煤矿供电系统谐波治理及无功补偿

文/豆军强

随着现代化煤矿技术的发展，煤矿供电系统中的提升、通风、排水、运输等大功率设备均采用了先进的电控方式。这些常用的电控方式有晶闸管整流器-直流电动机拖动方式；交流电机-晶闸管串级调速拖动方式；采用PLC控制的软启动方式及变频调速方式等。此类电控方式接线简单，维护方便，提高了设备的安全运行程度，然而同时也带来了谐波污染问题。

1 电网功率因数

通常在公用电网中，电压的波形畸变很小，电流的波形畸变可能很大。

低功率因数的危害：

（1）传送同样的有功功率，电流增大。

（2）无功电流会增大供电设备容量，增加线路的电压损失。

（3）冲击性无功电流引起电网电压波动和闪变，严重时影响电网稳定性。

此外，谐波也会导致功率因数降低，并对无功补偿电容器的安全运行构成威胁。

而《供电营业规则》规定，煤矿用户功率因数为0.90以上。为此必须提高功率因数，减少电能损耗，目前煤矿企业广泛采用并联电容器进行无功补偿。设补偿前负荷的有功功率为P，功率因数为 ，补偿后功率因数要达到 ，则电容器所需补偿的总容量QC为

2 供电电网谐波危害

2.1 对电容器的影响

对电容器的影响主要为谐波放大。供电系统的谐波源主要是电流源。电容器和主系统均分流。电容器不仅吸收谐波源电流，而且吸收主系统谐波电流。n=n0时，发生谐波谐振。n＜n0时，电容器使主系统分流大于谐波源电流。n1＜n＜n2时，谐波严重放大范围。

2.2 对电机的影响

谐波电流不仅会产生附加损耗，使电机过热，还会使电机产生振动。

（1）同步电机出力受到限制；

（2）感应电机：较大的谐波电流将降低额定转速下的有效转矩，并在较低转速下引起寄生转矩。

2.3 对继电保护自动装置和控制设备的影响

由于各种继电保护装置都是按工频条件设计的，谐波的存在会引起误动作。对于以电力线路为联系通道的远动装置，谐波电流能影响甚至破坏其动作。母线电压的畸变，还能引起整流设备触发脉冲装置的触发周期不稳定，使晶闸管阀的触发角不相等。

2.4 对通信系统的影响

影响原因是谐波对邻近通信线路产生了静电感应和电磁感应。

3 变频器谐波电流分析

3.1 交-交变频器

交-交变频器的主电路由两组反向并联的整流器构成，整流器通常采用三相桥式全控整流电路，忽略换相过程和电流脉动，设交流侧电抗为零，直流电感L足够大，带阻感负载的三相桥式全控整流电路。

但与可控硅整流电路相比，交-交变频器网侧谐波电流的频谱要复杂得多，幅值却比较小，其网侧除基波，整数次特征谐波外，还含有非整数次旁频谐波电流。

可见，交-交变频器网侧谐波电流的次数和大小与其主电路的结构有关。因此理论计算很复杂。工程应用常采用计算机仿真或与类似应用现场实测数据相比较的方法来确定变频器网侧谐波电流。

3.2 交-直-交变频器

3.2.1 交-直-交电压型变频器

交-直-交变频器的主电路由整流单元、中间直流环节和逆变单元组成，分析其网侧谐波电流重点在于整流单元，假设变频器和变压器几何对称，且其输出认为是整流电流的解耦，此时变频器的网侧电流与可控硅整流器类似，只存在特征谐波分量。

变频器中的整流器与可控硅整流器又有所不同，其负载为阻容性质，轻载时整流器网侧电流可能不连续。其网侧电流谐波含量一般要大一些。

理论计算网侧谐波比较复杂。多数较知名的变频器厂商都可以提供所制造的变频器的谐波含量的数据或资料。还可依据额定负载时谐波含量表与不同负载率时基波及谐波含量表来估算。

