林振烈+唐朝暉+楊賽強+肖津+桂衛(wèi)華

收稿日期：2013-08-01

基金項目：國家自然科學(xué)重點基金項目（61290322）

作者簡介：林振烈（1969—），男，廣東澄海人，工程師，學(xué)士，研究方向：水電等工業(yè)過程控制。

文章編號：1003-6199(2014)02-0038-08

摘 要：提升機是采礦企業(yè)廣泛使用的大功率、高耗能的生產(chǎn)設(shè)備之一，礦井提升系統(tǒng)普遍采用電力電子器件構(gòu)成的整流裝置對其直流電機進行供電和控制。提升機在采礦過程中需要頻繁地啟動、停機，對電網(wǎng)的無功沖擊和諧波污染使供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性受到嚴重影響。本文以國內(nèi)某鉛鋅礦盲主井提升系統(tǒng)為研究對象，提出晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactors，TCR)和固定電容器組(Fixed Capacitors，F(xiàn)C)相結(jié)合的無功補償與諧波治理方法。針對提升機運行過程的特殊性和復(fù)雜性，給出無功補償裝置的具體電路設(shè)計、參數(shù)計算等的方法。提出的無功補償與諧波治理技術(shù)對無功補償裝置的工程研究和開發(fā)提供一定的參考和指導(dǎo)，對提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，保障礦井安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)具有十分重要的意義。

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關(guān)鍵詞：礦井提升系統(tǒng); 無功補償; 諧波治理; TCR+FC

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

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TCR+FC Type Reactive Power Compensation Technology in Mine Hoist System

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LIN Zhenlie1,TANG Zhaohui2,YANG Saiqiang2,XIAO Jin2,GUI Weihua2

(1. ShenZhen ZhongJin LingNan Nonfemet Co.Ltd FanKou LeadZinc Mine, Shaoguan,Guangdong 512325,China;

2. Academy of Information Science and Technology, Central South University, Changsha,Hunan 410083,China)

Abstract:Mine hoist is a high-power and high energy consuming facility which is widely used in many mining companies. Mine hoist system broadly employs the rectifier made of power electronic devices in managing the power supply of its DC motor. The constant opening and closing of the hoist in the process of mining often causes reactive power shock and harmonic pollution, which greatly affects the safety and stability of the power supply for the grid. The subject of this thesis is focusing on the hoist system of one Chinese lead and zinc mine and proposes a method combined with TCR(Thyristor Controlled Reactors) and FC(Fixed Capacitors) to deal with reactive power compensation and harmonic management. Focusing on the particularities and complexities of the mine hoist, this thesis comes up with a control calculating method based on the closed loop PI to realize controlling the reactive power device. The TCR+FC type reactive compensation technology in this thesis offers some reference and guidance for the project research and design of the reactive power compensation device to some degree and will benefits the task of energy saving and emission reduction for the mining company.

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Key words:mine hoist system; reactive power compensation; power harmonics management; TCR+FCl

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1 引 言

在電力系統(tǒng)中同時存在感性負荷和容性負荷，所以系統(tǒng)中不僅有功功率，還有無功功率。無功功率是電能在傳輸和轉(zhuǎn)換過程中建立磁場以及維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性必不可少的條件之一。但是，無功功率會使電路損耗增加，末端電壓下降，降低了電能的質(zhì)量和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。重金屬礦井提升機屬于沖擊性的大功率負載，在其運行過程需要頻繁的啟動和停機。給電網(wǎng)母線帶來的無功沖擊大、母線電壓波動劇烈。由此使得供電系統(tǒng)功率因素低下，大量的電能極浪費，對整個電網(wǎng)及其相關(guān)用電設(shè)備所產(chǎn)生的不良影響是不容忽視的。

采礦行業(yè)所消耗的電能在我國電能消耗總量中所占的比重非常高。特別是我國現(xiàn)階段采用的一些開采設(shè)備如提升機等，由于具有高效、控制相對簡單、生產(chǎn)過程中安全性高等特點被廣泛使用。然而，這些采礦設(shè)備中含有大量非線性的電力電子器件，容易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓、電流波形畸變和波動性增大，造成設(shè)備的使用效率和安全性降低，故障率升高。諧波還會使旋轉(zhuǎn)電機和變壓器等設(shè)備的附加損耗顯著增加，故障率升高、壽命減短。電力系統(tǒng)中的諧波還會對測量和控制儀器以及工業(yè)現(xiàn)場的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，諧波產(chǎn)生的高頻噪聲還會干擾電力載波通信的正常工作。

隨著現(xiàn)代采礦企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，國家對節(jié)能減排工作的不斷重視，礦井提升系統(tǒng)運行過程中對供用電系統(tǒng)所帶來的不良影響也愈發(fā)凸顯。從我國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，工業(yè)企業(yè)特別是采礦企業(yè)為背景進行相應(yīng)的無功補償技術(shù)研究，對含有大功率用電設(shè)備的供電線路實施就地的無功補償和諧波治理是十分必要的。本文以我國某大型鉛鋅礦的盲主井提升系統(tǒng)作為研究對象，通過對提升機運行特性的分析，提出了針對礦井沖擊性負荷的無功補償技術(shù)和方法。對系統(tǒng)進行綜合無功補償和諧波治理，能夠提高礦井供電系統(tǒng)的功率因素，大大減少注入電網(wǎng)中的特征諧波含量。能夠為企業(yè)節(jié)約大量能源，提高供電系統(tǒng)的安全和可靠性并提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，產(chǎn)生十分重要的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 無功補償技術(shù)分類與特點

