WJL1-2000/3.3礦用隔爆兼本安型鏈式靜止無功發生器的開發及應用

趙大凱

（沁水縣鑫海能源有限責任公司鄭莊煤礦，山西 沁水 048202）

1 項目概況

目前寺河礦西井區W2302和東區5304綜采工作面，主電源均采用3.3 kV電壓等級，移動變電站的容量為2 500 kVA，采煤機的單機功率達到了1 875 kW。由于供電線路長、單機功率大、負荷變化大、設備起停頻繁，出現電纜發熱、設備端供電電壓降低、設備備起停困難等現象，造成實際運行過程中存在功率因數低、諧波大、閃變現象頻發、無功功率大、電壓穩定性差等不良后果，使煤礦電網在巨大的安全隱患[1-2]。

為了解決上述現狀中存在的問題、提高井下電網的安全可靠性和節能效果，開發一型3.3 kV電壓等級的礦用隔爆動態無功發生器，應用到上述工作面的電網系統中，動態跟蹤系統的無功電流，發出相對應的無功電流進行補償，降低電網的無功損耗，提高電網的功率因數，同時抑制電網的諧波，改善電網的質量，使電網滿足國家電能質量公用電網諧波標準GB/T 1459—93的要求，以提高煤礦井下供電系統的可靠性和安全性[3]。

2 3.3 kV電壓等級的礦用隔爆動態無功發生器的開發

2.1 基本工作原理

鏈式靜止無功發生器是一種用于動態補償無功的新型電力電子裝置，它能對變化的無功進行快速和連續的補償，可克服LC補償器等傳統的無功補償裝置響應速度慢、補償效果不能精確控制、容易與電網發生并聯諧振和投切震蕩等缺點。其基本原理是指將全控橋式電路通過電抗器直接并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的，如圖1所示。

圖1 動態無功補償工作原理框架圖

2.2 開發方案結構和組成

由于本系統額定電壓為3.3 kV，目前市面上常規的IGBT額定電壓為1 200 V或1 700 V，1 200 V的IGBT可應用于400 VAC系統，1 700 V IGBT可以應用于690 V AC系統，一般情況下有兩種方案可以滿足要求。

2.2.1 變壓器升壓方案

變壓器升壓方案如圖2所示。

圖2 變壓器升壓方案示意圖

使用1 700 V的功率模塊，通過變壓器將系統電壓由3 300 V降低至690 V，通過多模塊并聯實現大容量。

2.2.2 串聯多電平級聯方案

串聯多電平級聯方案如圖3所示。

圖3 串聯多電平級聯方案示意圖

采用多級1 700 V的功率模塊串聯直接連接在3 300 V系統母線上，通過多模塊串聯實現高壓大容量。

2.3 系統組成

鏈式靜止無功發生器由控制系統、功率組件、軟啟動組件及外接開關柜（根據需要定制）組成。

2.3.1 控制系統

鏈式靜止無功發生器控制系統主要實現整個設備的主控功能，是整個設備的控制核心，其中包含了電源及冗余單元、檢測與控制單元、監控系統單元、狀態指示燈及急停按鈕。

1）電源及冗余單元。電源及冗余單元主要功能為提供設備控制用電以及保證控制用電的可靠性。主要由開關電源、UPS（可選）、電源冗余電路板組成。其中采用兩組開關電源通過電源冗余電路板同時向控制系統供電，確保了控制系統供電的可靠性[4]。

2）檢測與控制單元。檢測與控制單元主要功能為對輸出電流、輸入電壓、控制點電壓、網側電流等進行檢測以及根據各個檢測量及控制指令輸出設備各種控制信號、各個功率開關器件的PWM信號等。檢測與控制單元主要包括數字控制電路板、信號轉接電路板、PLC控制器、光纖信號轉接電路板，電壓信號轉接電路板等。其中，數字控制電路板為系統的核心控制器，對各路模擬及數字信號進行處理并輸出各類控制信號；信號轉接電路板主要功能為將檢測各路模擬及數字信號并進行處理后送至數字控制電路板，將數字控制電路板發出的各路控制信號經過處理后送至各個控制單元；PLC控制器主要負責系統的時序控制[5-6]。

