基于無功補償技術的煤礦變電站系統研究

張曉靜

（山西華陽集團新能股份有限公司一礦機電工區，山西 陽泉 045008）

引言

煤礦井下變電站設備安全、穩定、高效運行與煤礦井下安全生產息息相關。煤礦變電站設備運行時的特點是作業功率大、輸電負荷高、啟動電流大，加劇了煤礦電網的電能損耗。無功補償技術的應用能維持煤礦變電站電網系統的穩定性，有效抑制諧波影響，降低設備電能損耗，提高設備的功率因素，具有重要的研究意義。國內外學者對無功補償技術展開一系列的研究，如美國學者使用半導體類工具進行靜止無功補償器的開發，提出橋式電路調相技術，設備容量達20 MVA。美國通用、瑞士ABB等公司相繼開發了容量微80 MVA、100 MVA的靜止無功發生器并在電力網絡中廣泛使用[1]。我國河南電力成功研發了容量微20 MVA的SVG并陳工應用到朝陽電廠。許繼、普瑞等公司也投入靜止無功補償器的研發中，并在專家系統、神經網絡、模糊控制等控制策略取得了突破性進展，有效提高了無功補償器的性能水平。目前，無功補償技術存在的主要問題有[2-3]：設備容量無法滿足實際使用要求，且有功損耗嚴重；設備性能水平較低，只采集一相無功信號，應用局限性較大；節能效果差，只能補償安裝點、變壓器傳輸的損耗，無法降低用戶端的無功損耗。文章基于煤礦變電站設備的三相不對稱負荷，設計并研究無功補償器，減少變電站設備的無功損耗，達到節能的目的。

1 基本原理分析

傳統的無功功率補償設備不能從負載的實際情況而改變，靈活性不足，而無功補償技術可以及時校正無功負荷的實際功率因數，降低過電壓量，避免次同步振蕩現象，同時降低電壓與電流不平衡等問題。根據無功補償負載、補償器單相等效電路圖可得系統電壓與無功功率之間的關系可由式（1）表示：

式中：U為系統電壓；UC為無功功率為0時對應的系統電壓值；SSC表示系統處于適中狀態時的容量；Q為系統無功功率[4-5]。式（1）可等效表示為式（2）：

即無功功率變化時，系統電壓也會隨之發生發變換。加入無功補償器后，系統的無功功率可表示為式（3）：

式中：QL為負載無功功率；Qr為補償器無功功率。即用Qr補償QL的變換，使得保持不變。根據式（2）可知，當ΔQ為0時，ΔU為0，即系統供電電壓恒定[6-7]。

無功補償裝置對補償器無功功率的吸收公式可表示為式（4）：

式中：USI為補償器兩端電壓；XSI為無功補償等效電路中的電感值；ΔUS為加入電感元件后系統的電壓變化值[8]。即加入無功補償裝置后，系統電壓誤無功電流的關系可用正斜率曲線表示，且斜率保持合適，避免系統電壓變化過大。無功補償裝置可有效降低設備額定容量，提升電力輸送能力，減少線路中的電能損耗。在進行無功檢測和控制時，采用RBF神經網絡方法進行預測和控制，將輸入誤差控制在允許范圍之內。

2 無功補償裝置的總體設計

用于煤礦變電站的無功補償裝置總體結構框圖見下頁圖1所示，采用電壓型橋式電路，分為逆變、整流兩部分。A、B、C三相電壓經電流互感器后由調理電路進行調理，并將調理信號輸入值控制器，經A/D轉換、運算后生成PWM脈沖信號輸出，控制補償器中的驅動電路以及IPM，完成逆變。輸入控制器的信號還包括電壓互感器信號，同時輸入至三相整流橋。A、B、C三相電壓經電感元件后將信號輸入值電壓/電流互感器，完成整流。控制器選用的型號為TMS320F2812，該控制器的頻率為150 MHz，滿足該無功補償裝置設計要求。