無功功率補償技術(shù)按照其接線方式的不同大體上可以分為并聯(lián)型補償和串聯(lián)型補償兩大類。并聯(lián)補償技術(shù)主要是利用電容器（電抗器）并聯(lián)接入系統(tǒng)來進行無功功率的補償；而串聯(lián)補償則主要是利用電容器（電抗器）串聯(lián)接入系統(tǒng)進行無功功率的補償。跟并聯(lián)補償方式相比，串聯(lián)補償方式其接線比較復(fù)雜，操作不方便，對系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性影響較大。這兩種補償方式的補償容量是固定的，不能跟隨電力系統(tǒng)中無功的水平發(fā)生變化，這兩種方式都屬于傳統(tǒng)的靜態(tài)無功補償技術(shù)。

計算技術(shù)與自動化2014年6月

第33卷第2期林振烈等：TCR+FC型無功補償技術(shù)在礦井提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

相應(yīng)的如果其補償容量不固定，能夠?qū)崟r跟蹤被補償系統(tǒng)無功功率的變化情況，從而動態(tài)的進行無功補償?shù)难b置稱之為動態(tài)無功補償裝置。對于動態(tài)無功補償裝置按照無功補償裝置本身是否擁有運動部件又可以分成靜止型無功補償裝置和運動型無功補償裝置。運動型無功補償裝置因為擁有旋轉(zhuǎn)部件而得名，同步電機在空載運行時專門向電網(wǎng)輸送無功功率故稱之為調(diào)相機，所以同步調(diào)相機屬于運動型的無功補償裝置；由電力電子器件組成的靜止無功功率補償裝置（SVC）主要有晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)、晶閘管投切電抗器(Thyristor Switched Reactors，TSR)、晶閘管控制變壓器(Thyristor Controlled Transformer，TCT)、可控飽和電抗器(SR)等，這類無功補償方式的顯著特點在于能夠快速、平滑地調(diào)節(jié)容性至感性間的無功功率以實現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)無功補償。在電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用的無功裝置類型如圖1所示：

圖1 無功補償裝置的分類

3 礦井提升供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析

該礦井提升系統(tǒng)的直流提升機采用串聯(lián)型的雙橋順序控制變流器進行供電，整流器的類型屬于12脈沖整流器，這是我國現(xiàn)階段工礦企業(yè)應(yīng)用最為廣泛的整流器類型之一。通常在12脈沖整流器的基礎(chǔ)上還可以組合成24、36脈沖等多種結(jié)構(gòu)的整流器，在對這些整流器特性進行分析時可以以12脈沖整流器為基礎(chǔ)進行相應(yīng)的分析和研究。由于整流器中所用到的晶閘管等非線性電力電子器件會造成電網(wǎng)電壓和電流波形的畸變，電能質(zhì)量下降并影響礦區(qū)用電設(shè)備的正常運行。提升機的實際運行過程十分復(fù)雜，其直流電機在一個運行周期內(nèi)要經(jīng)歷加速、穩(wěn)定運行、減速停機等過程。由于采礦企業(yè)產(chǎn)量和生產(chǎn)的不確定性，在其運行期間負荷并不總是恒定的，這種情況導(dǎo)致電機的效率變得更低，電能得不到充分的利用。所以對提升機的整流器特性進行分析是研究礦井提升系統(tǒng)無功補償技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

3.1 礦井提升系統(tǒng)12脈整流器特性

該鉛鋅礦盲主井提升系統(tǒng)由1100kW、440kW的兩個直流提升電機組成，其電樞由兩個6脈沖整流器進行供電，整流變壓器的兩個副邊繞組的電壓在相位上相差30°，變壓器副邊繞組的聯(lián)結(jié)類型分別為Δ、Y型，兩個三相橋式整流器向外輸出12脈波頭的電壓和電流。該礦井提升機所采用的12脈沖整流電路原理如圖2所示：

圖2 提升系統(tǒng)整流器原理圖

根據(jù)圖2所示的12脈沖整流電路可知，將整流橋T1網(wǎng)側(cè)的電流進行傅立葉級數(shù)展開后可得：

iT1=2×3π×Id(sin ωt－15sin 5ωt－

17sin 7ωt+111sin 11ωt+113sin 13ωt－

117sin 17ωt－119sin 19ωt+…)(1))

整流橋T2網(wǎng)側(cè)線電壓比整流橋T1網(wǎng)側(cè)的線電壓超前30°角，故其網(wǎng)側(cè)線電流比橋T1側(cè)的超前30°角，將整流橋T2網(wǎng)側(cè)電流進行傅立葉級數(shù)展開后可得：

iT2=2×3π×Id(sin ωt+15sin 5ωt+

17sin 7ωt+111sin 11ωt+113sin 13ωt+

117sin 17ωt+119sin 19ωt+…)(2)

將整流橋T1、T2網(wǎng)側(cè)電流進行合成即可得到12脈沖整流電路的電流輸出為：

iT=iT1+iT2=4×3π×Id(sin ωt+

111sin 11ωt+113sin 13ωt+…)(3)

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，其控制的觸發(fā)角度理論上可以在90°～180°之間進行連續(xù)調(diào)節(jié)，但在實際工程應(yīng)用過程中其觸發(fā)角度并不具備如此大的調(diào)節(jié)范圍。采用直流調(diào)速的電機其功率因素通常較低，而對于礦井提升系統(tǒng)的電機其功率因素一般為0.5～0.8之間。由公式(2)、(3)可知，相比6脈沖的整流器12脈沖整流器的整流橋T1、T2輸出的5、7、17、19次諧波電流互相抵消，則其只產(chǎn)生11、13、23、25…12n±1（其中k為正整數(shù)）等高次諧波。在礦井中采用該類型的整流器能減少一定的諧波含量，但是在該礦井提升機的實際運行過程中，經(jīng)過測算其12脈沖的整流器的11次和13次特征次諧波分量仍然超出電網(wǎng)諧波的國家標準，所以，對于12脈沖整流器在大功率的應(yīng)用場合（如礦井提升系統(tǒng)、電弧爐等）必須加裝諧波濾波裝置以盡可能的消除諧波對電網(wǎng)的不良影響。

