煤礦諧波治理及動態補償問題的研究

摘 要：煤礦存在大量的用電負荷，造成了嚴重的諧波污染。尤其是一些沖擊性負荷、非線性負荷的投入使用，導致了電網功率因數降低、電壓波動、電壓和電流波形畸變等一系列電能質量問題。因此，對煤礦企業的供電系統進行無功補償和諧波治理顯得尤為重要。

分析了 SVG 動態無功補償的原理，并對煤礦常用的無功補償和諧波濾波裝置各自的優缺點進行了詳細分析。

1 緒論

1.1 背景及意義

煤礦企業中負荷多為交直流傳動設備，功率大，而且大部分是感性負荷，如皮帶機、采煤機、絞車等，它們啟停時會產生巨大的無功沖擊；煤礦電網中還有大量的非線性負荷，如提升機等，會產生諧波，諧波電流進入供電系統，降低電能質量。諧波和無功沖擊不僅會導致電網電壓產生劇烈波動、閃變和三相不平衡，嚴重影響供電質量，而且會增加設備損耗，造成設備的頻繁停機以至癱瘓，給煤礦企業生產造成了很大危害和完全隱患[1]。功率因數過低，不但增加電能損耗，使變壓器等電力設備容量得不到充分利用，而且會引起電壓降落或抬升，這樣就會給大型煤礦用電企業帶來不必要的經濟損失，而且可能帶來罰款。

我國大多數大型煤礦企業主變電所為 35/6kV 變電所，在 6kV 側進行無功功率補償具有十分重要的意義，能夠提高煤礦供電系統的安全性和穩定性，并且具有很好的經濟效益，能為大型煤礦企業節省大量電能[2]。當前，我國積極倡導發展以低能耗、低排放、低污染為基礎的低碳經濟，以求綠色 GDP 增長，煤礦電網電能質量控制技術備受關注，其研究有著廣闊的發展前景。因此，針對煤礦企業進行無功功率補償和諧波治理具有很大的研究價值。

1.2 煤礦企業無功補償和諧波治理的發展

改善電能質量有很多方法， 列舉了一些常用的無功補償和諧波抑制方法。

1.2.1 煤礦企業無功補償發展現狀

無功補償裝置的發展可以概況為兩個階段：早期無功補償裝置和現代無功補償裝置。從最早的電容器開始發展到今天的靜止無功發生器 SVG，歷經了電容器、同步調相機、飽和電抗器，SVC和SVG等幾個不同的階段[3-8]。

其中靜止無功補償裝置簡稱SVC（STATICVARCOMPENSATOR）是指沒有運動部件的無功補償裝置。由于使用晶閘管的靜止無功補償裝置具有優良的性能，近年來，在世界范圍內其市場一直在迅速而穩定地增長，已占據了靜止型無功補償裝置的主導地位。因此SVC往往專指使用晶閘管的靜止無功補償裝置，包括晶閘管控制電抗器（TCR），晶閘管投切電容器（TSC），以及這兩者的混合裝置（TCR+TSC）或者晶閘管控制電抗器與固定電容器的混合裝置（TCR+FC），晶閘管控制電抗器與機械投切電容器的混合裝置（TCR+MSC）等。

靜止無功發生器簡稱SVG（STATICVARGENERATOR）也是一種電力電子補償裝置。與靜止無功補償裝置（SVC）不同的是通過發出無功功率達到無功補償的目的，不需要大容量的電抗器、電容器等儲能元件。目前，SVG大都采用GTO和 IGBT全控型器件，已在電網和工業工程中得到了應用，文獻[9]是SVG 在煤礦工程中應用。根據SVG直流側采用的是電感還是電容，將 SVG分為電壓型和電流型兩種。如圖 1-1所示，SVG 的電路基本結構為電壓型橋式電路。如果用電抗器代替圖1-1直流側的電容器，用并聯電容器代替交流側的串聯電感，則為電流型的SVG。電壓型SVG和電流型 SVG 的動態補償原理相同。

