基于SVG的煤礦供電無功補償技術研究

張香平

（大同煤礦集團挖金灣煤業(yè)有限責任公司，山西 太原 037042）

關鍵字：供電；無功補償；SVG；功率因數(shù)

0 引言

在現(xiàn)代化的煤礦企業(yè)的供電網(wǎng)絡中，主要存在的負載有皮帶機、采煤機、提升機、空壓機等。根據(jù)各設備的運行特性和分析改善供電網(wǎng)絡性能，可將其分為感性負載和非線性負載。其中感性負載包括皮帶機、采煤機、空壓機等，非線性負載主要是提升機。對于感性負載，其在運行時功率因數(shù)比較低，啟動和停車過程中，功率因數(shù)特別低，產生的無功功率會對電網(wǎng)形成沖擊。這種情況，不但會使煤礦的電能損耗增加，而且會大大降低其利用率，同時也會對電網(wǎng)本身的電壓造成波動影響。對于提升機等大功率非線性負載，在調速過程中，也會產生大量的諧波，并反向作用于供電網(wǎng)絡，造成供電電壓波動、甚至出現(xiàn)瞬時跳變的情況。這些情況同樣也會增加煤礦的電量消耗、供電質量下降。

本文的研究目的是利用靜止無功發(fā)生器，提高功率因數(shù)，減小無功電流，進而可以減小煤礦供電系統(tǒng)的損耗，減少煤礦企業(yè)經(jīng)營的生產成本。

1 控制策略/工作原理

1.1 SVG簡介

靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator-SVG），是建立在瞬時無功功率概念的基礎上，配合逆變電路實現(xiàn)無功補償。其逆變電路由門極可關斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor-GTO)組成。具體的措施是：調節(jié)晶閘管的導通閉合角度，從而實現(xiàn)對逆變電路的控制，改變輸出的無功功率。

1.2 控制策略

變流器的逆變電源是SVG直流側電容電壓，在系統(tǒng)電壓值穩(wěn)定時，可以通過控制逆變器輸出的無功電流的大小，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)輸出的控制，從而控制無功功率的大小。因此，確定控制策略的本質是如何控制系統(tǒng)中的無功電流值。

1.3 電流直接控制

電流直接控制，顧名思義是對無功電流的直接控制。在實際應用過程中，靜止型無功發(fā)生器可以根據(jù)自身的控制算法，自行調節(jié)無功電流值，從而實現(xiàn)無功補償，不需要測量交流電壓基波的相位和幅值。最常用的技術是PWM技術，即脈沖寬度調制技術（Pulse Width Modulation—PWM）。在控制過程中，在基于SVG無功補償供電系統(tǒng)中，直接測量無功電流，并對其進行控制，最終完成無功功率的控制。根據(jù)上述電流直接控制的過程可知，系統(tǒng)的電流信號處于實時監(jiān)測狀態(tài)，其無功發(fā)生器的控制也就隨之處于實時控制中，因此該控制方法較電流間接控制的精度和速度要高。

2 系統(tǒng)設計

2.1 SVG系統(tǒng)設計

系統(tǒng)共安裝兩套無功補償裝置，容量為8Mvar，分別位于兩段10kV母線上，兩臺無功補償裝置通過母聯(lián)開關聯(lián)接。裝置的主要組成部分包括：主控器、采集模塊、PWM脈沖輸出及放大電路，IGBT模塊等。

在裝置的設計選型過程中，主要對無功發(fā)生器、功率模塊、主控器進行了比對選型。對于靜止無功補償器，主要有電壓型和電流型兩種，由于電壓型的補償效果和性能指標比電流型要好。對于功率模塊，為了使無功補償裝置最終的性能良好，選用了兼具MOSFET和GTR的性能的雙極IGBT。對于控制器，根據(jù)前述的控制過程和控制原理，選用了信號處理能力突出、工業(yè)抗干擾能力強的TMS320F2407型DSP芯片。

在本研究中所涉及的供電系統(tǒng)改造過程中，采取了的是多個H橋串聯(lián)的形式，IGBT功率模塊可以分布在每個H橋內，這樣做的目的是均分母線電壓，然后再將其以星型方式連接。IGBT的主要選型參數(shù)包括關斷峰值電壓和尖峰電流。具體選型參數(shù)確定如下：