3.2 礦井提升系統(tǒng)電能質(zhì)量分析

盲主井提升機主要用于井下礦石的提運，是采礦車間的主要生產(chǎn)設(shè)備之一。該設(shè)備長期在井下運行，工作環(huán)境十分惡劣。盲主井提升電機采用12脈沖整流器進行供電，在運行過程中產(chǎn)生大量的高次諧波，注入電網(wǎng)之后會造成一系列的不良影響。隨著該礦井產(chǎn)能的進一步擴大提升電機的功率也相應(yīng)的不斷提高，其運行時間也進一步延長，提升機機運行過程中的啟動和停機操作也變得更加頻繁。由此帶來的無功沖擊大、功率因數(shù)低、諧波含量高的問題更加嚴重。根據(jù)近幾年的提升系統(tǒng)的運行記錄進行分析可知：在提升系統(tǒng)諧波含量過高的情況下提升機出現(xiàn)過停機和抖動的現(xiàn)象，另外其控制系統(tǒng)的相關(guān)電氣設(shè)備如斷路器等均出現(xiàn)過誤動作的現(xiàn)象。由于啟動瞬間無功沖擊過大導(dǎo)致電網(wǎng)急劇下降，與提升機在同一供電線路上的風機和水泵出現(xiàn)了不能啟動的現(xiàn)象。

在確定無功補償裝置的設(shè)計方案和相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化計算之前，對提升系統(tǒng)的各項電能指標進行有針對性地測試和分析是十分必要的。電能指標的測試結(jié)果可以為無功裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計提供最基礎(chǔ)同時也是最重要的依據(jù)。測試的過程中盡量選擇了不同的時間段以及不同的運行工況來進行測試以獲得最全面的數(shù)據(jù)，并且使獲得的數(shù)據(jù)能夠充分體現(xiàn)提升系統(tǒng)運行過程中的特點。經(jīng)測試，該礦盲主井雙斗（為了描述的方便性，將其兩個提升斗分別命名為東斗、西斗）提升機輸入輸出功率和機組效率測試數(shù)據(jù)如表1所示：對于該礦井雙斗提升機而言，隨著提升機負荷的減小，其輸入、輸出功率相應(yīng)的減少，效率逐漸下降，功率因素基本趨勢也隨負荷的減少而下降，整個運行期間功率因素比較低，基本在0.5左右進行波動，而在其功率因素最小時只有0.42。由于直流提升機整流裝置所產(chǎn)生的諧波電流對電力系統(tǒng)的不良影響同樣應(yīng)該引起重視，通過對該礦井提升系統(tǒng)母線電流中特征次數(shù)諧波含量的準確測量能夠使設(shè)計的無功補償和濾波裝置更具針對性，使其設(shè)計參數(shù)更加合理和準確從而減少設(shè)備的前期投資。同時，對諧波的相關(guān)數(shù)據(jù)進行精確分析是避免設(shè)計的濾波電容器組與其它電氣設(shè)備發(fā)生諧振的重要保證。

表1 雙斗提升機功率因素及效率測試數(shù)據(jù)

提升斗

輸出功率(kW)

輸入功

率(kW)

效率

(%)

功率

因素

東斗

598.0

667.20

86.15

0.491

東斗

403.3

476.40

82.19

0.526

東斗

376.4

432.87

81.25

0.513

東斗

132.9

193.10

71.94

0.428

西斗

564.4

667.20

84.59

0.511

西斗

389.7

476.40

81.83

0.474

西斗

344.0

432.87

79.51

0.472

由于該礦井提升系統(tǒng)采用12脈波的整流裝置，故其特征諧波主要為12n±1次(n=1,2,3,4…)。根據(jù)整流裝置的類型有針對性的對特征次諧波進行測試，可以減少測試的工作量并提高單次測量的精度。經(jīng)測試，雙斗提升機整流裝置在6kV母線中產(chǎn)生的11次、13次電流諧波含量分布如表2所示：

表2 雙斗提升機典型運行狀態(tài)下母線處特征諧波含量

提升斗

提升

重量(t)

諧波

次數(shù)

諧波失

真度(r%)

電流有

效值(A)

東斗

6

11

23.7

33.10

東斗

6

13

23.4

33.73

東斗

4.6

11

24.1

32.36

東斗

4.6

13

23.9

32.86

西斗

6

11

24.1

32.01

西斗

6

13

24.5

31.50

西斗

4.6

11

24.1

31.98

西斗

4.6

13

24.1

32.23

對表2中的測試數(shù)據(jù)進行分析可知：雙斗提升機在不同的負荷下其特征次諧波含量并不完全相同，負荷越大，其諧波電流越大。其11、13次諧波電流的有效值均超過了國家公布的諧波標準中的上限值。諧波失真度更是達到了23%左右。礦井提升機不同于一般的工業(yè)電機，它在提運礦石的過程中存在加速上升、平穩(wěn)運行、減速停機等復(fù)雜過程，從提升系統(tǒng)的整個運行過程來看其負荷并不穩(wěn)定，對電網(wǎng)的無功沖擊非常大，導(dǎo)致供電系統(tǒng)母線的電壓產(chǎn)生較大的波動。根據(jù)對本章現(xiàn)場測試結(jié)果的分析可知：提升系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的功率因素在0.5～0.6之間波動，而在啟動和停機的過程中其功率因素更低，通常不足0.4。其整流器產(chǎn)生的諧波分量則以11次、13次最為突出。隨著企業(yè)產(chǎn)能的擴大、用電設(shè)備的增多以及采礦現(xiàn)場變流設(shè)備容量的提高，該礦井提升供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量不斷惡化，生產(chǎn)過程中由于功率因素低下造成了大量電能的浪費，企業(yè)電費的支出居高不下，由于諧波的影響使得提升機在運行過程中存在抖動甚至停機的情況，增加了礦井發(fā)生安全事故的風險，嚴重影響到采礦企業(yè)安全、高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)。

