矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理装置研究与应用

作者：相龙阳 王金泉 刘文蔚 张 明 卢艳玲 来源：《科技视界》 2014年第2期

相龙阳1 王金泉1 刘文蔚1 张 明1 卢艳玲2

（1.兖州东方机电有限公司，山东 邹城 273500；2.兖矿轻合金有限公司，山东 邹城 273500）

【摘 要】针对目前煤矿井下高压供电系统存在的功率因数过低、谐波含量高、电压波动大等电能质量问题，本文设计了一套以全控桥静止型无功补偿技术（SVG）为核心，采用H桥链式功率单元级联技术的高压动态无功补偿及谐波治理装置；完全避免采用传统补偿技术带来的补偿输出滞后、过补或欠补影响电压稳定、补偿能力受电压变化影响降低等固有缺陷。最后，以东滩煤矿井下实际电网为例进行测试表明，加装该补偿装置以后，电网电压波动减少，功率因数明显提高，波形畸变基本消失，验证了系统的可行性和优越性。

【关键词】高压；无功补偿；谐波治理；H桥链式

Mining General Type High-pressure Dynamic Reactive Power Compensation and Harmonic Control Equipment Research and Application

XIANG Long－ｙang1 WANG Jin－ｑuan1 LIU Wen －ｗei1 ZHANG Ming1 LU Yan－ｌing2

（1.Yanzhou Eastern Electromechanical Co., Ltd., Zoucheng Shandong 273500，China；

2.Yankuang Light Alloy Co., Ltd., Zoucheng Shandong 273500，China)

【Abstract】The power quality problems exits the underground high voltage power supply system for the current mine， comprises the lower power factor 、high

harmonic content and voltage fluctuations． To solve this problems， a equipment based dynamic reactive compensation and harmonic control of high voltage for static var generator technology， in which the H-bridge power unit concatenation chain are used, is designed; avoiding completely the voltage stability owning to the

compensation compensated output lag， over or under and decreasing the compensation ability by voltage variations when the traditional compensation technology． At last,Testing results and practical operation of actual mine power distribution network for Dong tan mine controlled by the designed system show that the voltage fluctuation is mitigated, power factor obviously improved and the waveform

distortion basically disappears,therefore the designed control system is feasible and superior.

【Key words】High voltage；Var compensation；Harmonic control；H bridge chain

0 引言

近年来，随着现代矿山生产模式向大型化、集约化发展，煤矿井下机械化程度不断提升，大功率电气设备大量使用，供电线路随采掘面不断延伸而加长，使得各种感性负荷与地面电网供电电源间存在着大量无功功率[1]。引起井下高压供电系统电压下降幅度大，冲击压降大，电压波动大，功率因数低，线路末端电压低等电能质量问题，从而造成电气设备启动和运转不正常、设备和线路损耗增大过热、电气事故频发等情况；再加之电力电子设备等非线性装置在煤矿井下的大量使用，除消耗大量无功功率外，还产生大量的谐波危害，造成电子设备或开关误动作或损坏，引起电子元器件或用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命，甚至被损坏。无功功率和谐波存在产生的这些危害日益明显，已经对煤矿井下电网安全和用电设备安全造成明显影响，成为困扰广大煤矿供电管理技术人员的难题，对其进行有效治理也成为迫切需求[2]。

针对上述煤矿井下高压供电系统存在的供电质量问题，本文基于DSP核心控制技术采用H桥级联电气拓扑结构研究设计了矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理设备。本文所研究的系统真正解决了煤矿井下高压配电系统长距离供电存在的重大产业技术难题，填补了国内此项技术在矿井高压电网领域应用的空白。相对于传统的无功补偿装置，此系统可靠性强、损耗少、成本低、响应速度快、适用范围广的优点，获得了良好的经济和社会效益。

1 系统主控制图

1.1 主电路结构图

矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理装置主电路主要由隔离开关、连接电抗器、启动装置、功率单元、控制系统等组成，完全适应井下10（6）电压等级的高压供电网络，主电路结构图如图1所示。

1.2 系统工作原理

该系统工作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧电网同频率的输出电压，类似一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。

当仅考虑基波频率时，装置可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。经过电抗器或者变压器并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现连续、平滑、快速、动态调节无功的目的[3-4]。

当采用直接电流控制时，直接对交流侧电流进行控制，不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿，实现对电能质量进行治理的目的。

2 控制系统硬件设计

系统控制系统主要由信号采集模块、控制驱动模块、通信模块组成。电路原理图如图2所示本系统控制核心采用TI公司推出的TMS320 F2812型DSP芯片，大规模可编程逻辑器件

