三道沟煤矿10kV母线无功补偿新技术探讨王浩

三道沟煤矿10kV母线无功补偿新技术探讨王浩

王浩杨海明

（神华国神集团三道沟煤矿陕西省榆林市719407）

摘要：介绍三道沟煤矿的供配电系统情况，在分析煤矿无功补偿技术发展的基础上，重点研究三道沟煤矿采用的SVG装置的作用和应用情况。

关键词：三道沟煤矿；10kV母线；无功补偿

1、引言

近年来随着我国经济的快速发展，以及现代化生产生活方式的改变，人们对于电力能源的需求量越来越多，对电力供应的稳定性要求也越来越高。在电力系统中，配电网线路是进行电力输送的关键部分，而无功功率是保证电力系统电能质量、降低电网损耗且保证系统安全运行的重要部分，目前我国的配电网线路中以10kV线路为主，三道沟煤矿所采用的配电网线路也是10kV线路，而且在矿井电网中其主要负载为皮带机、采煤机等交直流传动设备，这些设备都属于感性负载，运行功率较大且运行时的功率因数较低，在启动和停止时会产生较大的无功功率，不但会造成电能损耗的增加，还会造成煤矿电网的波动，此外，在提升机等大功率非线性负载调速的过程中会向煤矿电网中注入大量的谐波，同样会造成电网的不稳定，如果不采取无功补偿还会造成电网中其他负载的损坏，所以研究10kV线路的无功补偿具有重要的意义。

2国内外无功补偿装置的发展与现状

煤矿中所使用的无功补偿装置经历了由同步调相机和无功补偿电容器向机械开关投切电容器组过渡的早期阶段，而这几种无功补偿装置已经逐渐被淘汰，目前在煤矿企业中应用较为的广泛的无功补偿装置有静止无功补偿器（SVC）、可控串联电容补偿（TCSC）和静止无功发生器（SVG）等，其中SVG（StaticVarGenerator，动态无功补偿装置）是一种采用自换相变流电路的现代无功补偿装置，是当今无功补偿领域最新技术，又称为STATCOM（StaticSynchronousCompensator，动态无功补偿装置），如图2.1所示。

国外发达国家对SVG装置的研究和应用开始于上世纪80年代，自此SVG装置的容量不断增加，技术也越来越先进，不仅可以用于改善电网性能，而且可以对各种工业负载进行补偿。我国对SVG装置的研究开始稍晚，于上世纪90年代开始对其开展研发工作且于90年代末期投入运行，经过20年左右的发展，我国的SVG装置不仅容量增加，而且技术逐渐成熟，已经跃居世界前列。三道沟煤矿所用的SVG装置是由山东泰开电力电子有限公司生产制造的，主要由启动柜、功率柜、控制柜和连接电抗器（变压器）等部分组成[1]。

图2.1SVG基本结构图

3、SVG装置应用的主要优点

在输电线路中安装SVG装置可以起到以下作用：一是提高线路输电能力。在长距离输电线路上安装SVG动态无功补偿装置，不但可以在正常运行状态下补偿线路的无功功率，稳定线路电压，提高有效输电容量，而且可以在系统故障情况下及时进行无功调节，阻尼系统振荡，提高输电系统稳定性。

二是维持受电端电压，加强系统电压稳定性。对于负荷中心而言，由于负载容量大，又没有大型的无功电源支撑，因此容易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃的事故。而SVG动态无功补偿装置具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性。

三是补偿系统无功功率，提高功率因数，降低线损，节能降耗。配电系统中的大量负荷，如异步电动机、感应电炉以及大容量整流设备、电力机车等，在运行中都表现为感性，需要消耗大量的无功，增加了供电线路上的电能损失，降低了电压质量，同时无功电流也降低了发、输、供电设备的有效利用率；对电力用户而言，低功率因数会增加电费支出，增加变压器损耗，加大生产成本。SVG可跟随负荷无功的变化，实现无功功率的动态补偿，使线路损耗降到最低，并且充分提高了发、输、供、用电设备的利用率。

四是抑制电压波动和闪变。非线性负荷，如电弧炉、轧钢机、电气化铁路等，负荷的快速变化引起电压波动和闪变，不能满足用户对电压质量的要求，会导致设备运行性能不良，出现过电流、过热、保护装置误动及设备烧坏等事故，并且设备性能、生产效率和产品质量都将受到影响。电压波动和闪变对安全生产及人体健康都是极为不利的。SVG的快速响应使其特别适合于电压波动与闪变的抑制。