4 TCR+FC型無功補償裝置的系統(tǒng)設(shè)計

我國礦井供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量普遍不高，一方面是由于大量采用整流裝置對直流電機進行供電，使得系統(tǒng)功率因素低下并且注入電網(wǎng)中的諧波含量嚴重超標，企業(yè)對提高電能質(zhì)量的意識不夠強；更重要的一方面是由于礦井提升機運行特性復(fù)雜多變，加之其所處的自然環(huán)境惡劣，一般的無功補償裝置在礦井供電系統(tǒng)的補償效果不佳。在對礦井提升系統(tǒng)的供電特點和無功補償?shù)木唧w需求進行深入分析的基礎(chǔ)上，對晶閘管控制電抗器與固定電容器組(TCR+FC)相結(jié)合的無功補償及濾波裝置的電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)的進行優(yōu)化設(shè)計，對于推廣和使用無功補償改善我國礦井的用電環(huán)境并提高電能的質(zhì)量具有重要的意義。

4.1 TCR+FC型無功補償裝置基本原理

TCR型的SVC由反向并聯(lián)的晶閘管與電抗器串聯(lián)組成，它的主要原理是利用觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)角度從而調(diào)節(jié)電抗器中的電流大小，實現(xiàn)對感性無功功率的實時、動態(tài)和連續(xù)的調(diào)節(jié)，提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)并提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TCR補償器的原理如圖3所示：

(a) 單相電路簡化圖(b) TCR補償器電流-電壓特性

圖3 TCR原理圖

觸發(fā)電路的控制信號和延遲角度α以及晶閘管的導(dǎo)通角度φ之間均呈線性關(guān)系。在實際控制器的輸出過程中，TCR支路等效的輸出電納值BTCR與觸發(fā)角度α（晶閘管導(dǎo)通角φ）之間并不是線性的關(guān)系，TCR支路電流的基波分量ITCR1與其導(dǎo)通角φ之間的關(guān)系為：

ITCR1=φ－sin φπXLU （4）

式中U為系統(tǒng)的電壓值，XL為TCR支路中與晶閘管串聯(lián)的電抗器的感抗值。TCR支路等效電納的最大值為Bmax =1/XL，則系統(tǒng)的等效電納值BTCR為：BTCR=φ－sin φπBmax  （5）

根據(jù)公式(5)可知，TCR支路的等效電納值與晶閘管導(dǎo)通角之間并非線性關(guān)系，其導(dǎo)通角與等效電納之間的關(guān)系曲線如圖4所示：

晶閘管觸發(fā)角α有效的移相范圍為α∈(90°,180°)，以保持其位移因數(shù)維持為0，從而使其基波電流全部為無功電流，當其觸發(fā)角度α=90°時，TCR支路的晶閘管狀態(tài)為完全導(dǎo)通，此時在理想狀態(tài)下晶閘管可以近似的認為是導(dǎo)線，TCR支路上與晶閘管串接在電路中的電抗器相當于直接與電網(wǎng)連接，其吸收的基波電流為最大值，即吸收的無功功率最大；觸發(fā)角α在(90°,180°)的區(qū)間內(nèi)變化時，晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)為部分導(dǎo)通，當其觸發(fā)角度小于180°時，其電抗器中電流的基波分量隨著角度的增大而逐漸減小，這種情況下相當于補償器的等效電抗增大也就是其等效電納相應(yīng)減小，即TCR支路吸收的無功功率減少。圖4 TCR等效電與導(dǎo)通角、觸發(fā)延遲的關(guān)系曲線

在正常運行情況下，晶閘管的觸發(fā)角在可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)變化，而不在兩個極端情況下（α=90°全導(dǎo)通或α=180°全關(guān)斷）。因此，TCR在運行過程中必然會由于晶閘管的開斷而產(chǎn)生大量的諧波，從上面的分析可以知道，當α＞90°時，電抗器中電流波形不再是純正弦波，對其進行傅立葉分解可以得到，其電流中含有大量的奇數(shù)次諧波，為了避免這些有害的諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響，需要采取必要措施抑制其注入電網(wǎng)。

針對TCR產(chǎn)生的各次諧波采用特定的濾波器組也可以對諧波進行濾波，為了防止3次及3的倍數(shù)次諧波對交流系統(tǒng)造成影響，在本文中將三相TCR按照三角形連接，如果各相參數(shù)一致，三相平衡，此接法將使這類諧波經(jīng)過三相電感環(huán)流而不流入交流系統(tǒng)，在工程實際應(yīng)用過程中采用此方法來消除3次及3倍數(shù)次諧波。

4.2 TCR+FC無功補償裝置的主電路設(shè)計

在進行礦井提升系統(tǒng)無功補償技術(shù)的設(shè)計時首先要充分考慮被補償系統(tǒng)所處的電壓等級以及和其它用電設(shè)備的電氣聯(lián)系。母線的電壓等級決定了系統(tǒng)設(shè)計的電壓等級并在后期的元器件參數(shù)計算和選擇時應(yīng)該將其作為參考值。根據(jù)對圖2-1所示的該礦井提升供電系統(tǒng)的分析可知：雙斗和單斗中母線通過母聯(lián)開關(guān)相連，在礦井提升系統(tǒng)產(chǎn)量發(fā)生變化時可以根據(jù)需要分別控制雙、單斗提升機的運行狀態(tài)，在考慮對其進行無功補償時，應(yīng)該考慮其運行過程中存在的極端情況，即兩臺提升機同時運行并共用一條母線進行供電，這時母線中的諧波電流值最大且系統(tǒng)的功率因素也最低。為了保證無功補償裝置的穩(wěn)定性和安全性在其參數(shù)設(shè)計時需要留有一定閾量。

