煤矿谐波治理及动态补偿问题的研究

摘 要：煤矿存在大量的用电负荷，造成了严重的谐波污染。尤其是一些冲击性负荷、非线性负荷的投入使用，导致了电网功率因数降低、电压波动、电压和电流波形畸变等一系列电能质量问题。因此，对煤矿企业的供电系统进行无功补偿和谐波治理显得尤为重要。

分析了 SVG 动态无功补偿的原理，并对煤矿常用的无功补偿和谐波滤波装置各自的优缺点进行了详细分析。

1 绪论

1.1 背景及意义

煤矿企业中负荷多为交直流传动设备，功率大，而且大部分是感性负荷，如皮带机、采煤机、绞车等，它们启停时会产生巨大的无功冲击；煤矿电网中还有大量的非线性负荷，如提升机等，会产生谐波，谐波电流进入供电系统，降低电能质量。谐波和无功冲击不仅会导致电网电压产生剧烈波动、闪变和三相不平衡，严重影响供电质量，而且会增加设备损耗，造成设备的频繁停机以至瘫痪，给煤矿企业生产造成了很大危害和完全隐患[1]。功率因数过低，不但增加电能损耗，使变压器等电力设备容量得不到充分利用，而且会引起电压降落或抬升，这样就会给大型煤矿用电企业带来不必要的经济损失，而且可能带来罚款。

我国大多数大型煤矿企业主变电所为 35/6kV 变电所，在 6kV 侧进行无功功率补偿具有十分重要的意义，能够提高煤矿供电系统的安全性和稳定性，并且具有很好的经济效益，能为大型煤矿企业节省大量电能[2]。当前，我国积极倡导发展以低能耗、低排放、低污染为基础的低碳经济，以求绿色 GDP 增长，煤矿电网电能质量控制技术备受关注，其研究有着广阔的发展前景。因此，针对煤矿企业进行无功功率补偿和谐波治理具有很大的研究价值。

1.2 煤矿企业无功补偿和谐波治理的发展

改善电能质量有很多方法， 列举了一些常用的无功补偿和谐波抑制方法。

1.2.1 煤矿企业无功补偿发展现状

无功补偿装置的发展可以概况为两个阶段：早期无功补偿装置和现代无功补偿装置。从最早的电容器开始发展到今天的静止无功发生器 SVG，历经了电容器、同步调相机、饱和电抗器，SVC和SVG等几个不同的阶段[3-8]。

其中静止无功补偿装置简称SVC（STATICVARCOMPENSATOR）是指没有运动部件的无功补偿装置。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，近年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止型无功补偿装置的主导地位。因此SVC往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器（TCR），晶闸管投切电容器（TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC）或者晶闸管控制电抗器与固定电容器的混合装置（TCR+FC），晶闸管控制电抗器与机械投切电容器的混合装置（TCR+MSC）等。

静止无功发生器简称SVG（STATICVARGENERATOR）也是一种电力电子补偿装置。与静止无功补偿装置（SVC）不同的是通过发出无功功率达到无功补偿的目的，不需要大容量的电抗器、电容器等储能元件。目前，SVG大都采用GTO和 IGBT全控型器件，已在电网和工业工程中得到了应用，文献[9]是SVG 在煤矿工程中应用。根据SVG直流侧采用的是电感还是电容，将 SVG分为电压型和电流型两种。如图 1-1所示，SVG 的电路基本结构为电压型桥式电路。如果用电抗器代替图1-1直流侧的电容器，用并联电容器代替交流侧的串联电感，则为电流型的SVG。电压型SVG和电流型 SVG 的动态补偿原理相同。

1.2.2 谐波问题及研究现状

随着非线性电力电子装置的应用，电网中的谐波含量增加了，同时也给煤矿企业带来了困扰。因此，针对煤矿企业负荷产生的谐波进行有效的治理，将其限制在允许的范围之内，对保证煤矿企业设备安全运行具有十分重要的意义。谐波治理的措施主要包括两种：一是主动治理，降低谐波源产生的谐波或使其不产生谐波。二是被动治理，即安装滤波装置。在实际的应用中，由于非线性负载产生谐波的多样性，一般还是采用安装滤波器的方法，滤波装置一般包括无源滤波器和有源滤波器。

（1） 无源滤波装置。无源滤波器（Passive Filter， PF）由电容器、电感和电阻适当组合而成，其设计稳定可靠，因此在工业工程上得到了广泛应用。在谐波源附近安装无源滤波器，既可以抑制谐波电流，同时还可以进行无功补偿。无源滤波器具有结构简单、成本低、运行维护简单、技术成熟等优点，但它也有缺点[10-12]，只能对特定次数谐波进行治理，各项运行指标受到电网参数、负荷变量、环境等各项因素制约。而且电容器组补偿效果不理想，会消耗大量的有色金属，占地面积也大，因此无源滤波器的应用受到了限制。

（2） 有源滤波装置（Active Power Filter， APF）。随着柔性交流输电技术的发展，近几年静止型APF有源滤波器也得到快速发展，由于电力电子器件价格的降低，使APF广泛应用于工矿企业。 APF 主电路采用 PWM 控制变流器，构成并联型电力有源滤波装置，控制回路采用双闭环跟踪控制技术，运用高速大容量 DSP 计算机芯片，实时、快速地将负载电流中的谐波分量和基波无功分量分离出来，并准确输出补偿电流，实现滤除谐波的功能。它的基本原理是根据测得的谐波电流，发生一个与之大小相同，相位相差180度的谐波电流，这两个谐波电流叠加后互相抵消，保证最终流入系统的电流是正弦波。其特点是：与LC滤波器相比，不受系统阻抗影响，滤波效率大大提高，可以补偿各次谐波，不像LC滤波器需设多组单调谐滤波器；不存在谐波放大，不会与系统发生谐振；不存在过负荷问题，若谐波电流较大，可多台 APF 并联。在各领域，传统的 LC 滤波器正在被 APF有源滤波器所代替。

参考文献

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[9]Masand， D.； Jain， S.； Agnihotri， G.；Control Algorithms for Distribution Static Compensator.Industrial Electronics， 2006 IEEE International Symposium on.Volume 3， 9-13 July 2006 Page（s）：1830 - 1834

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[11] 唐统一等. 电力系统谐波[M]. 江苏： 中国矿业大学出版社， 1991： 7-15.

[12] Leszek S， etc. An Overview of Methods Harmonic Suppression in Distribution System [J]. IEEE Trans ON IA， 2000， Vol.36（3）： 590-597.

作者简介

周文武（1985-），男 ，安徽省宿松县人，2009年6月毕业于中国矿业大学，2009年9月一至今在郑煤集团超化煤矿工作，现任郑煤集团超化煤矿机电运输科副科长。