SVG用于煤礦井下諧波問題分析

周 斐，梁曉紅

（平頂山工業職業技術學院，平頂山 467001）

0 引言

近年來，隨著煤炭工業綜合機械化設備的普及，大量非線性負載在煤礦井下的使用越來越廣泛，如采煤機、皮帶運輸機等，均采用大功率變流設備和變頻器。這些設備已逐漸成為煤礦井下供電系統中的主要諧波源，所產生的諧波和無功波動對其他電器設備的影響也越來越大，造成煤礦井下電能質量嚴重下降，引起供用電事故，影響安全生產。

圖1 SVG的基本結構

1 SVG原理

SVG（Static Var Generator）即靜止無功發生器，是當今無功補償和諧波治理領域最新技術的代表。它不再采用傳統大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。SVG相當于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，由于SVG的響應速度極快，所以又稱為靜止同步補償器（STATCOM）。

SVG基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件（如IGBT）組成自換相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，自動補償系統所需無功功率，基本結構如圖1所示。

2 某典型煤礦井下電網諧波分析

以某典型煤礦井下電網為例，該煤礦井下運輸主要采用皮帶輸送機，部分采用變頻器驅動，使用過程中發生過電機和開關絕緣擊穿的事故，初步分析與使用變頻器有關。為全面分析該井下電網諧波的波動情況及諧波源設備產生諧波的變化范圍，主要對電網電能質量進行了測試，測試點包括：該礦6kV地面中央變電所1#明斜進線，6kV地面中央變電所1#電源進線，1140V側變頻器整流側進線及1140V側SVG進線。

主要測試項目有：電壓有效值URMS、電壓總諧波畸變率THDU、各次諧波電壓含有率HRU、各次諧波電壓有效值Un-RMS、各次電壓相角φu、電流有效值IRMS、電流總諧波畸變率THDI、各次諧波電流含有率HRI、各次諧波電流有效值In-RMS、各次電流相角φi、三相的功率因數λ等參數。

以1#明斜電流諧波情況的監測為例，從圖2（a）趨勢圖中可以看出明斜高強移變電流測試值最大為2.4A，最小為0.6A，平均為1.3A，電流波動較大，由于變比為200:5，明斜高強移變實際電流最大為96A，最小為24A，平均為52A。明斜高強移變電流總諧波畸變率THD平均值為60%，如圖2（b）所示。從測量結果可以看出5次、7次諧波含有率較高，分別為54%、30%。5次、7次諧波電流趨勢圖如圖2（b）所示。

圖2 1#明斜電流圖

經過對該典型煤礦井下供電系統進行了長時間、不同工況條件下的諧波測量，掌握了井下供電系統五條路線路的諧波狀況，得出皮帶運輸機變頻設備是井下供電系統的主要諧波源，主要諧波為5、7、11次。井下供電系統的5路線路按諧波大小排序為：1號電源諧波最大，必須治理；4號和5號電源諧波含量居中，建議進行治理；2號和3號電源諧波較小，不需要治理。

3 SVG用于煤礦井下無功與諧波治理

3.1 治理方案分析

井下電氣設備的諧波治理方法根據技術可分為有源濾波和無源濾波；根據裝設的地點分為安裝在井下和安裝在井上。根據該煤礦井下諧波源特點，結合當前諧波治理技術，提出了三套諧波治理方案如下：

1）采用無源濾波技術，治理裝置放在井下；

2）采用有源濾波方式，治理裝置放在井下；

3）采用有源濾波方式，治理裝置放在地面。

根據該煤礦供電系統和用電設備情況，在測試數據的基礎上，通過仿真軟件分析，對比無源濾波、有源濾波等不同諧波治理技術對井下電網諧波治理的效果和容量、投資等進行綜合評估，建議安裝1140V電壓等級SVG，針對明斜皮帶電源諧波采用有源濾波器（APF）在變壓器二次側（1200V）進行諧波治理；對于4號和5號電源建議在地面變電所6kV側采用有源濾波器進行集中治理。

3.2 治理效果分析

SVG安裝后，通過對1#明斜電壓諧波情況的監測，可以看出A、B、C三相電壓值較穩定，測量值保持在105.3V，由于變壓器比值為6000:100，1#明斜電壓實際值為6318V。圖3為SVG安裝后1#明斜電壓趨勢圖，從圖3可以看出1#明斜電壓總諧波畸變率THD平均值為1.25%。

根據國家技術監督局發布的《電能質量——公用電網諧波》國家標準（GB/T14549-1993），電網標稱電壓為6kV，其電壓總諧波畸變率不得超過4%，奇次諧波電壓含有率不得超過3.2%，偶次諧波電壓含有率不得超過1.6%；測量數據為電壓總諧波畸變率1.25%，奇次諧波電壓含有率為1.25%，偶次諧波電壓含有率為0.055%，其電壓總諧波畸變率、奇次諧波電壓含有率和偶次諧波電壓含有率均符合國家標準。

圖3 SVG安裝后1#明斜電壓趨勢圖

圖4 1#明斜電壓

表1 1#明斜電壓諧波情況

圖4為SVG安裝后1#明斜電壓圖，表1為選取某一時刻1#明斜電壓諧波情況，如表所示，數據測量值遠低于國家標準。經諧波治理后煤礦井下電網6kV供電質量良好，提高了電能質量。

4 結論

在煤礦井下諧波危害嚴重的線路安裝有源濾波裝置后，能及時根據變頻器產生的諧波變化進行諧波抑制，治理效果達到國家標準要求。按安裝濾波裝置后，濾除50%諧波電流估算，節電率在7%左右，證明使用SVG對變頻器產生的諧波進行治理，能達到節能和改善供電質量、降低供用電事故的目的，產生巨大的經濟和社會效益。

SVG諧波治理方案可在該礦及其他類似礦井應用，在改善供電質量、降低設備故障率，提高安全生產水平和節約電耗方面具有十分重要的現實意義。

[1] GB/T14549—1993電能質量-公用電網諧波[S], 1993.

[2] 任子暉. 煤礦電網諧波分析與治理[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社. 2003.

[3] 朱東柏, 電力有源濾波及無功補償裝置的研究[J]. 電機與控制學報. 2002, (04)82-84.