綜合考慮其供電系統(tǒng)特點和無功補償應(yīng)達到的目標，SVC安裝在提升機所在的6kV母線處，根據(jù)負載諧波特性FC部分設(shè)置為11次和13次濾波支路。SVC裝置由晶閘管控制電抗器（TCR）、FC濾波支路、控制系統(tǒng)及保護裝置構(gòu)成。為了減少無功補償裝置產(chǎn)生的3次諧波，其中TCR支路采用三角形連接，SVC裝置的系統(tǒng)電路如圖5所示：

圖5TCR+FC型SVC主電路結(jié)構(gòu)

對電力系統(tǒng)進行動態(tài)的無功補償能夠?qū)崿F(xiàn)對負載功率因素的校正、減少母線電壓的波動性、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性并減少電壓電流的不平衡性等作用。這些無功補償?shù)哪繕撕妥饔弥g相互有所關(guān)聯(lián)，在提高某一項電能指標的同時能夠在一定程度上相應(yīng)的提高其它指標，但是在這些指標的相互作用中也存在著相互制約的情況。所以在實際的控制過程中需要根據(jù)被補償系統(tǒng)的特點有針對性的選擇其中的一條或多條作為其直接控制目標，無功補償系統(tǒng)的目標不一樣其控制策略和裝置的參數(shù)設(shè)計也往往大不相同。根據(jù)礦井提升機運行過程對電能質(zhì)量的影響可知其對電網(wǎng)的無功沖擊導(dǎo)致功率因素過低的情況最為嚴重，另外在啟動、停機時還會使母線電壓的波動增強。針對礦井設(shè)計的TCR+FC型無功補償裝置應(yīng)該遵循以下原則：

1）6kV母線處的電壓波動值應(yīng)該在國家標準以內(nèi)并在提升機啟動、停機過程中盡量減小電壓的波動性。

2）在提升系統(tǒng)出現(xiàn)功率因素過低時，應(yīng)該實時跟蹤補償無功功率，維持功率因素在較高水平，特別是在提升系統(tǒng)啟動、停機過程中盡量減小對電網(wǎng)的無功沖擊，總體功率因素的目標值為0.95～1，確保提升系統(tǒng)運行過程中不會因為電能質(zhì)量的下降而導(dǎo)致相鄰的電氣設(shè)備受到不良影響。

3）設(shè)置的電容器濾波組能夠?qū)⒆⑷肽妇€中的各次特征諧波含量維持在國家標準以內(nèi)。除了保證濾波效果的同時濾波器組還應(yīng)該確保其參數(shù)設(shè)計的合理性，不會對其它次數(shù)的諧波進行放大，也不與電力系統(tǒng)中的其它設(shè)備發(fā)生并聯(lián)諧振。

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計的原則和控制目標，TCR支路主電抗器的容量應(yīng)當滿足：

QTCR=Kd(Q0－Qmax －ΔUmax Sdmin ) （6）

式中QTCR(MVA)為TCR支路主電抗器的容量；Kd是在考慮了電抗器調(diào)節(jié)死區(qū)的調(diào)節(jié)系數(shù)，在工程實際設(shè)計過程中應(yīng)該根據(jù)選用的電抗器參數(shù)適當?shù)恼{(diào)節(jié)該系數(shù)，其電抗器的不同其值一般為1～1.1針對該礦井提升系統(tǒng)的參數(shù)以及實驗性仿真該系數(shù)取1.03；Q0為系統(tǒng)所有負荷疊加后的基本無功，該礦井提升系統(tǒng)的大功率負荷主要為單、雙單提升電機；Sdmin 為上一級母線在最小運行方式下的短路容量；Umax 為上一級母線電壓允許的最大波動值，根據(jù)該礦井提升系統(tǒng)電壓波動的記錄數(shù)據(jù)以及造成的影響分析，其最大波動值控制在±2%；Qmax 為所有負載運行時系統(tǒng)的最大無功。

對于電網(wǎng)和礦井提升供電系統(tǒng)而言提升機運行過程中屬于十分典型的沖擊性負荷，其運行過程中對引起的母線電壓波動，功率因素低下是礦井無功補償技術(shù)需要重點解決的問題，公式(6)中包含了提升系統(tǒng)的無功、有功功率參數(shù)以及母線電壓波動的百分比等電能指標參數(shù)，針對該礦井提升系統(tǒng)的無功補償技術(shù)能夠綜合的解決功率因素、母線電壓波動等問題。根據(jù)計算TCR支路容量為：

QTCR=1.1×(2.17－40×2%)=1.52MVar （7）

在工程設(shè)計過程中可控電抗器的短路電壓并不完全相同，在設(shè)計過程應(yīng)該根據(jù)可抗電抗器的參數(shù)說明合理的選擇短路電壓值，該礦井提升系統(tǒng)的無功補償裝置中采用的可抗電抗器短路電壓Uk=75%，其額定電壓與系統(tǒng)母線電壓一致為6kV。由于TCR支路的晶閘管閥組采用三角形連接方式，所以其每相電流為TCR支路總電流的1/3：

I=1.52×1063×6×103A=84.5A （8）

理論上晶閘管的觸發(fā)角度為90°~180°，在工程實際中其調(diào)節(jié)范圍一般為105°~170°，該礦井無功補償裝置TCR支路采用兩個晶閘管反向并聯(lián)之后再與電抗器串聯(lián)，則其每一相的阻抗值為：

