基于STATCOM矿井电力系统无功补偿技术

朱剑锋，陈立东，刘磊

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.国网辽宁省电力有限公司阜新供电局，辽宁阜新 123000）

基于STATCOM矿井电力系统无功补偿技术

朱剑锋1，陈立东2，刘磊2

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.国网辽宁省电力有限公司阜新供电局，辽宁阜新 123000）

矿井电气设备是我国采矿企业使用范围广、耗能大的重要大功率设备之一，在工作过程中它需要频繁的启动、运行和停机，对煤矿电力系统的无功冲击比较严重。本文在分析无功补偿技术原理的基础上，针对矿井电力系统特点开展无功补偿技术的研究，设计STATCOM矿井无功补偿系统及其调节单元，对于提高矿井电能质量和保证井下高效、安全生产具有重要的意义。

矿井；提运系统；电动机；DSP；无功补偿

0 前言

井下电力系统与地面电力系统相同具有感性和容性两种负载，尤其是大功率电动机的广泛应用使得井下感性负载急剧增加。无功功率传输过程中在线路中产生较大的有功损耗，导致供电线路的末端电压下降，井下电网的视在功率增加，严重降低电能质量和井下电网的可靠性[1]。矿井提运系统在井下起到物料、设备、人员和矿产品的运输作用，工作时需要频繁的起动、加速、减速和停止，运行过程产生的无功变化范围大，引起供电系统母线电压产生较大波动，造成供电系统功率因数低，直接导致大量的电能不能充分利用及能源的浪费，同时对整个电网的用电设备也将产生不良的影响。针对井下供电系统的特点，开展无功补偿技术的研究对于提升井下供电系统的传输能力、减小用电设备无功损耗和保障井下电网的安全可靠性运行具有十分重要的理论和现实意义。

1 无功补偿技术

无功补偿是指根据电力系统负荷情况（感性或容性），进行无功补偿以提高电力系统的功率因数，保证电能质量。按照无功补偿装置与电力系统的连接方式不同可分为串联型补偿和并联型补偿两种类型。串联补偿是指将电容（电抗）器串联接在电力系统中进行无功补偿，这种补偿方式接线复杂、操作复杂，同时对系统的可靠性和稳定性影响较大[2-4]。并联补偿是指将电容（电抗）器并联接在电力系统中进行无功补偿，这种补偿方式接线简单、操作容易，对电力系统的影响较小。

根据补偿量是否能够实时变化和调节，将无功补偿技术可分为静态无功补偿（STATCOM）和动态无功补偿两种。STATCOM技术是指利用不同的静止型开关投切电容器或电抗器来吸收或者发送无功，进而达到稳定系统功率因数的目的[5]。动态无功补偿装置是指根据电力系统的功率因数变化动态的投切电容器或电抗器来吸收或者发送无功，进而达到稳定系统功率因数的目的。

STATCOM补偿技术是指利用不同的静止型开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收或发出无功功率的能力，这种补偿方式主要是利用晶闸管优良的控制性能来实现对电气元件的可靠控制，由于晶闸管本身具有快速通断的能力，所以对于控制信号的反应极为迅速。另外，STATCOM补偿技术不需要通过物理性接触来保持器件的通断，所以它的通断次数理论上可以不受限制。当系统电压发生变化时静止型无功补偿器能够实现快速、平滑地调节，以满足系统对无功补偿的动态需求[6]。同时还能做到对三相电路进行分相补偿，对于三相不平衡负荷和冲击性负荷具有较强的适应性，对于解决各种负载所产生的无功冲击是非常有效的。

2 STATCOM矿井无功补偿原理

伴随全控型电力电子元器件技术的发展，结合传统无功补偿技术一种完全可控的电压源或电流源的并联补偿装置（STATCOM）获得广泛应用。STATCOM（如图1所示）矿井无功补偿技术通过直接调节交流侧的电流值或交流侧电压幅值、相角，从而实时动态发出或者吸收无功电流实现电力系统的功率因数恒定的目的，达到对电力系统的无功功率进行动态补偿的效果。在STATCOM矿井无功补偿系统实际运行中，通过IGBT、GTO等电力电子元器件构成的逆变电路实现将直流侧的电压变换成与电网电压频率相同的交流侧电压[7]。STATCOM矿井无功补偿技术的输出电流不受电力系统电压的影响，尤其在低压时无功补偿的效果更加理想，与传统无功补偿技术相比较，具有响应特性好、补偿速度快、产生的谐波少、体积小、移动方便等优点，还可以实时、非连续的发出或吸收无功电流，来保证电力系统稳定运行。

图1 电压型STATCOM基本结构Fig.1 Basic structure of three-phase STATCOM voltage type

在感性工况的或容性工况的工作场合下，STATCOM均可以稳定可靠运行，两种不同工况下的相量图完全不同，如图2所示。其中，UI表示STATCOM输出的交流电压，US表示与STATCOM连接的电网的电压，UL表示STATCOM等效阻抗两端的电压，φ表示STATCOM等效电抗的阻抗角，δ表示US与UI间相位差，这里规定，当US滞后UI时δ为正值，当US超前UI时δ为负值。