1.2.2 諧波問題及研究現狀

隨著非線性電力電子裝置的應用，電網中的諧波含量增加了，同時也給煤礦企業帶來了困擾。因此，針對煤礦企業負荷產生的諧波進行有效的治理，將其限制在允許的范圍之內，對保證煤礦企業設備安全運行具有十分重要的意義。諧波治理的措施主要包括兩種：一是主動治理，降低諧波源產生的諧波或使其不產生諧波。二是被動治理，即安裝濾波裝置。在實際的應用中，由于非線性負載產生諧波的多樣性，一般還是采用安裝濾波器的方法，濾波裝置一般包括無源濾波器和有源濾波器。

（1） 無源濾波裝置。無源濾波器（Passive Filter， PF）由電容器、電感和電阻適當組合而成，其設計穩定可靠，因此在工業工程上得到了廣泛應用。在諧波源附近安裝無源濾波器，既可以抑制諧波電流，同時還可以進行無功補償。無源濾波器具有結構簡單、成本低、運行維護簡單、技術成熟等優點，但它也有缺點[10-12]，只能對特定次數諧波進行治理，各項運行指標受到電網參數、負荷變量、環境等各項因素制約。而且電容器組補償效果不理想，會消耗大量的有色金屬，占地面積也大，因此無源濾波器的應用受到了限制。

（2） 有源濾波裝置（Active Power Filter， APF）。隨著柔性交流輸電技術的發展，近幾年靜止型APF有源濾波器也得到快速發展，由于電力電子器件價格的降低，使APF廣泛應用于工礦企業。 APF 主電路采用 PWM 控制變流器，構成并聯型電力有源濾波裝置，控制回路采用雙閉環跟蹤控制技術，運用高速大容量 DSP 計算機芯片，實時、快速地將負載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來，并準確輸出補償電流，實現濾除諧波的功能。它的基本原理是根據測得的諧波電流，發生一個與之大小相同，相位相差180度的諧波電流，這兩個諧波電流疊加后互相抵消，保證最終流入系統的電流是正弦波。其特點是：與LC濾波器相比，不受系統阻抗影響，濾波效率大大提高，可以補償各次諧波，不像LC濾波器需設多組單調諧濾波器；不存在諧波放大，不會與系統發生諧振；不存在過負荷問題，若諧波電流較大，可多臺 APF 并聯。在各領域，傳統的 LC 濾波器正在被 APF有源濾波器所代替。

參考文獻

[1]孫振松，李大虎.動態無功補償裝置在唐口煤業的研究和應用[J].山東煤炭科技， 2009（3）： 89-91.

[2]徐俊， 楊洪濤.礦井電網靜止型動態無功補償裝置的研制[J].煤礦機電， 2009（2）： 44-46.

[3]王正風. 無功功率與電力系統運行[M] .北京：中國電力出版社， 2009： 10-15.

[4]趙賀. 電力電子學在電力系統的應用-靈活交流輸電系統[M].北京：中國電力出版社， 2001： 25-29.

[5]程漢湘. 柔性交流輸電系統[M].北京：機械工業出版社， 2009： 11-17.

[6]R.Mohan Mathur（加拿大），Rajiv K.Varma（印度），徐政（譯）. THYRISOR―BASED FACTS

CONTROLLERS FOR ELECTRICAL TRANSMISSION SYSTEMS [M]. 北京： 機械工業出版社， 2005：28-36.

[7]唐杰.配電網靜止同步補償器（D-STATCOM）的理論與技術研究[D].長沙：湖南大學， 2007： 21-25.

[8]陳金富.柔性交流輸電系統的潮流計算及控制策略研究[D].武漢：華中科技大學， 2002：44-54.

[9]Masand， D.； Jain， S.； Agnihotri， G.；Control Algorithms for Distribution Static Compensator.Industrial Electronics， 2006 IEEE International Symposium on.Volume 3， 9-13 July 2006 Page（s）：1830 - 1834

[10] 吳競昌等. 電力系統諧波[M]. 北京： 水利電力出版社， 1988： 14-20.

[11] 唐統一等. 電力系統諧波[M]. 江蘇： 中國礦業大學出版社， 1991： 7-15.

[12] Leszek S， etc. An Overview of Methods Harmonic Suppression in Distribution System [J]. IEEE Trans ON IA， 2000， Vol.36（3）： 590-597.

作者簡介

周文武（1985-），男 ，安徽省宿松縣人，2009年6月畢業于中國礦業大學，2009年9月一至今在鄭煤集團超化煤礦工作，現任鄭煤集團超化煤礦機電運輸科副科長。