井下供电系统无功补偿的研究与应用

陕西彬长大佛寺矿业有限公司 宁少锋 马永航

随着智能化快速发展，煤矿大采高工艺的采掘设备功率大、采面长、供电距离远、末端功率大，启动压降大影响电控系统正常工作现象普遍。采取调压措施不正确但又无其他解决办法，带来其他方面问题。为满足末端大功率设备启动，采取地面变电所有载调压--主变调节电压，变压器调压不能补偿无功，造成地面供电距离近的工业广场重要设备的电压升至异常值。矿井末端负荷功率大、压降大，起动时对整个电网造成电压波动与闪变，三相负载不平衡，影响电能质量。

变频器的使用对电网造成谐波污染，是对电网的二次危害，高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加电路损耗，浪费电网容量。从地面35kV变电所输电到井下工作面，电网电压由于远距离输电，线路损耗大、电压不稳定。井下工作面负荷功率大、功率因数普遍在0.65左右，大功率负荷起动相互影响，存在电压压降大、电能质量低，一般采取的是调压措施，由于调压后针对地面与井下不协调电压会影响其它供电区域。随着采区不断延伸，离井下中央变电所的距离越来越远，供电设计存在计算值不满足规定的要求。

目前井下电网质量没有实现网络化集成控制，没有良好的人机界面，电能质量的谐波运行数据不能及时的展视到监控中心，没法保证正常运行与故障诊断的功能，从而影响电能质量无法得到解决，长期运行不仅浪费电网而且影响设备的使用寿命。在配电电网中，地面系统近几年来各种补偿采取了不少，也起到了一定作用，而井下由于受诸多条件限制进展缓慢，致使井下电网存在问题得不到解决。研发一套矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器，用于改善供电质量，提高设备运行效率，增加设备运行寿命刻不容缓[1]。

近年来，随着井下电网无功补偿技术的快速发展，一些厂家研制出先进的井下具有补偿、滤波两种作用的SVG装置，解决了因补偿投切对电网的冲击，降低了电网谐波干扰，大大改善了供电系统供电质量。在此基础上，采用网络技术，将SVG装置系统进行集成，实现矿井采掘工作面的无功补偿控制，再扩展到全矿井下供电系统，使全矿井供电系统电压得到控制，实现矿井供电系统质量的自动化、智能化控制，对提高我国煤矿面貌，在当前及今后促进煤矿向着标准化管理、节能减排工作将会起到极大的作用。

1 国内外研究水平

大功率的门极可关断晶闸管的出现使静止无功发生器得到了更快的发展，变成了柔性交流输电系统的一个主要组成部分。在调节范围、稳定性、体积、可连续调节性等多方面，静止无功发生器SVG都非常大的优于传统的静止无功发生器。所以静止无功发生器变成了无功补偿技术的今后的发展方向。在很多发达和发展中国家得到了较好的应用，同时取得了很好的效果。

1981年关西电力、三菱电机一起研制成第一台主电路采用基于晶闸管强制换相的静止无功发生器样机，容量为30兆乏。此后静止无功发生器的技术发展取得了很大的进步。1987年美国的电力研究院、西屋公司研发完成第一台采用GTO作为开关元件的静止无功发生器实验装置,并投入当地的变电站，容量为±1兆乏。1990年关西电力、三菱电机再一次在伏山一个变电所投入并运行了60兆乏的静止无功发生器。此后西屋电气有限公司等单位合作在TVA建成电力系统的苏良变电所建成了±100兆乏的静止无功发生器。1998年德国西门子公司研发了第一台使用在风力发电的静止无功发生器,一台机的容量为10兆乏,该静止无功发生器装置在德国黑德风场，很大程度的改变了风力所发出电的质量。

中国在静止无功补偿发生器研究的起步比较晚，但同时也取得了很多的成果。清华大学联合河南省电力局于1999年共同研发制造出中国第一台静止无功发生器，他的补偿装置以可控硅为开断的元器件，容量为20兆伏安。此外，华北电力大学将Space Vector Pulse WidthModulation调制的应用原理在静止无功发生器上,达到了平稳补偿无功功率的目的。东南大学经过对静止无功发生器理论进行了深入的研究，最终模拟出了相应的模型。

