煤矿供电系统谐波的治理与无功补偿技术的研究

2020-02-18齐君

机械管理开发 2020年6期

齐君

（山西潞安矿业集团漳村煤矿，山西长治 046032）

引言

随着矿井现代化技术的深入发展，其供电系统中各个大型设备都采取了较为先进的电控技术。这些最常使用的技术主要有：晶闸管整流器- 直流电动机、交流电机- 晶闸管串级调速等；采取PLC 的软启动形式等，这种电控形式具有接线及维护简便的优势，增强了设备运行的安全性，但是同时也导致谐波受到了污染[1]。

1 供电电网谐波的危害

1.1 对电容器的影响

其影响主要体现在谐波扩大。供电体系存在的谐波源为电流源。电容器及主系统都属于分流。电容器不仅可以吸取谐波源电流，而且可以吸取主系统形成的谐波电流。当n=n的时候，产生谐波震动，当n

1.2 对电机的影响

谐波电流不仅会形成附加损耗，导致电机温度过高，还会导致电机发生振动。

1）对同步电机的出力造成阻碍；

2）感应电机：额定转速背景下形成的有效转矩将会因过大的谐波而降低，同时会在低转速下形成寄生转矩。

1.3 对继电保护自动装置和控制设备的影响

由于各个形式的继电保护设备都是依据工频条件来进行设计的，谐波的产生会导致错误动作。对于运用电力线路作为联系通道的远动设备而言，谐波电流将会对动作母线的电压畸变造成影响及产生破坏，还将会对整流装置中触发脉冲装置的触发周期造成极大的影响，进而导致晶闸管不具有对等的触发角[4]。

1.4 对通信系统的影响

影响因素在于谐波对相接近的通信线路造成了电磁及静电感应。

2 变频器谐波电流的分析

2.1 交- 交变频器

该变频器中主电路的构成主要为两组反向并联的整流器，该整流器一般都采取了三相桥式全控整流电路，对于换相流程及电流脉动不加以考虑，假设交流侧的电抗为0，直流电感L较大，负载为三相桥式全控整流电路[5]。

但通过与可控硅的整流电路相对比，该变频器的网侧谐波电流具有极为复杂的频谱，但幅值过小，其网侧除了整数谐波及基波之外，还包含了非整数的旁频谐波。

由此可知，该变频器的网侧形成的谐波电流的频率和大小与主电路的构造相关。因此，对较复杂的工程进行理论计算时，通常会采取计算机模拟或类似于现场的实测数据相对比来明确其网侧的谐波电流[6]。

2.2 交- 直- 交变频器

2.2.1 交- 直- 交电压型变频器

该变频器中主电路的构成主要有整流部分、中间直流部分及逆变部分，对网侧谐波电流进行分析的核心在于整流部分，假定变压器与变频器呈现几何对称状态，并且其输出可以当作是整流电流的解祸，此时变频器所具有的网侧电流与可控硅的整流器极为相近，仅仅具有特征谐波的分量；但两者又存在一定的不同，其负载具有阻容性质。处于轻载状况下，整流器不具备持续的网侧电流，其谐波的含量通常要更大[7]。

对网侧谐波进行理论分析一般较为复杂。大部分著名的变频器生产商都可以提供出出厂的变频器含量的各个资料。还可以基于在额定负载背景下谐波的含量表与各个负载率背景下基波及谐波的含量表来进行估算。

2.2.2 交- 直- 交电流型变频器

特征谐波与电压型变频器较为相似。但电机侧与网侧之间的解祸远远不如电压型变频器的效果，并且电机侧的谐波会对网侧的谐波造成较大的影响，因此网侧形成谐波的次数为非整数。

3 谐波治理

3.1 受端治理

选择最有效的供电模式，即通过容量较大的供电点或者利用电压较高的电网来为谐波源进行供电；避免谐波因电容器的影响而放大，抑制方法为添加串联的电抗器，其原理为电容器与电抗器相互构成无源滤波器；增强设备抗谐波干扰的能力，确保设备可以在某个限度的谐波背景下运行；完善谐波的保护功能，即针对谐波敏感的设备可以运用灵敏度较高的保护设备。

3.2 主动治理

1）将整流设备的相数或脉波数加以提升。通过运用多重化技术来提高脉波数，它主要是将数个整流器相互联合所运用，采取多个方波相叠加的形式，以有效清除低频率的谐波，取得与正弦波相接近的阶梯波。

2）将谐波源的设置或工作形式加以转变。具有集中谐波互补性的设备应当加以分散，并对谐波产生的工作形式加以约束。

3）对高功率因素进行设计或运用。变流器大多运用PWM技术，促使整流器形成较高的谐波频率及较低的幅值，波形与正弦波相接近，但仅可应用于自关断部件。

3.3 被动治理

1）采取无源滤波器PE。主要包含高通或单调谐两种滤波器，可以汲取相应的谐波电流，同时还可以开展无功补偿，有助于维护。

2）采取有源滤波器APF。主要有串、并联两种方式，可以对谐波加以隔离或者补偿，并联型还可以做出无功补偿。

3）采取混合型的有源滤波器HAPF。它具有两个优势，分别为具有较好的APF 性能和较少的PF成本。

4 无功补偿

无功补偿的方法:

1）静态补偿，其主要针对功率因数的平均值；

2）动态补偿，其主要针对冲击性的无功功率。

4.1 静态无功补偿

所采取的静补方式是在用电装置与公共电网相连接的部位并联相应的电容器组，运用容性无功来对感性无功进行补偿，降低用电装置所吸收的无功功率，增强功率的因数。电容器主要有电容器常接方式和电容器自动投切方式存在以下两种接入形式。

4.2 动态无功补偿

其目的在于对因冲击性无功功率所导致的电网电压出现的波动加以抑制。目前，工程中主要存在以下两种补偿方式。

4.2.1 晶闸管投切电力电容器（TSC）

基于负载无功功率的状况，通过运用晶闸管中无触点开关来对电容器发挥投切作用，从而确保无功功率的总和降低。TSC 控制器的输入及输出分别为无功功率的分量QL和TS1-TSn的投切指令。控制器依据QL的数值来明确将投切命令下达给哪几个晶闸管的无触点开关，向电网来动态化的补充QTS1～QTSn的容性无功功率[8]。

4.2.2 晶闸管控制电抗器（TCR）

晶闸管控制电抗器又名相控电抗器。依据负载无功的功率，通过对晶闸管的触发延迟角进行有效控制，以此来对TCR 形成的无功功率进行控制，再由于TCR 形成的无功功率之和基本维持不变。这样一来，电网中无功功率的总和增加了，但是其波动却降低了。