CPLD/FPGA来实现；10(6)kV等级的电压、电流信号通过电压、电流互感器转化成100V/5A等级的电压、电流，经调理后经单线比较电路进入DSP内部的A/D转换电路，控制驱动模块对数据进行处理计算出有功功率、无功功率和功率因数等参数，然后根据设定目标产生投切控制信号，驱动IGBT模块来投切电容器来发出所需的容性/感性无功功率到高压电网侧，从而达到高压无功补偿的目的[5]。同时采用PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及现场各种操作信号和状态信号的协调。系统整体结构图如图2所示。

3 控制系统软件设计

本系统控制核心由高速32 位数字信号处理器DSP、大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA和一体化人机界面协同运算来实现，PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

系统中DSP主程序的功能主要为计算谐波与无功补偿指令电流、对直流侧总电压及上下电容均压进行控制，接收外部的启动信号进行软启动，接收外部的关断信号将指令电流置零等。主程序流程图如图3所示[7-8]。

当采样信号到来后，首先对两路系统电流信号与三路电压控制信号进行采样保持与A/D转换，然后根据系统电流与电压控制信号计算出指令电流，对关机信号和开关模态判断后，输出指令电流PWM信号。

4 算例与分析

4.1 现场概况

为了验证本文设计研究矿用一般型高压动态无功补偿装置的可行性，本文选取兖矿东滩煤矿井下高压供电系统作为典型研究对象，并以煤矿三采区供电系统作为试验地点。

装置并联在井下中央变电所与采区三变电所之间的供电主回路上，主变压器由10kV变压供电，容量为4.5MVA，三采区变电所母线直接带负荷设备有一台东翼二皮机尾电机、两台皮带机头电机和3204泵站及一台运输机、皮带机等，总运行有功功率P约为3.5MW；三采区一号变电所带的设备有两台皮带运输机、五台大型风扇及其它二次设备，总运行有功功率约为800kW；3204综采工作面通过高防开关所带设备为一台采煤机、一台转载机、一台破碎机、两台乳化泵和两台清水泵，推算总运行有功功率约为1.6MW。

4.2 测试结果与分析

为了更好的获得装置投入运行前后补偿效果，在此采用FLUKE电能质量分析仪对是生产时段实验数据进行测量，测量结果如下：

４．２．１ 10kV母线电压

三相母线电压值基本维持在10.15kV上下波动不大，电压波动小于等于2.0%，电压总畸变斜率DTH小于等于3.9%，母线电压能够保持在一个很高水平，能够很好的稳定线路末端电压，保证负荷面电气设备顺利启动和正常工作。

４．２．２ 10kV母线电流

由图4对比图可知，装置未投入运行时，母线电流达到130A，电流波动范围大；装置投入运行时，电流波动变化范围明显减小，电流大小大约在95A左右，大大降低线路损耗，减少了企业生产成本。

４．２．３ 功率因数

比较分析功率因数趋势图5可得，装置未投入运行时，母线功率因数最大值0.92，最小值0.87，平均值0.90；投入运行后，母线功率因数最大值0.99，最小值0.88，平均值0.98，母线功率因数大大提高，电能质量大大改善。

5 结论

矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理设备通过在井下实际运行，实现了以下效果：

5.1 能够提供从感性到容性连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿, 响应时间快，可快速跟踪负荷变化。

５．２ 装置补偿效果显著，能够提供供电线路功率因数，稳定线路末端电压，抑制谐波、三相不平衡、电压波动和闪变，保证了煤矿企业生产的顺利进行。

５．３ 社会和经济效益方面，该装置的投运，大大提高了线路的功率因数，减小了无功损耗，节约了电能，经济效益显著；同时能够提高电气设备的利用率，大大减轻了企业员工的劳动强度，提高劳动效率。

【参考文献】

［１］王强，郑瑜，王玉奎，等．无功补偿装置在煤矿井下供电系统的应用[J]．神华科技，2011，9（6）：55-59．

［２］范莹．煤矿6 kV供电系统无功动态补偿技术的应用[J]煤矿机电，2012，1（5）：105-107．

［３］董君，陈田．静止型动态无功补偿装置在松河煤矿的应用[[J]．工矿自动化,2010，9（10）；76-79．

［４］庄文柳，张秀娟，刘文华．静止无功发生器SVG原理及工程应用的若干问题[J]．华东电力，2009，37（8）：1295-129８．

［５］张立，丘东元，张波．基于DSP的高压动态无功补偿控制器设计[J]．电力自动化设备，2010，3（30）：121-125．

［６］蒋建国，腾达，林川．级联H桥型静止同步补偿器控制方法仿真分析[J]．电力系统及其自动化学报，2011，1（4）：52-56．

［７］汪玉凤，刘芳芳，薛建清．针对矿井电网的机械投切电容器组动态无功补偿控制系统的设计[J]．2011,8（35）：218-221．

［８］侯文清，张波，丘东元，等，基于DSP的电能质量检验与无功补偿综合测控装置[J]．2007，28（1）：120-125．

［责任编辑：薛俊歌］