當輸入的高壓電壓為10kV時并且每個H橋單元的限定電壓為1000V，計算無功補償

發(fā)生器所需的無功補償模塊個數(shù)，如式所示，因為各個模塊全部串聯(lián)在一起:

式中：U0為一次側有效電壓；Ui為單個無功補償模塊的額定電壓。

在計算選型過程中，安全裕量系數(shù)k2取1.1，過電壓保護系數(shù)ku取1.15，考慮到電壓Ue等對峰值電壓的影響，則峰值電壓UCESP計算過程如下：

而尖峰電流Imax的計算過程中，取基波電流峰值裕量為1.3，則Imax的計算過程如下：

確定了如上兩個參數(shù)之后，通過查詢配件的數(shù)據(jù)手冊，可知Mitsubishi的CM200DY 34A型IGBT的峰值電壓1700V，尖峰電流為200A，符合上述計算所得的數(shù)據(jù)，因此確定選取該型號的IGBT.

2.2 硬件電路設計

SVG的控制是本研究中所涉及的無功發(fā)生器的控制核心。它的控制任務是確定目標控制值、實時監(jiān)測供電電網(wǎng)的運行情況、計算無功補償裝置的無功功率。其輸出的控制信號，作為IGBT的觸發(fā)信號，控制IGBT，實現(xiàn)無功補償裝置輸出電路的通斷，最終完成無功補償?shù)哪康摹VG的硬件電路如圖1所示。

圖1 SVG硬件電路框圖

如圖1所示，用于信號檢測的電壓互感器和電流互感器，分別用于實時監(jiān)測供電系統(tǒng)中的實時的電壓值和電流值。采集到的電壓和電流信號進入到信號調理模塊，經(jīng)過該模塊處理后，可將互感器檢測到的信號即時轉換為標準的模量信號，并輸入到主控制器DSP中。DSP內置的數(shù)模轉換模塊，可以完成上述模擬信號的轉換，并作為進一步的處理和顯示信息存儲在DSP的存儲區(qū)域。DSP內部程序，采用ip-iq法，對數(shù)據(jù)進行分析處理和計算，得出瞬時無功功率、對應的電壓值，再通過空間矢量控制算法，計算出IGBT的觸發(fā)信號值，通過PWM模塊，向IGBT輸出觸發(fā)脈沖，IGBT根據(jù)觸發(fā)信號完成無功功率的控制。這就是基于SVG的煤礦無功補償裝置的工作過程。

3 應用

將所設計的無功補償裝置應用于現(xiàn)有的供電線路中，進行測試和結果分析。

3.1 供電情況

煤礦變電站的進線電壓為35kV，有供電公司所部屬的上級配電站，經(jīng)過2路進線提供。2條進線分別為1#、2#進線。其中1#位為工作線、2#位備用線。進線經(jīng)過2臺主變壓器，分為2段母線，母線的額定電壓為10kV。

3.2 負荷情況

選取2段母線中的1段進行測試。測試母線為主井提升機、副井提升機、主扇風機供電，其中主井提升機有一臺變壓器，容量3600kVA、電機一臺、功率2250kW；副井提升機有變壓器1臺，容量1600kVA；主扇兩臺，一用一備，每臺功率2500kW。

測試過程中，主井提升機帶負荷正常運轉，該段母線上的奇次濾波器和無功補償電容器同時正常工作。

3.3 測試方法

采樣點：設置在該母線的進線側。分別測量其電壓波形和電流波形作為兩個采樣。

采樣間隔：根據(jù)諧波的變化情況，確定采樣間隔為3ms。

測試分析儀器：FLUKE諧波分析儀。

3.4 測試結果

采用了無功補償裝置之后的配電系統(tǒng)，電網(wǎng)的高次諧波電流明顯降低，達到了國家標準要求。功率因數(shù)明顯改善，10kV母線一側功率因數(shù)為0.98，最大無功功率值為4.26Mvar，較之前的最大值有了明顯降低。供電系統(tǒng)各項指標如下表所示：

表1 SVG投入后的電能參數(shù)指標

4 結論

通過對煤礦供電無功補償技術的研究，設計了一套基于SVG的無功補償裝置，并在煤礦進行了應用測試和分析。經(jīng)過分析：該設備在抑制諧波污染，改善供電環(huán)境、保證供電網(wǎng)絡的功率因數(shù)基本穩(wěn)定、降低煤礦生產的能源消耗等方面的實際效果。