無功補償裝置在煤礦綜采工作面的應用研究

梁 宇， 王 鵬， 王 海

（山西焦煤汾西礦業集團高陽煤礦， 山西 孝義 032306）

引言

煤礦智能化開采是煤炭生產方式變更的新階段[1]，隨著智能化綜采工作面逐步進入高陽煤礦實踐生產階段，更多的自動化設備引入到綜采工作面中，甚至更多大功率設備應用到綜采工作面中。這樣給礦井供配電系統帶來了幾方面的問題：1）大功率設備的使用，加之較遠的供電距離，造成井下電網系統穩定性降低，電壓波動較大，用電終端電壓降增大等問題增多[2]；2）智能化工作面使用的變頻設備的增多帶來的諧波影響成為井下供配電系統出現故障的多發因素[3]；智能化綜采工作面中普遍使用電液控系統、視頻監控系統、無線通訊系統等對整個綜采工作面的電磁環境有較高的要求，這對工作面的電氣設備布置、供電方式等提出了新的要求[4]。因此，提高供電系統的穩定性安全性，才能有效保障電氣設備的正常運轉，優化供電系統性能成為了推進智能化工作面的基礎研究問題。目前，通過集中補償和分散補償等方式的無功補償器的使用，能夠有效提高設備有功功率，抑制諧波影響[5]。

1 靜止無功發生器（SVG）工作原理及特點

靜止無功發生器（Static Var Generator 以下簡稱SVG）是一種用于動態補償無功的新型電力電子裝置，其基本原理是將電壓源型逆變器經過電抗器并聯在電網中，通過調節逆變橋中IGBT 器件的開關，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位。通過檢測系統中所需的無功，可以快速發出大小相等、相位相反的無功，實現無功的就地平衡[6]。

靜止無功發生器系統由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路，其中指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的無功電流分量。補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產生實際的補償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三個部分構成。主電路目前均采用PWM 變流器[7]。

2 綜采工作面設備選型及供電簡介

高陽煤礦21105 綜采工作面電源取自二采一號變電所三臺高開，其中兩臺高開為21105 材料巷設備提供電源，設備分別為：T1 移變（KBSGZY-1600/6/1.2），該移變承擔負荷為轉載機（SZZ-1000/400）和前 刮 板 輸 送 電 機 （SGZ800/800）；T3 移 變（KBSGZY-1600/6/1.2），該移變承擔負荷為采煤機（MG400/920-WD）、破碎機（PLM3500）兩臺和噴霧泵（XPB-315/6.3）兩臺；T4 移變（KBSGZY-1000/6/0.69），該移變承擔負荷為乳化液泵站（WRB-400/31.5）和T2 移變（KBSGZY-1600/6/1.2），該移變承擔負荷為后刮板輸送機（SGZ-880/800）。另一高開為21105 運巷設備提供電源，設備分別為T5 移變（KBSGZY-1600/6/1.2），該移變承擔的負荷為皮帶輸送機電機（SSJ-1200/2×315）兩部。

3 靜止無功發生器（SVG）的現場應用分析

3.1 使用SVG 裝置介紹

高陽煤礦21105 工作面實際應用一臺礦用隔爆兼本安型鏈式靜止無功發生器，廠家為山西浩宇龍晟電子科技有限公司。設備安裝于21105 綜采工作面控制后部溜子變頻器的電源側。型號為WJL1-500/1140，補償功率 500 kVar。

3.2 數據選取原則及數據分析

無功補償裝置安裝前制定了詳細的數據采集收集方案，并在安裝使用后進行了科學合理的數據采集。因綜采工作面的后溜負荷數據在實時跳變，且負荷變化無規律可循，因此采集數據方案選取了不同時間段的數據，在地面將進行分選整理。

功率因數數據的選取方法：數據取樣區間為1 min，選取1 min 內最小值與最大值，每次共10 min；共計選取6 d30 組數據，每天5 組，每組數據為10 min 內10 次最小值的平均值及10 min 內10 次最大值的平均值。

網側電流數據選取方法：根據在輕載負荷與重載負荷不同時段進行實時數據收集，形成曲線。共計5 日100 組數據。每組數據為1 min 中內電流平均值。

網側電壓數據選取方法同功率因數數據選取方法，共計選取25 組數據。

通過對無功補償裝置進行實地數據采集、分選，分析整理結果如下。

3.2.1 SVG 使用前后的功率因數對比

實測使用前后功率因數的曲線對比如圖1 所示。

圖1 使用前后功率因數對比

由數據可知，使用SVG 前功率因數最小值浮動范圍為 0.7～0.8，最大值浮動范圍為 0.85～0.95；使用SVG 后功率因數的最小值浮動范圍為0.8～0.85，最大值浮動范圍為0.9～1。經過對比，使用前后功率因數的最小值和最大值分別提高了14.3%、5.9%。其中，使用前功率因數達到0.85 以上占比為43.3%，使用后功率因數達到0.85 以上占比為63.4%。負荷在輕載和重載情況下的功率因數實時數據曲線如圖2。由圖可知，在刮板輸送機輕載情況下使用無功補償器整體功率因數有所提高，但功率因數跳躍性比較大，浮動范圍依然較大；在重載曲線中，可以明顯看到功率因素較為集中，達到0.95～1 的峰值數量較多，使用效果更明顯。

3.2.2 SVG 使用前后網側電流對比

根據現場實際數據進行整理制作曲線圖，SVG使用前后網側電流數據曲線如圖3 所示。

圖2 使用前后輕載重載情況下功率因數曲線對比

由比較可知：在輕載負荷時，使用SVG 后網側電流值由 150～200 A 的范圍降低為 135～180 A 的范圍，降低百分比為10%；在重載負荷時，使用SVG 后網側電流值由250～285 A 的范圍降低為190～230 A的范圍，降低百分比為19%～24%。在重載情況下，無功補償器對降低設備運行電流作用效果明顯。

3.2.3 SVG 使用前后的網側電壓對比

如下頁圖4 曲線可知，在SVG 使用前網側電壓趨勢在1 140～1 150 V，滿足供電要求，使用后網側電壓有一定提高，電壓趨勢在1 145～1 155 V。對比使用前后曲線平滑度可知，在使用后電壓波動范圍明顯縮小，電壓波動產生的尖峰數量明顯減少，可以從側面驗證無功補償器在保持供電系統穩定性上有一定效果。

圖3 使用前后輕載重載電流趨勢圖

4 結語

綜合以上闡述及現場應用數據分析，無功補償裝置在綜采工作面中的應用對供電功率因數及供電質量的提高有一定的作用，同時，通過無功補償可以有效降低電能消耗，在煤礦企業中起到節能降耗的作用。

圖4 使用前后網側電壓曲線對比