3）監控系統單元。監控系統單元主要功能為顯示設備運行參數及狀態、下發控制指令及控制參數等。通過基于嵌入式操作系統的觸控屏人機界面實現。用戶可以通過對人機界面進行操作，控制設備的啟動、停止，查看設備運行參數、故障狀態等信息。關于人界面的詳細介紹請參照監控系統說明一節。

4）急停按鈕。急停按鈕用于在緊急情況下停機，按下為停機狀態，旋起后設備可以啟動。

2.3.2 功率模塊

功率模塊主要由功率模塊及電流霍爾傳感器組成，包括啟動交接、軟啟動電阻、電抗器和電壓傳感器等模塊。主要功能為抑制設備的輸出諧波、限制上電初始電流及檢測輸入電壓。上電運行時，軟啟動交接吸合，設備先經負責功率模塊的控制供電；薄膜電容為功率模塊直流側提供電壓支撐，吸收電容的功率模塊內部主要包含驅動檢測電路板、模塊電源電路板、IGBT模塊、薄膜電容、吸收電容、散熱器等。其中驅動檢測電路板主要功能為將下發的PWM信號解碼并輸出，檢測模塊故障信息，及時進行保護并同時將信息編碼上傳；模塊電源電路板作用為限制電路電壓上升率過大，確保IGBT模塊的安全運行。散熱器用于將工作中的IGBT熱量及時散發出去，保證了IGBT工作的可靠性。

2.3.3 軟啟動組件

軟啟動組件主要包含主交接、軟啟動。軟啟動電阻進行充電，隨后合主交接，切斷軟啟動交接，進入運行狀態。

2.4 技術參數

工作頻率為50×（1±2%）Hz；工作電壓范圍為3 300×（1-25%）V～3 300×（1+15%）V；補償容量為2 000 kVr；額定補償電流為350 A。

3 應用效果分析

該研發設備應用于晉煤礦業集團有限責任公司寺河礦，應用到W3301綜采工作面負荷中心后端，采煤機前端加裝3.3 kV礦用隔爆兼本安型高壓鏈式靜止無功發生器，對艾柯夫SL-500采煤機和轉載機進行補償，工作容量約為2 275 kW。動態跟蹤系統的無功電流，對發出相對應的無功電流進行補償。

3.1 測試數據

安裝前功率因數為0.5～0.65，安裝后功率因數為0.95～0.98；安裝前電網電壓3.4 kV，安裝后電網電壓3.5 kV；投運后電網電流明顯降低。測試總結：根據以上數據，該設備提高了功率因數，改善了電網質量，消除了安全隱患，并且起到了節能作用。

3.2 補償無功量計算

現場運行負載參數：電網3.3 kV，負載采煤機帶破碎機2 275 kW，負載率0.8，補償前平均功率因數cosφ=0.6，補償后按照功率因數cosφ=0.95計算；補償容量計算：

式中：Q為無功補償容量；Bav為月平均負載率，一般可取0.7～0.8；Ρc為由變電所供電的月最大有功計算負載，kW；φ1為補償前的功率因數角，cosφ1可取最大負載時的值；φ2為補償后的功率因數角，參照電力部門的要求確定，一般取0.9～0.95。代入數值計算得Q=1 598 kVar。

3.3 年節電量計算

《煤礦電工手冊（修訂本）第二分冊礦井供電（下）》：在系統中每投入1 kVar的無功功率，在發電廠的直配電路中節電為0.02～0.03 kW，在二級變壓供電時節電為0.06～0.1 kW，在三級變壓供電時節電為0.1～0.15 kW。如果系統集中補償，滿載運行一年，按每月有效供電25 d計算，每天按20 h計算。防爆SVG自身的損耗為其工作容量的0.5%～0.8%，靜態無功補償裝置基波總補償容量為2 720 kVar，靜態無功補償裝置自身的損耗取0.8%，則：

靜態無功補償裝置年損耗有功功率Qs的計算為：

式中：Qc為采煤機帶破碎機無功補償容量，取1 598 kVar；Tn為設備年運行小時，為25×20×12=6 000 h。計算得Qs=76 704 kWh。

該套靜態無功補償每年節電電量Pj的計算為：

式中：Cb1為無功經濟當量，取0.082；Kfh為負荷率，取0.73。計算得Pj=498 576 kWh。

電費按0.55元/kWh計算，則本套靜態無功補償設備年節約電費M=0.55Pj=27.42萬元。