国内很多公司在静止无功发生器方面也展开了很多的研究，并取得了一定的研究成果。在电压要求、设备容量、响应速度等方面，这些公司的静止无功发生器基本达到了国际水平。静止无功发生器的补偿范围在不断的扩大，由很早以前的仅用于输电系统的补偿，慢慢发展到变配电系统的补偿，更进一步的对设备的负荷进行相应的补偿。静止无功发生器的很多方面的优点得到无功补偿部分的一致认可，在设备参数、类型等要求不断严格的自动化、智能化供电系统中，静止无功发生器的使用价值得到了充分的展现。

2 各系统构成

2.1 系统相关

系统设计原理。静止无功发生器是用运于供电系统中的一种动态补偿无功功率的设备，连续、快速的对一直处于变化状态的无功进行补偿。传统的无功补偿装置存在补偿效果不好、反映速度很慢、对供电系统的质量有很大的冲击，使供电系统的频率发生很大的变化，供电系统质量较差。他的实际原理是将其同时匹配的电抗器和桥式电路直接并联在电力系统上，有效的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制其交流侧电流，就可使这个电路吸收或发出满足要求的无功电流，从而达到动态无功补偿的要求。

技术路线。静止无功发生器，每相根据设备电压的等级由一定数量的功率模块串联组成，三相采用星型接法，通过电抗器与电网连接，实现动态无功补偿功能。软启动交接及软启动电阻起到限制启动电流的作用。其中，功率模块的电路采用单相H桥式逆变电路。由于各个功率模块电气结构完全相同，使得链式静止无功发生器具有较高的可维护性[2]。

关键技术特点。本系统是一种新型的高压大容量补偿装置，使用高频电力电子开关器件取代传统无功补偿装置中的电容器及电抗器，实现快速的动态补偿，与传统的无功补偿装置相比具有以下特点：控制芯片。采用先进的DSP+ARM双核处理器，复杂可编程逻辑器件FPGA及CPLD；控制供电。具有电源冗余功能，可实现多样化的补偿功能；模块化设计，维护方便；功率模块隔离方式：光纤隔离；响应速度快，最快可达5ms；运行范围更宽，输出谐波含量低；功率半导体器件：IGBT；整机保护。输入过压、输入欠压、输入错相、输入缺相、输出过载、模块故障、PLC故障、控制器故障、输入交接故障、软启动交接故障、柜门异常、风机故障；功率模块保护。直流母线过压、直流母线欠压、通讯故障、模块过热、开关电源故障、模块过流。

2.2 控制系统

静止无功发生器的主要控制系统实现了对这个设备的控制要求，是整套设备的主要核心部件，其中包含了冗余单元、电源、检测单元、监控单元、状态显示灯等。

冗余单元、电源。主要是为静止无功发生器提供控制设备晶闸管、设备用电、以及对设备用电的可靠性的控制，主要部分由开关、UPS等部件构成。其中采用了两组开关电源，经过电源冗余电路板一起向静止无功发生的的控制系统提供电源，更加可靠、有效的保证了控制系统的运行；检测单元。主要对输出电压、输入电压，控制电压、输入电流，输出电流等检测，根据所检测的结果对各个检测量进行分析、控制，同时输出相对应的信号，对每个功率单元的开关进行控制等。

监控单元。主要在设备运行过程当中，通过设备运行的电流、电压、功率因数、无功、有功功率等进行监控，同时设备设备的运行参数、运行指令、控制参数等，使设备在达到满足功率因数的条件下运行，补偿设备的无功，功率因数达到0.9以上运行，通过上位机实现嵌入式的操作监控系统，通过人机界面实现对设备的控制及操作。使用者可以在上位机上进行操作对静止无功发生器设备的开停、设备运行的状态、设备运行的参数、设备运行故障的状态等，查找设备出现的故障，根据不同的设备设置设备运行的参数等。