五是抑制三相不平衡。SVG动态无功补偿装置能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。

4、10KV配电无功补偿技术的应用

4.1SVG装置在三道沟煤矿煤矿的应用情况

三道沟煤矿在主副井工业场地和风井场地各建一座35kV变电站。其1、2号电源分别引自府谷电厂的35kV配电装置Ⅰ、Ⅱ母线上。在主副井场地建设一座35kV变电站，安装有载调压电力变压器两台。在风井场地建设一座35kV变电站，1、2号电源引自主副井场地35kV变电站35kVⅠ、Ⅱ母线，两电源互为备用。在主副井工业场地35KV变电站10KV两段母线上分别配有容量为4000Kva、5000KvaSVG型无功补偿装置，在风井工业场地35KV变电站10KV两段母线上分别配有两套SVG型无功补偿装置，容量为5000Kva。

4.2SVG装置应用中的电流检测方法

在煤矿供电中应用SVG装置对电流检测的方法主要有以下几种：一是p、q运算方法，p即为瞬时实功率，是电路中单位时间内的能量流总和；q即为瞬时虚功率，是不同轴电压和电流的乘积之和。前者可以用后者进行计算，其对电源和负载间的能力传递等有影响，而后者则不会对这二者产生影响。二是ip、iq算法，利用此算法时，电网电压是经过锁相环而被PLL处理，之后将信号传输至正弦和余弦信号发生器，然后获取相应的信号，其中瞬时三是id、iq算法，前者为无功补偿过程中的电流的有功分量，后者为无功分量，此算法的计算过程较为简单，计算量也较小，相比前一种方法，在计算校验过程中不用计算坐标转换，可以直接采用三相电压电流，此电流经过LPE滤波器后转化为电流信号和谐波信号[2]。

4.3SVG装置应用中的控制策略

目前比较常用的电流控制方法为恒频三角波比较法，其具有较高的稳定性和较快的响应速度，而且比较适用于功率较大的环境，其具体的方法如下：首先计算质量电流和反馈电流之差，之后通过比例/微分PI运算公式与上述差值进行结合计算，将计算结果与恒频三角波的大小进行比较，并采用逻辑互锁器获得PWM，然后在进行后续的计算和分析。在计算过程中在每个三角波的周期之中应防止位于某桥臂两侧的开关器件在导通时重叠，从而降低谐波的发生程度，以确保计算和控制的精确性，通过上述计算可以确保煤矿供电的开关器件的开关频率处于恒定的状态中，且与相对应的三角的周期相同，所以实现了对谐波的控制，来适应SVG技术的要求[3]。

4.4SVG装置应用的效果分析

为对煤矿供电SVG无功补偿技术的应用效果进行较全面的分析，针对三道沟煤矿10kV煤矿供电系统应用SVG无功补偿技术后的效果进行了测试。测试对象是位于10kV母线进线结构上的开关柜，其输出电压和输出电流的信号分别由目前电压互感器和电路互感器两侧输出，在测量母线中设置了的总补偿容量规格为4000kVar的多款型号滤波器以及并联的容性补偿装置，一定程度上增加了测试的难度[4]。

通过测试可以发现：首先在该煤矿供电系统应用了SVG无功补偿技术后，电能中谐波电压畸变率的最大值达到了1.81%、长时闪率最大值为0.64、电压三相不平衡度最大值为0.33，功率因数平均值为0.97、无功冲击最大值缩减到4.23MVar，可见，SVG无功补偿技术在提升煤矿供电系统的电能质量方面达到了较好的效果。其次通过检测可以发现，在SVG无功补偿技术投入应用后，煤矿供电中电网三相线电压与电流比值的变化曲线和三相线电压与电流比值的变化曲线逐渐重合，这在一定程度上可以说明SVG无功补偿技术在煤矿供电系统中应用，对优化三相电压平衡具有积极的作用，换言之负荷的变化对电网运行稳定性的影响被有效的控制。再次通过检测发现，SVG无功补偿技术投入运行后，在电网三相电流变化曲线的走势发生改变的情况下，SVG输出三相电流的变化曲线也会表现出与其一致的发展走势，这在一定程度上说明煤矿供电中应用的SVG可以对电网侧电流进行较好的动态跟踪，达到的动态补偿效果较理想。另外在检测中可以看出，拓扑结构中应用的各功率单元承担的电网电压均在800V左右，这在一定程度上也验证了上文拓扑结构设计的合理性。

5、结语

三道沟煤矿在10kV母线中配备了SVG装置，这是一种新型的静止型无功补偿装置，在投入运行后不仅煤矿母线的各项电力性能指标符合国家及行业标准，而且能起到稳定电网功率因数、抑制线路谐波污染的作用，对于改善电能质量，提高煤矿生产的经济效益有着重要的作用。

参考文献：

[1]王贺，商立群，崔姝浩，等.煤矿矿井供电系统无功补偿技术的应用分析[J].安徽电力，2016，33（4）：67-71

[2]张灵展.煤矿无功补偿技术的应用研究[D].山东：山东大学，2014

[3]孟赵刘.无功补偿装置SVG在煤矿6kV供电线路的应用[J].煤矿现代化，2016（6）：88-91

[4]张晋平.煤矿供电SVG无功补偿技术探讨[J].机械管理开发，2017（2）：33-34