煤礦供電系統(tǒng)諧波治理及無功補(bǔ)償

文/豆軍強(qiáng)

隨著現(xiàn)代化煤礦技術(shù)的發(fā)展，煤礦供電系統(tǒng)中的提升、通風(fēng)、排水、運(yùn)輸?shù)却蠊β试O(shè)備均采用了先進(jìn)的電控方式。這些常用的電控方式有晶閘管整流器-直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)方式；交流電機(jī)-晶閘管串級(jí)調(diào)速拖動(dòng)方式；采用PLC控制的軟啟動(dòng)方式及變頻調(diào)速方式等。此類電控方式接線簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，提高了設(shè)備的安全運(yùn)行程度，然而同時(shí)也帶來了諧波污染問題。

1 電網(wǎng)功率因數(shù)

通常在公用電網(wǎng)中，電壓的波形畸變很小，電流的波形畸變可能很大。

低功率因數(shù)的危害：

（1）傳送同樣的有功功率，電流增大。

（2）無功電流會(huì)增大供電設(shè)備容量，增加線路的電壓損失。

（3）沖擊性無功電流引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變，嚴(yán)重時(shí)影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。

此外，諧波也會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低，并對(duì)無功補(bǔ)償電容器的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

而《供電營(yíng)業(yè)規(guī)則》規(guī)定，煤礦用戶功率因數(shù)為0.90以上。為此必須提高功率因數(shù)，減少電能損耗，目前煤礦企業(yè)廣泛采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。設(shè)補(bǔ)償前負(fù)荷的有功功率為P，功率因數(shù)為 ，補(bǔ)償后功率因數(shù)要達(dá)到 ，則電容器所需補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘縌C為

2 供電電網(wǎng)諧波危害

2.1 對(duì)電容器的影響

對(duì)電容器的影響主要為諧波放大。供電系統(tǒng)的諧波源主要是電流源。電容器和主系統(tǒng)均分流。電容器不僅吸收諧波源電流，而且吸收主系統(tǒng)諧波電流。n=n0時(shí)，發(fā)生諧波諧振。n＜n0時(shí)，電容器使主系統(tǒng)分流大于諧波源電流。n1＜n＜n2時(shí)，諧波嚴(yán)重放大范圍。

2.2 對(duì)電機(jī)的影響

諧波電流不僅會(huì)產(chǎn)生附加損耗，使電機(jī)過熱，還會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。

（1）同步電機(jī)出力受到限制；

（2）感應(yīng)電機(jī)：較大的諧波電流將降低額定轉(zhuǎn)速下的有效轉(zhuǎn)矩，并在較低轉(zhuǎn)速下引起寄生轉(zhuǎn)矩。

2.3 對(duì)繼電保護(hù)自動(dòng)裝置和控制設(shè)備的影響

由于各種繼電保護(hù)裝置都是按工頻條件設(shè)計(jì)的，諧波的存在會(huì)引起誤動(dòng)作。對(duì)于以電力線路為聯(lián)系通道的遠(yuǎn)動(dòng)裝置，諧波電流能影響甚至破壞其動(dòng)作。母線電壓的畸變，還能引起整流設(shè)備觸發(fā)脈沖裝置的觸發(fā)周期不穩(wěn)定，使晶閘管閥的觸發(fā)角不相等。

2.4 對(duì)通信系統(tǒng)的影響

影響原因是諧波對(duì)鄰近通信線路產(chǎn)生了靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。

3 變頻器諧波電流分析

3.1 交-交變頻器

交-交變頻器的主電路由兩組反向并聯(lián)的整流器構(gòu)成，整流器通常采用三相橋式全控整流電路，忽略換相過程和電流脈動(dòng)，設(shè)交流側(cè)電抗為零，直流電感L足夠大，帶阻感負(fù)載的三相橋式全控整流電路。

但與可控硅整流電路相比，交-交變頻器網(wǎng)側(cè)諧波電流的頻譜要復(fù)雜得多，幅值卻比較小，其網(wǎng)側(cè)除基波，整數(shù)次特征諧波外，還含有非整數(shù)次旁頻諧波電流。

可見，交-交變頻器網(wǎng)側(cè)諧波電流的次數(shù)和大小與其主電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此理論計(jì)算很復(fù)雜。工程應(yīng)用常采用計(jì)算機(jī)仿真或與類似應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較的方法來確定變頻器網(wǎng)側(cè)諧波電流。

3.2 交-直-交變頻器

3.2.1 交-直-交電壓型變頻器

交-直-交變頻器的主電路由整流單元、中間直流環(huán)節(jié)和逆變單元組成，分析其網(wǎng)側(cè)諧波電流重點(diǎn)在于整流單元，假設(shè)變頻器和變壓器幾何對(duì)稱，且其輸出認(rèn)為是整流電流的解耦，此時(shí)變頻器的網(wǎng)側(cè)電流與可控硅整流器類似，只存在特征諧波分量。

變頻器中的整流器與可控硅整流器又有所不同，其負(fù)載為阻容性質(zhì)，輕載時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)電流可能不連續(xù)。其網(wǎng)側(cè)電流諧波含量一般要大一些。

理論計(jì)算網(wǎng)側(cè)諧波比較復(fù)雜。多數(shù)較知名的變頻器廠商都可以提供所制造的變頻器的諧波含量的數(shù)據(jù)或資料。還可依據(jù)額定負(fù)載時(shí)諧波含量表與不同負(fù)載率時(shí)基波及諧波含量表來估算。