2.3 功率模块、软启动组件、开关柜

功率模块主要组成部分为霍尔传感器和功率模块构成，其主要组成部分为各类电容、驱动电路板、电源模块电路板、散热器、功率单元、绝缘栅双极型晶体管模块等。驱动电路板的主要作用是将控制系统下发的脉冲宽度调制信号解码并输出，同时检测故障模块的信息，对设备保护，并且同时将信息编码上传，电源模块电路板负责对功率模块的控制提供电源，各类电容为功率模块提供电压的支撑，也可以作为限制整个系统中电压上升过大，晶体管过电压运行，保证晶体管的安全运行，在功率单元运行过程当中会产生大量的热量，为了便于保护功率单元的安全运行，散热器将产生的热量及时排出，确保晶体管的可靠工作。

软启动组件主要功能为在设备启动过程中产生较大的谐波、大电流、低电压等现象，从而保护设备安全运行，对产生的谐波、初始电流及电压等进行抑制，带电运行时，软启动接触器吸合，设备在运行过程中先经过软启动电阻进行充电，然后合主交接，再次软启动交接切断，设备进入正常运行状态。

外接开关柜内部器件均可根据实际需要定制，通常包含高压带电显示器、电流采样、隔离开关等。

2.4 系统设计功能

系统由控制系统、显示操作系统、水冷功率单元、隔离及缓冲系统、隔离及滤波电抗器、内水循环冷却系统、检测系统等几部分组成。采用电力电子电能变换和控制技术，专门为电力系统中的无功功率进行快速的动态补偿，它并联于电网上，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，不仅能补偿感性无功，还能补偿容性无功，响应速度更快、限制电压波动及闪变能力更强，运行范围更宽、自身谐波极低。

主要功能如下：动态补偿电网无功电流，调节电网功率因数，维持电网功率因数稳定；提高系统电能质量稳定性和输电能力；减少电压波动和抑制电压闪变；系统故障情况下提供电压支撑。

3 效益分析

3.1 年节电量计算

无功补偿和谐波治理后可使供电系统功率因数提高到0.9以上，使供电系统负荷侧电网中谐波含量低于国家标准要求，是最经济合理的补偿。其中节电量计算：每1kVar年节电量Pj=Qc×Cb1×Tn×Kfh-Qs，式中:Pj为年节电量；Qc为有效无功补偿容量、1kVar；Cb1为无功经济当量，三级变压，取0.298；Tn为设备年运行小时，7200小时；Kfh为负荷率，取0.73；Qs为无功补偿设备自身电能损耗（损耗率为0.5%），Qs=Qc×Tn×0.005×0.73=26.28。上式计算得：Pj=1×0.298×7200×0.73-26.28=1540kWh，按电价0.57元/kWh计算，得每1kVar年节能费用为800元。

3.2 全矿井下采掘设备就地补偿效益预测

目前井下采掘运设备平均功率因数一般在0.6～0.7之间，安装无功发生器后功率因数可提高到0.95以上。目前全矿井采掘运变压器额定容量大致在30000kVA，平均负荷率取0.7（经摸底，井下采掘运设备功率因数几乎都在0.6左右），按补偿容量30%估算，全矿井下采掘运设备所需就地补偿容量大约为6300kVar。按800元/kVar计算，全矿每年可节约6300×800=504万元。考虑电容介质损耗，大约需装备400kVar/台的补偿装置20台，按每台40万元计算需800万元，加上设备折旧和维修费用等，预计两年即可收回投资成本，之后每年可直接创益504万元。

综上，随着采区不断延伸，离井下中央变电所的距离越来越远，掘进机在1500米处作业时由于功率因数的降低设备启动困难，按照传统解决办法需要再并入一路电缆提高设备功率因数，这样不仅提高了井下电网的建设成本，而且增加掘进机掘进工作的时间周期[3]。