Z≈XL=UI=6×10384.5=71.01Ω

L=XLωUk=71.01314×75%=0.17mH（9）

在實際工程應(yīng)用過程中通常將電抗器分成兩部分，分別在晶閘管閥組兩側(cè)串聯(lián)一個電抗器從而可以避免電抗器短路時使管閥組產(chǎn)生過大的短路電流而損壞，相應(yīng)的其每一邊電抗器的電感值為：

L1,2=12×L=12×0.17=0.085mH （10）

單調(diào)諧波器設(shè)置原則主要是根據(jù)被補償系統(tǒng)特征諧波的具體情況進行確定的，對于礦井提升系統(tǒng)的普遍使用的整流器而言其產(chǎn)生的諧波一般只有含量較大的奇數(shù)次諧波，其諧波的具體次數(shù)與整流器的脈波數(shù)量有很大的關(guān)聯(lián)。根據(jù)電能測試數(shù)據(jù)的分析可知：該礦井提升系統(tǒng)的諧波主要為11、13次諧波，另外還有少量13次以上的高次諧波。單調(diào)諧濾波器的主要利用電路的諧振原理，當濾波支路發(fā)生諧振時會對某一特定次數(shù)的諧波電流形成低阻通路，使得大部分諧波電流通過電容器組而不會注入電力系統(tǒng)的母線。對于濾波支路的設(shè)計主要是確定每一條支路中的元器件的容量、參數(shù)和校驗值等。

平均功率因素可以按照能耗計算法確定，該礦井無功補償裝置的功率因素目標為0.95～0.99,功率因素補償裝置的計算容量為：

Qc1=βPs(tan φ1－tan φ2) （11）

式中β為平均負荷系數(shù)，平均負荷系數(shù)是指平均負荷與供電設(shè)備的額定負荷之比，對于該礦井提升系統(tǒng)中的負荷其值取0.7～0.8，Ps為負荷計算的最大有功功率，φ1、φ2為系統(tǒng)無功補償前后的功率因素角。在無功補償裝置運行期間其吸收的平均無功功率為其額定的0.6左右。故濾波器組的無功功率可按下式計算：

Qc=0.6QTCR （12）

根據(jù)系統(tǒng)特征次諧波設(shè)置的濾波器組為11次、13次和高通濾波支路，電容器組的容量的容量由三部分組成,其總的補償容量為：

Qc=Qc1+Qc2+Qch

Qc=0.75×1.1×(0.952－0.52)+0.75×0.44×(0.952－0.452)+

0.6×1.52=1.68MVar（13） 

考慮系統(tǒng)無功補償容量需要一定的裕量并能進行小范圍的調(diào)節(jié)，由公式（13)的計算結(jié)果可將濾波器組的安裝容量設(shè)定為1.7MVA。對于第n次濾波支路其基波無功容量為：

Qcn=Ih(huán)/h∑Imm×Qc （14）

根據(jù)公式(6)、(12)、(13)、(14)及表1、2中的該礦井提升系統(tǒng)的電能指標測試數(shù)據(jù)，補償裝置11次、13次、及高通濾波支路的安裝容量為：

Qc11=26.2226.22+26.48+32.66×

1.7MVar=0.52MVar

Qc11=26.4826.22+26.48+32.66×

1.7MVar=0.53MVar

QcH=32.6626.22+26.48+32.66×

1.7MVar=0.65MVar（15） 

5 無功補償裝置的工程應(yīng)用效果分析

為了驗證該無功補償裝置的工程應(yīng)用效果，特別是提高礦井供電系統(tǒng)的功率因素、穩(wěn)定母線電壓以及減少諧波電流的效果，能通過投運無功補償裝置前后系統(tǒng)6kV母線電壓、功率因素、11次、13次諧波電流分量等電能指標的測試比較，驗證了針對礦井提升系統(tǒng)的無功補償裝置主電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及控制方案的合理性和有效性。通過前后測試數(shù)據(jù)進一步分析了該無功補償裝置對于礦井供電系統(tǒng)安全、節(jié)能工作的重要意義，在我國的礦井供電系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

5.1 提高、穩(wěn)定母線電壓效果分析

提升機提礦運行的周期大約為100秒左右，為了更加全面的比較無功補償裝置投運前后對穩(wěn)定母線電壓、減少電壓波動的效果，對裝置投運前后母線的三相電壓各進行了10分鐘的測試。其母線電電壓測試結(jié)果如圖6所示：由圖5的母線三相電壓波形可知：在提升系統(tǒng)母線未投運無功補償裝置時，母線電壓偏低且其波動性較大，特別是在提升機加速啟動和減速停機過程中電壓的波動尤為明顯。另外母線的三相電壓存在一定不平衡。投入無功補償裝置后，系統(tǒng)電壓在裝置投入的瞬間有小幅的波動，但在短時間內(nèi)快速達到相對穩(wěn)定的值。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看整個母線電壓得以提高，其電壓的波動性有所降低，特別是在提升機穩(wěn)定運行時電壓波動較小，本文設(shè)計開發(fā)的礦井無功補償裝置對于提高母線電壓并且在提升機穩(wěn)定運行階段減小母線電壓波動具有顯著的效果。

圖6 無功補裝置投運前后母線電壓波形



5.2 減小三相電流中11次、13次諧波含量效果分析

為了驗證設(shè)計的11次、13次單調(diào)諧濾波器組對系統(tǒng)母線中的特征次諧波的濾波效果，對裝置投運前后對三相母線中電流諧波分量各進行了10分鐘的測試，三相母線電流11次、13次諧波分量的測試結(jié)果如圖7、圖8所示：

