矿井提升机的动态无功补偿方案设计与仿真

张文帅

（阳泉煤业集团七元煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

引言

煤矿生产以大型、大功率机电设备为主，在实际生产中大功率的冲击性载荷会对整个煤矿供电网络造成冲击，严重威胁供电网络的安全，直接表现为在电路中存在过电流或者欠电压的影响，对于煤矿的可靠、安全生产造成影响[1]。

提升机作为煤矿生产的重要运输设备，其承担煤炭、物料以及人员的运输，为了解决提升机的典型冲击性负荷对电网造成的污染和谐波问题，本文将重点设计提升机的动态无功补偿方案，并对补偿效果进行仿真分析。

1 矿井提升机负荷对电网的影响

在煤矿生产中大型电子装备应用较多，包括大型直驱提升机、软启动带式输送机等设备的频繁启动会对电网造成冲击。因此，为保证煤矿供电系统的稳定性需要对上述设备所造成的冲击载荷进行就地补偿；此外，还需根据冲击负载的变化率完成动态无功补偿的工作[2]。

在实际生产中，为提升机配置的电动机属于直流电动机，本矿与其配套电动机的功率为2 100 kW。提升机的主传动示意图如图1所示。

图1 提升机电动机传动示意图

简单讲，对于大功率负载的提升机而言，由于负载的变化其所产生的负载无功功率的变化对整个电网系统造成干扰；而且，当煤矿供电网络的短路容量又特别小时会加剧干扰现象。在实际生产中，提升机的运行状态分为6个阶段，包括初加速度阶段、主加速度阶段、等速度运行阶段、减速运行阶段、爬行运行阶段以及停车抱闸运行阶段。在不同运行阶段对应的有功功率和无功功率的大小与传动系统所配置整流器的触发延迟角和负载电路值相关[3]。经实际测量，提升机在上述6个不同运行阶段对应冲击功率（无功功率、有功功率、视在功率）如表1所示。

表1 提升机在不同运行阶段的冲击功率值

为定量分析提升机负载变化对电网造成的冲击干扰问题，一般通过对功率因数、电压波动以及电压总谐波畸变率三项参数进行评估。根据相关标准及规范要求可知，对于标称电压为6 kV的供电网络时，在负载冲击的影响下，整个供电网络的功率因数应大于0.9，电压的波动率应小于7%，电压总谐波畸变率应小于4%。

根据表1中提升机在不同运行阶段冲击功率值可以得出：

1）提升机在整个工作过程中的功率因数小于0.8，约0.725；而且在主加速阶段的功率因素最低，仅为0.367。

2）在提升机运行的不同阶段中，供电网络电压的最大波动率可达11.6%，而最小电压波动率仅为2.2%；

3）提升机在不同运行阶段的总电压平均谐波畸变率为4.33%。

综上，提升机电气传动系统对供电网络的影响，包括功率因数、电压波动率以及电压总谐波畸变率均超出相关标准要求。因此，急需在标称电压为6 kV供电网络的母线上设计一套动态无功补偿装置，以有效解决功率因数、电压波动率以及电压谐波畸变率不满足要求的问题。

2 提升机动态无功补偿方案的设计

当前矿井生产为现代化矿井，其设备控制以电子元器件为主。从上述分析可知，由于提升机的负载变化对供电网络造成污染，导致供电网络功率因数很低。因此，本文将结合实际生产需求设计动态无功补偿方案，包括对补偿容量的计算、滤波装置的设计和控制系统的设计。

2.1 补偿容量的计算

结合提升机的实际生产工况，其对应的最大无功波动量为提升机的最大无功功率（6 880 kVar）和最小无功功率（1 120 kVar）的差值，即最大无功波动量为5 760 kVar=5.76 MVar。

2.1.1 无功波动容量的计算

根据国家标准规定，对于标称电压为6 kV的供电网络而言，电压的波动范围不得超过其短路容量（50 MVA）的7%。因此，可以得出提升机的无功波动容量为5.76 MVar-50×7%=2.264 MVar。

2.1.2 有功容量的计算

考虑最严格的条件，在补偿之前的供电网络的功率因数cosφ1为0.367，补偿滞后供电网络的功率因数cosφ2达到0.95，对应的tanφ1=2.535、tanφ2=0.328 7。则可以得出，有功容量为5 250×（2.532-0.328 7）=11 583.075 kVar。

则可以得出需要的最大动态无功补偿容量为2.264+11.583=13.847 MVar。

2.2 滤波装置的设计

由于本供电网络中的电压波动率和谐波电压畸变率均不满足要求。因此，还需为供电网络配置有效的滤波电路，如图2所示。

根据供电网络电压波动和电压谐波畸变率，需设计3次、5次、7次和11次滤波电路，对应的参数如表2所示。

图2 滤波装置对应滤波电路的设计

表2 滤波电路参数

在图1中传动电路的基础上所得的动态无功补偿装置如图3所示。

图3 提升机动态无功补偿装置接线图

3 提升机动态无功补偿装置仿真分析

为验证所设计提升机的动态无功补偿装置对整个供电网络功率因数、电压波动率和电压谐波畸变率的改善情况。基于MATLAB软件建立动态无功补偿控制器的仿真模型，并根据计算所得的补偿的容量和表2中滤波电路的参数进行模型设置。

经过仿真分析得出如表3所示的仿真结论。

表3 动态无功补偿控制器的补偿效果

如表3所示，采用动态无功补偿控制器后供电网络的功率因数、电压波动率和电压谐波畸变率均满足国家标准的要求。

4 结论

提升机作为煤矿生产的大功率机电设备，其在启动阶段产生的负载变化会对供电网络造成冲击，从而影响整个供电网络的稳定性和可靠性。本文在对当前供电网络功率因数、电压波动率和电压谐波畸变率分析的基础上，采用动态无功补偿控制器进行改善。具体总结如下：

1）所设计控制器的补偿容量为13.847 MVar；

2）在功率补偿的基础上，设计了3次、5次、7次、11次谐波滤波电路和高通滤波装置；

3）通过MATLAB仿真分析，采用所设计的控制器对供电网络功率因数、电压波动率和电压谐波畸变率的改善满足国家标准要求。