当US超前UI（即δ＜0）的工况下，此时STATCOM处于容性工作状态下，煤矿电力系统的电压US滞后电流I，STATCOM将发出感性的无功，给煤矿电力系统提供无功补偿，维持系统的功率因数恒定。当US滞后UI（即δ＞0）的工况下，此时STATCOM处在感性工作状态下，煤矿电力系统的电压US超前电流I，STATCOM将发出容性的无功，给煤矿电力系统提供无功补偿，维持系统的功率因数恒定[8]。

STATCOM向煤矿电力系统发出感性或容性的无功功率，维持系统功率因数恒定，其无功功率的表达式为：

图2 STATCOM不同工况下相量图Fig.2 Phasor diagrams under different conditions of STATCOM

在此公式1中，Q表示STATCOM向煤矿电力系统发出总无功功率。在δ＞0时，即Q为正值，此时STATCOM向煤矿电力系统发出容性无功。当δ＜0时，即Q为负值，此时STATCOM向煤矿电力系统发出感性无功。根据公式1可知：可以通过调节δ的正负，能够实现在煤矿电力系统无功多余时吸收无功，无功缺乏时发出无功。另外，还可以通过调节δ值，实现平柔地改变STATCOM向煤矿电力系统发出容性或者感性无功值[9-10]。由于电压源或电流源的工作过程不需要有功功率支持，无论在容性工作状态还是感性工作状态，STATCOM交流边的电压与电流都是正交的。

3 STATCOM矿井无功补偿系统

STATCOM电流间接调节依靠数字信号处理器（DSP）的强大处理能力，主要包括DSP、高精度电压互感器、高精度电流互感器、低通滤波器及模数转换芯片等，其线路连接图如图3所示。从图可以看出：高精度电压互感器V1、V2分别用于测量三相电压源的电压及STATCOM直流侧电容的电压；高精度电流互感器A1、A2、A3分别用于测量电网电流、负载电流和STATCOM交流边电流；电压互感器和电流互感器的输出信号经过低通滤波器进行滤波处理，低通滤波器输出的信号经过模数转换芯片将模拟量转换为数字量后发送给DSP的信号输入端口，DSP调用内部程序进行计算，得到STATCOM补偿过程需要的补偿角δ，最后依照电网电压所接收到的同步信号，发出触发脉冲序列，控制逆变桥导通。

在STATCOM煤矿电力系统无功补偿过程中数据计算及输出调节是整个过程的关键，电压、电流及功率因数等参数的计算，触发脉冲的发送都是通过以DSP为核心的调节单元完成的。调节单元的响应速度、可靠性和安全性直接关系整个煤矿电力系统无功补偿的有效性。调节单元的结构如图4所示，选用数字信号处理器（TMS320F28335）作为调节部分的核心芯片，信号反馈用于采集煤矿电力系统的信息，可编程逻辑器件（CPLD）用于产生触发脉冲，键盘用于控制指令的输入，显示屏显示系统状态、参数。

图3 STATCOM电流间接调节时电网连线Fig.3 Power grid connection when STATCOM adopting current indirect control

图4 STATCOM调节单元结构图Fig.4 Structure of STATCOM control unit

4 结论

智能化电网和智能化矿井是当今煤矿企业的发展趋势，电网无功的实时测量和有效补偿是智能化电网发展的必然要求。在分析无功补偿器技术类型及静止无功补偿技术工作原理基础上，设计了电网无功补偿系统，其中包括电参数测量电路、无功调节电路等。经过分析表明：系统可以根据电网的运行情况实时调节补偿的无功量，具有测量精度高、反应速度快、稳定性好等优点，满足绿色电网对无功补偿的要求。

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Reactive Compensation Technology of Mine Power System Based on STATCOM

ZHU Jian-feng1, CHEN Li-dong2, LIU Lei2
(1. CCTEG Shenyang Research Institute, Fushun Liaoning 113122; 2. state grid fuxin electric power supply company, Fuxin Liaoning 123000 )

Mine electrical equipment, the use range of mining enterprises in our country, one of the important power equipment of large energy consumption, in the process of work it requires frequent start-up, operation and stop to the coal mine power system reactive power impact are more serious. In this paper, on the basis of analyzing the principle of reactive compensation technology, according to the characteristics of the mine power system for the research of reactive power compensation technology, design of STATCOM mine reactive compensation system and its control unit, power quality and guarantee for improving mine down hole efficiency and safety in production is of great importance.

Mine; Delivery System; Motor; DSP; Reactive Compensation

朱剑锋，陈立东，刘磊. 基于STATCOM矿井电力系统无功补偿技术[J]. 新型工业化，2016，6（11）：64-67.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.11.008

: ZHU Jian-feng, CHEN Li-dong, LIU Lei. Reactive Compensation Technology of Mine Power System Based on STATCOM[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(11) : 64-67.

中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金（2013MS014）

朱剑锋（1982-），男，工程师，煤矿电气设备检验及理论研究