)荷視在功率；是設(shè)備組需要系數(shù)；是負(fù)荷組功率正切值；是連續(xù)負(fù)荷無功功率；是設(shè)備總?cè)萘俊９╇娤到y(tǒng)運(yùn)行中，考慮礦區(qū)不會(huì)同一階段開啟設(shè)備最大負(fù)載，無同時(shí)設(shè)備處于最大負(fù)荷可能性，則設(shè)備負(fù)荷有功、無功系數(shù)取值存在差異，確定取值是0.79、0.97。以此進(jìn)行計(jì)算，確定、、、。該礦井供電系統(tǒng)中，Ⅰ、Ⅱ段功率確定是0.68，考慮國標(biāo)0.9要求，存在未達(dá)標(biāo)情況，要求配置SVG，由供電系統(tǒng)就地?zé)o功補(bǔ)償，注入無功功率。鑒于2倍閾值，取SVG額定值3960，滿足礦井就地?zé)o功補(bǔ)償需求。

3就地?zé)o功補(bǔ)償方案的經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1就地?zé)o功補(bǔ)償方案的經(jīng)濟(jì)效益

該礦井未采取SVG裝置，對(duì)原有母線Ⅰ段開展負(fù)載電能測(cè)試，涉及負(fù)載有風(fēng)機(jī)、水泵、提升機(jī)等[5]。測(cè)試時(shí)穩(wěn)定提升機(jī)工作，承載特定重量，由6kV母線供電，補(bǔ)償容量3960。以3ms間隔開展連續(xù)采集，提高樣本準(zhǔn)確性，每工作循環(huán)采集1次，至少采集8次，使用諧波分析儀測(cè)試，結(jié)果見表2。由此可知，SVG未使用前，三相電流存在不平衡情況，造成設(shè)備故障、電網(wǎng)污染，使用SVG后諧波含量降低明顯。

并且，SVG能夠自動(dòng)無功補(bǔ)償，檢測(cè)負(fù)載功率因數(shù)，提高補(bǔ)償超過0.95，減少線路與變壓器損耗節(jié)約電能，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，減少故障時(shí)間，消除諧波，設(shè)備壽命延長，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省維護(hù)設(shè)備費(fèi)用。

3.2關(guān)于就地?zé)o功補(bǔ)償方案實(shí)施的思考

設(shè)備輕載時(shí)過不長、電壓過高、諧波等干擾，進(jìn)行SVG補(bǔ)償時(shí)，確定硬件配置容量，以并聯(lián)方式進(jìn)行安裝，保證控制器具備監(jiān)測(cè)功能，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)加以優(yōu)化。例如：實(shí)測(cè)值在設(shè)定值以下，SVG將自動(dòng)投切，保證無功補(bǔ)償精準(zhǔn)性、及時(shí)性，功率因數(shù)處于合理范圍。

4結(jié)語

綜上所述，面對(duì)礦井供電系統(tǒng)無功功率不足、諧波污染嚴(yán)重情況，需采取就地?zé)o功補(bǔ)償方法，方能提高電能質(zhì)量。通過對(duì)該礦井供電系統(tǒng)研究，獲得以下結(jié)論。

（1）礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，采取無功補(bǔ)償對(duì)穩(wěn)定供電、減少設(shè)備故障具有積極意義。

（2）就地?zé)o功補(bǔ)償應(yīng)結(jié)合礦井供電系統(tǒng)實(shí)際情況，確定控制方法與補(bǔ)償容量，以免出現(xiàn)補(bǔ)償過多或過少情況。

參考文獻(xiàn)

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