圖7 裝置投運前后11次電流諧波分量曲線

根據(jù)圖7、圖8以上測試結(jié)果分析可知：未投入電容濾波器組進行濾波時，三相電流中的11次和13次諧波電流分別在30A、25A左右，根據(jù)附錄1中的國家電能質(zhì)量標準可知其諧波含量超過國家標準。11次、13次諧波的畸變率分別達到了10%、9%以上，在經(jīng)過濾波器組濾波之后，在提升機穩(wěn)定運行時其11次和13次諧波電流有效值分別減少到2A～3A之間、2A左右其畸變率也分別降低到了1.2%、2%左右。其次，在濾波器組投入之前，在提升機加速啟動和減速停機過程中其諧波電流的沖擊比較強烈波動十分明顯。投入濾波器組進行濾波之后，諧波電流的含量、波動性迅速減小，11次、13次諧波電流的畸變率完全達到國家標準，濾波效果十分顯著。

圖8 裝置投運前后13次電流諧波分量曲線

5.3 提高系統(tǒng)功率因素效果分析

為了驗證無功補償裝置對于提高系統(tǒng)功率因素的效果，對其投運前后系統(tǒng)的功率因素進行了長時間的測試比較，根據(jù)測試系統(tǒng)的功率因素曲線如圖9所示。

圖9 無功補償裝置投運前后功率因素曲線

在未投入無功補償裝置前系統(tǒng)的功率因素較低，其功率因素水平普遍在0.6左右，另外通過圖8的功率因素曲線可知：其功率因素不穩(wěn)定，波動性比較大。在投入無功補償裝置后，系統(tǒng)功率因素得到迅速提高，在提升機運行期間其功率因素始終能維持在0.99左右的水平，對提高該礦井提升供電系統(tǒng)的功率因素效果十分明顯。

6 總 結(jié)

無功補償和諧波治理技術(shù)在近年來得到不斷重視和發(fā)展，隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了越來越多的結(jié)構(gòu)簡單、補償效果優(yōu)良的無功補償方法?；赥CR+FC型的SVC無功補償技術(shù)在柔性交流輸電、工業(yè)企業(yè)、大型民用場合受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。通過投運前后電能指標的測試數(shù)據(jù)可知：本文中設(shè)計開發(fā)的補償裝置能夠很好的補償供電系統(tǒng)的無功功率，并且系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和較高的控制精度。裝置運行期間能夠提高系統(tǒng)母線電壓，使母線電壓的閃變和波動性減小。對于提高提升系統(tǒng)的功率因素效果顯著，從投運前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升機整個運行過程當中都能夠維持較高的功率因素，能夠很好的滿足礦井提升系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求。對于提高礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，提高電能質(zhì)量以及節(jié)能減排工作具有十分重要的意義，在我國采礦企業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

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［7］ 張定華,桂衛(wèi)華,王衛(wèi)安,等.混合動態(tài)無功補償裝置及其應(yīng)用研究［J］.電機與控制學(xué)報,2010,14(2):71-79.

提升機提礦運行的周期大約為100秒左右，為了更加全面的比較無功補償裝置投運前后對穩(wěn)定母線電壓、減少電壓波動的效果，對裝置投運前后母線的三相電壓各進行了10分鐘的測試。其母線電電壓測試結(jié)果如圖6所示：由圖5的母線三相電壓波形可知：在提升系統(tǒng)母線未投運無功補償裝置時，母線電壓偏低且其波動性較大，特別是在提升機加速啟動和減速停機過程中電壓的波動尤為明顯。另外母線的三相電壓存在一定不平衡。投入無功補償裝置后，系統(tǒng)電壓在裝置投入的瞬間有小幅的波動，但在短時間內(nèi)快速達到相對穩(wěn)定的值。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看整個母線電壓得以提高，其電壓的波動性有所降低，特別是在提升機穩(wěn)定運行時電壓波動較小，本文設(shè)計開發(fā)的礦井無功補償裝置對于提高母線電壓并且在提升機穩(wěn)定運行階段減小母線電壓波動具有顯著的效果。

圖6 無功補裝置投運前后母線電壓波形



5.2 減小三相電流中11次、13次諧波含量效果分析

為了驗證設(shè)計的11次、13次單調(diào)諧濾波器組對系統(tǒng)母線中的特征次諧波的濾波效果，對裝置投運前后對三相母線中電流諧波分量各進行了10分鐘的測試，三相母線電流11次、13次諧波分量的測試結(jié)果如圖7、圖8所示：

圖7 裝置投運前后11次電流諧波分量曲線

根據(jù)圖7、圖8以上測試結(jié)果分析可知：未投入電容濾波器組進行濾波時，三相電流中的11次和13次諧波電流分別在30A、25A左右，根據(jù)附錄1中的國家電能質(zhì)量標準可知其諧波含量超過國家標準。11次、13次諧波的畸變率分別達到了10%、9%以上，在經(jīng)過濾波器組濾波之后，在提升機穩(wěn)定運行時其11次和13次諧波電流有效值分別減少到2A～3A之間、2A左右其畸變率也分別降低到了1.2%、2%左右。其次，在濾波器組投入之前，在提升機加速啟動和減速停機過程中其諧波電流的沖擊比較強烈波動十分明顯。投入濾波器組進行濾波之后，諧波電流的含量、波動性迅速減小，11次、13次諧波電流的畸變率完全達到國家標準，濾波效果十分顯著。

圖8 裝置投運前后13次電流諧波分量曲線

5.3 提高系統(tǒng)功率因素效果分析

為了驗證無功補償裝置對于提高系統(tǒng)功率因素的效果，對其投運前后系統(tǒng)的功率因素進行了長時間的測試比較，根據(jù)測試系統(tǒng)的功率因素曲線如圖9所示。