3.2.2 交-直-交电流型变频器

特征谐波与电压型变频器的类似。但其网侧和电动机侧之间的解耦不如电压型变频器理想，且网侧电流的谐波含量受电动机侧谐波的影响十分大，故网侧会产生非整数次谐波。

4 谐波治理

4.1 受端治理

选择合理的供电方式，即由较大容量的供电点或由高一级电压的电网为谐波源供电；避免电容器对谐波的放大，抑制措施为加串联电抗器，抑制原理是电容器与串联电抗器组成无源滤波器；提高设备抗谐波干扰能力，使设备能在一定限度的谐波环境中工作；改善谐波保护性能，即为对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置。

4.2 主动治理

（1）增加整流装置的相数或脉波数。采用多重化技术增加脉波数，它是将多个整流器联合起来使用，使多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波。

（2）改变谐波源的配置或工作方式。集中谐波互补性的装置，否则应适当分散，适当限制会大量产生谐波的工作方式。

（3）设计或采用高功率因数变流器。常采用脉宽调制PWM技术，使整流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，但只适用于自关断器件。

4.3 被动治理

（1）采用无源滤波器PE。主要有单调谐及高通滤波器，可吸收谐波电流，还可进行无功补偿，运行维护也简单。

（2）采用有源滤波器APF。有并联型或串联型APF，起补偿或隔离谐波的作用，并联型还可进行无功补偿。

（3）采用混合型有源滤波器HAPF。HAPF兼具PF成本低廉和APF性能优越的优点。

5 无功补偿

无功补偿的方法：

（1）针对平均功率因数进行补偿，称为静态补偿；

（2）针对冲击性无功功率进行补偿，称为动态补偿。

5.1 静态无功补偿

所用的静补方法是在用电设备接入公用电网处并联接入电力电容器组，以容性无功补偿感性无功，减少用电设备从公用电网汲取的无功功率，提高功率因数。电力电容器有常接和自动投切两种接入方式。

5.1.1 电容器常接方式

对三相系统而言，星形与三角形联结时补偿电容器每相所需的电容量CY和 分别为：

式中：U—电容器组接入处的线电压有效值（kV）

5.1.2 电容器自动投切方式

把电容器分成若干组，根据负载功率因数的变化情况，将各电容器组逐步投切，从而使补偿后的功率因数维持在死区。通常电容器的分组数为4～12。

5.2 动态无功补偿

动态无功补偿的主要目的是抑制由于冲击性无功功率引起的公用电网电压波动。目前工程上有以下两种常用的动态补偿方法。

5.2.1 晶闸管投切电力电容器（TSC）

根据负载无功功率的情况，利用晶闸管无触点开关投切电容器，从而使总的无功功率波动减小。TSC控制器的输入是负载的无功功率分量QL，输出是的投切命令。控制器根据QL的大小决定给哪几组晶闸管无触点开关发出投切命令，向电网动态补偿的容性无功功率。

5.2.2 晶闸管控制电抗器（TCR）

又称相控电抗器方法。根据负载无功功率的情况，通过控制晶闸管的触发延迟角来控制TCR的无功功率。使负载的无功功率加上TCR的无功功率和保持基本不变。这样对电网而言，虽然总的无功功率是增加了，但无功功率波动却是减少了。

TCR控制器的输入是QL和给定的允许无功功率冲击量其输出是触发延迟角控制器比较和当是负载的最大无功分量）时，控制器输出的使时，TCR输出感性补偿无功功率达到最大值。采取此控制策略，可保证负载的无功分量QL在间波动时，无功波动不会大于

6 结束语

无功补偿能改善电能质量电压。随着煤矿电子装置的广泛应用，谐波问题有待关注。为此谐波治理与无功补偿必须同时进行，从而确保供电系统电能质量，使设备安全运行。对于国内的煤矿电网，在电网投入运行时，要对电网质量进行评估和测试。