圖1 用于煤礦變電站的無功補償裝置總體設計框圖

3 硬件設計

應用于煤礦變電站的無功補償裝置硬件設計主要包括電容/電抗的選擇、檢測電路設計、控制器選擇、IGBT驅動電路設計以及電源電路設計等。

3.1 電容/電抗選擇

無功補償裝置主電路直流側選擇電容時，按照公式（5）進行容量計算：

式中：kφ為負載位移角系數；IF為逆變側電流；fmin為逆變器最小頻率值；Ud為直流側電壓；σ為低峰紋波系數。根據實際應用經驗，選擇2個2 200μ電解電容進行串聯，選擇2個2 200μ電解電容進行并聯。

無功補償裝置主電路交流側選擇電抗時，按照公式（6）進行計算：

式中：Ua為輸入A相電壓值；Ude為系統直流側電壓值；ω為角頻率；ΔIN為定值，取10.75 A；Ts為定值，取3 000 Hz。由式（6）計算可得，電感值范圍為[0.467，3.916]mH，根據實際應用經驗，選擇的電感值為2 mH。

3.2 檢測電路

檢測電路采用LA-50P電流傳感器，檢測精度為0.8%，額定電流為50 A，輸出電流為0.05 A。被檢測電流經LA-50P電流傳感器、偏置電路、運放電路、隔離元件后將信號傳送至控制器中的AD轉換電路并形成方波信號。

3.3 控制器電路

無功補償裝置的系統響應時間是關鍵參數，因此選擇TI的F2812作為核心處理芯片。該芯片包含定點型數據信號處理器，響應時間、處理能力、精度水平都有顯著提升。該芯片還由節能處理模式，實現雙通道采樣。

3.4 IGBT驅動電路

IGBT驅動電路用于對IGBT的運行產生驅動作用，將PWM波形轉換為IGBT易于識別的信號，完成調節輸出功率的目的。IGBT驅動電路中的核心為反向器，可實現系統電壓調節，直至達到驅動IGBT的目的。

3.5 電源電路

電源電路為無功補償裝置提供對應的電壓等級的電源，對輸入電壓進行轉換。無功補償裝置中用到的電壓等級為直流5 V、直流15 V。

4 軟件設計

應用于煤礦變電站的無功補償裝置軟件設計基于Keil ARM軟件平臺實現，采用C語言編程。根據總體設計將軟件系統功能進行模塊劃分，包括主程序模塊、系統初始化模塊、A/D信號采樣模塊、過流檢測模塊、過零檢測模塊、控制模塊以及保護模塊等。主程序模塊用于對其他模塊進行調用、管理，詳細處理流程見圖2所示，在完成A/D采樣、過流、過零檢測后，進行RBF神經網絡預測、PR調節、PI調節、生成PWM脈沖信號，等待TI時間達到后進行循環。當過流檢測不合格時，直接封鎖脈沖，程序結束；當過零檢測不合格時，重新計算系統輸出頻率，當頻率適合時，執行RBF計算等后續流程；當頻率不適合時，程序結束。系統初始化模塊主要用于配置時鐘及外設、I/O初始化、ADC初始化、CAP初始化、事件管理器初始化以及變量初始化等。A/D信號采樣模塊完成系統信號的采集、啟動中斷并完成數據存儲。過零檢測模塊觸發CAP中斷后，設置過零標志位，當系統頻率值位于區間時，將過零標志位置位。控制模塊用于對系統電壓、補償電壓等進行RBF神經網絡預測，并對補償電壓值及逆行PR、PI調節，提高系統精度。保護模塊用于封鎖PWM信號，當系統電流過大、頻率不符時，觸發并運行保護模塊。

圖2 無功補償裝置軟件設計主程序模塊處理流程

5 結語

該無功補償裝置在某煤礦變電站系統中投入應用后，結果表明，在煤礦變電站系統中加入無功補償裝置，對于穩定煤礦井下供電電壓、抑制諧波、提高設備功率因素等方面都取得了較好的效果，使得煤礦井下變電站設備運行更加平穩、安全、節能，提高供電質量，保障了煤礦供電系統的安全性。