3.2.2 交-直-交電流型變頻器

特征諧波與電壓型變頻器的類似。但其網(wǎng)側(cè)和電動(dòng)機(jī)側(cè)之間的解耦不如電壓型變頻器理想，且網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量受電動(dòng)機(jī)側(cè)諧波的影響十分大，故網(wǎng)側(cè)會(huì)產(chǎn)生非整數(shù)次諧波。

4 諧波治理

4.1 受端治理

選擇合理的供電方式，即由較大容量的供電點(diǎn)或由高一級(jí)電壓的電網(wǎng)為諧波源供電；避免電容器對(duì)諧波的放大，抑制措施為加串聯(lián)電抗器，抑制原理是電容器與串聯(lián)電抗器組成無源濾波器；提高設(shè)備抗諧波干擾能力，使設(shè)備能在一定限度的諧波環(huán)境中工作；改善諧波保護(hù)性能，即為對(duì)諧波敏感設(shè)備采用靈敏的諧波保護(hù)裝置。

4.2 主動(dòng)治理

（1）增加整流裝置的相數(shù)或脈波數(shù)。采用多重化技術(shù)增加脈波數(shù)，它是將多個(gè)整流器聯(lián)合起來使用，使多個(gè)方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波。

（2）改變諧波源的配置或工作方式。集中諧波互補(bǔ)性的裝置，否則應(yīng)適當(dāng)分散，適當(dāng)限制會(huì)大量產(chǎn)生諧波的工作方式。

（3）設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器。常采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)，使整流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，但只適用于自關(guān)斷器件。

4.3 被動(dòng)治理

（1）采用無源濾波器PE。主要有單調(diào)諧及高通濾波器，可吸收諧波電流，還可進(jìn)行無功補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡(jiǎn)單。

（2）采用有源濾波器APF。有并聯(lián)型或串聯(lián)型APF，起補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可進(jìn)行無功補(bǔ)償。

（3）采用混合型有源濾波器HAPF。HAPF兼具PF成本低廉和APF性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)。

5 無功補(bǔ)償

無功補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?/p>

（1）針對(duì)平均功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，稱為靜態(tài)補(bǔ)償；

（2）針對(duì)沖擊性無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，稱為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

5.1 靜態(tài)無功補(bǔ)償

所用的靜補(bǔ)方法是在用電設(shè)備接入公用電網(wǎng)處并聯(lián)接入電力電容器組，以容性無功補(bǔ)償感性無功，減少用電設(shè)備從公用電網(wǎng)汲取的無功功率，提高功率因數(shù)。電力電容器有常接和自動(dòng)投切兩種接入方式。

5.1.1 電容器常接方式

對(duì)三相系統(tǒng)而言，星形與三角形聯(lián)結(jié)時(shí)補(bǔ)償電容器每相所需的電容量CY和 分別為：

式中：U—電容器組接入處的線電壓有效值（kV）

5.1.2 電容器自動(dòng)投切方式

把電容器分成若干組，根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)的變化情況，將各電容器組逐步投切，從而使補(bǔ)償后的功率因數(shù)維持在死區(qū)。通常電容器的分組數(shù)為4～12。

5.2 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)闹饕康氖且种朴捎跊_擊性無功功率引起的公用電網(wǎng)電壓波動(dòng)。目前工程上有以下兩種常用的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。

5.2.1 晶閘管投切電力電容器（TSC）

根據(jù)負(fù)載無功功率的情況，利用晶閘管無觸點(diǎn)開關(guān)投切電容器，從而使總的無功功率波動(dòng)減小。TSC控制器的輸入是負(fù)載的無功功率分量QL，輸出是的投切命令。控制器根據(jù)QL的大小決定給哪幾組晶閘管無觸點(diǎn)開關(guān)發(fā)出投切命令，向電網(wǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功功率。

5.2.2 晶閘管控制電抗器（TCR）

又稱相控電抗器方法。根據(jù)負(fù)載無功功率的情況，通過控制晶閘管的觸發(fā)延遲角來控制TCR的無功功率。使負(fù)載的無功功率加上TCR的無功功率和保持基本不變。這樣對(duì)電網(wǎng)而言，雖然總的無功功率是增加了，但無功功率波動(dòng)卻是減少了。

TCR控制器的輸入是QL和給定的允許無功功率沖擊量其輸出是觸發(fā)延遲角控制器比較和當(dāng)是負(fù)載的最大無功分量）時(shí)，控制器輸出的使時(shí)，TCR輸出感性補(bǔ)償無功功率達(dá)到最大值。采取此控制策略，可保證負(fù)載的無功分量QL在間波動(dòng)時(shí)，無功波動(dòng)不會(huì)大于

6 結(jié)束語

無功補(bǔ)償能改善電能質(zhì)量電壓。隨著煤礦電子裝置的廣泛應(yīng)用，諧波問題有待關(guān)注。為此諧波治理與無功補(bǔ)償必須同時(shí)進(jìn)行，從而確保供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，使設(shè)備安全運(yùn)行。對(duì)于國(guó)內(nèi)的煤礦電網(wǎng)，在電網(wǎng)投入運(yùn)行時(shí)，要對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試。