圖9 無功補償裝置投運前后功率因素曲線

在未投入無功補償裝置前系統(tǒng)的功率因素較低，其功率因素水平普遍在0.6左右，另外通過圖8的功率因素曲線可知：其功率因素不穩(wěn)定，波動性比較大。在投入無功補償裝置后，系統(tǒng)功率因素得到迅速提高，在提升機運行期間其功率因素始終能維持在0.99左右的水平，對提高該礦井提升供電系統(tǒng)的功率因素效果十分明顯。

6 總 結(jié)

無功補償和諧波治理技術(shù)在近年來得到不斷重視和發(fā)展，隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了越來越多的結(jié)構(gòu)簡單、補償效果優(yōu)良的無功補償方法?；赥CR+FC型的SVC無功補償技術(shù)在柔性交流輸電、工業(yè)企業(yè)、大型民用場合受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。通過投運前后電能指標的測試數(shù)據(jù)可知：本文中設(shè)計開發(fā)的補償裝置能夠很好的補償供電系統(tǒng)的無功功率，并且系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和較高的控制精度。裝置運行期間能夠提高系統(tǒng)母線電壓，使母線電壓的閃變和波動性減小。對于提高提升系統(tǒng)的功率因素效果顯著，從投運前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升機整個運行過程當中都能夠維持較高的功率因素，能夠很好的滿足礦井提升系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求。對于提高礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，提高電能質(zhì)量以及節(jié)能減排工作具有十分重要的意義，在我國采礦企業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

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提升機提礦運行的周期大約為100秒左右，為了更加全面的比較無功補償裝置投運前后對穩(wěn)定母線電壓、減少電壓波動的效果，對裝置投運前后母線的三相電壓各進行了10分鐘的測試。其母線電電壓測試結(jié)果如圖6所示：由圖5的母線三相電壓波形可知：在提升系統(tǒng)母線未投運無功補償裝置時，母線電壓偏低且其波動性較大，特別是在提升機加速啟動和減速停機過程中電壓的波動尤為明顯。另外母線的三相電壓存在一定不平衡。投入無功補償裝置后，系統(tǒng)電壓在裝置投入的瞬間有小幅的波動，但在短時間內(nèi)快速達到相對穩(wěn)定的值。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看整個母線電壓得以提高，其電壓的波動性有所降低，特別是在提升機穩(wěn)定運行時電壓波動較小，本文設(shè)計開發(fā)的礦井無功補償裝置對于提高母線電壓并且在提升機穩(wěn)定運行階段減小母線電壓波動具有顯著的效果。

圖6 無功補裝置投運前后母線電壓波形



5.2 減小三相電流中11次、13次諧波含量效果分析

為了驗證設(shè)計的11次、13次單調(diào)諧濾波器組對系統(tǒng)母線中的特征次諧波的濾波效果，對裝置投運前后對三相母線中電流諧波分量各進行了10分鐘的測試，三相母線電流11次、13次諧波分量的測試結(jié)果如圖7、圖8所示：

圖7 裝置投運前后11次電流諧波分量曲線

根據(jù)圖7、圖8以上測試結(jié)果分析可知：未投入電容濾波器組進行濾波時，三相電流中的11次和13次諧波電流分別在30A、25A左右，根據(jù)附錄1中的國家電能質(zhì)量標準可知其諧波含量超過國家標準。11次、13次諧波的畸變率分別達到了10%、9%以上，在經(jīng)過濾波器組濾波之后，在提升機穩(wěn)定運行時其11次和13次諧波電流有效值分別減少到2A～3A之間、2A左右其畸變率也分別降低到了1.2%、2%左右。其次，在濾波器組投入之前，在提升機加速啟動和減速停機過程中其諧波電流的沖擊比較強烈波動十分明顯。投入濾波器組進行濾波之后，諧波電流的含量、波動性迅速減小，11次、13次諧波電流的畸變率完全達到國家標準，濾波效果十分顯著。

圖8 裝置投運前后13次電流諧波分量曲線

5.3 提高系統(tǒng)功率因素效果分析

為了驗證無功補償裝置對于提高系統(tǒng)功率因素的效果，對其投運前后系統(tǒng)的功率因素進行了長時間的測試比較，根據(jù)測試系統(tǒng)的功率因素曲線如圖9所示。

圖9 無功補償裝置投運前后功率因素曲線

在未投入無功補償裝置前系統(tǒng)的功率因素較低，其功率因素水平普遍在0.6左右，另外通過圖8的功率因素曲線可知：其功率因素不穩(wěn)定，波動性比較大。在投入無功補償裝置后，系統(tǒng)功率因素得到迅速提高，在提升機運行期間其功率因素始終能維持在0.99左右的水平，對提高該礦井提升供電系統(tǒng)的功率因素效果十分明顯。

6 總 結(jié)

無功補償和諧波治理技術(shù)在近年來得到不斷重視和發(fā)展，隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了越來越多的結(jié)構(gòu)簡單、補償效果優(yōu)良的無功補償方法?；赥CR+FC型的SVC無功補償技術(shù)在柔性交流輸電、工業(yè)企業(yè)、大型民用場合受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。通過投運前后電能指標的測試數(shù)據(jù)可知：本文中設(shè)計開發(fā)的補償裝置能夠很好的補償供電系統(tǒng)的無功功率，并且系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和較高的控制精度。裝置運行期間能夠提高系統(tǒng)母線電壓，使母線電壓的閃變和波動性減小。對于提高提升系統(tǒng)的功率因素效果顯著，從投運前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升機整個運行過程當中都能夠維持較高的功率因素，能夠很好的滿足礦井提升系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求。對于提高礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，提高電能質(zhì)量以及節(jié)能減排工作具有十分重要的意義，在我國采礦企業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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