煤炭矿山

1 煤矿企业供电面临的关键问题

自上世纪七十年代推广机械化采煤后，煤矿的用电负荷增加，近年来，出于安全、采煤工艺和节能三方面的要求，大量非线性负荷在煤矿供电中被广泛使用，例如矿井提升机、露天矿大型电铲、运输皮电机、破碎机、水泵等设备都采用变频装置。尤其是矿机提升机、电铲启动频繁，负载变化大。电铲在挖掘过程中，遇到大块或树根时提升和推压结构会经常造成堵转，这时电机要维持出力，势必增加电枢电流，从电能角度看是一次迅速的无功冲击；电铲在作业中，为装车方便、准确，必须具有零位握持特性，即铲斗满料时，高悬空中，回转到装载位置过程中，铲斗必须保持不下降，此时提升、推压抱闸打开，提升或推压系统在运动状态，而速度给定在零位，速度调节器在工作状态，为保持张力平衡，装置输出力矩大小为铲斗和斗内料的重力矩，保持铲斗在空中不下降，如果多台电铲同时处于零位握持状态，此时对电网的无功需求非常大，从电能质量角度分析，其表现为大幅值的无功上升波动；提升机的弱磁升速特性表现为大幅值的无功下降波动；破碎机是一个无功反复冲击过程。煤矿供电系统常常远离供电负荷中心，存在供电距离长，供电容量相对较小的问题。在这样供电客观条件下，从电能质量角度看，对煤矿供电网络而言，用电负荷增加带来的是无功冲击的问题，对安全影响是电压的波动于暂降；对经济型影响是无功损耗大，功率因数低造成力率罚款。

传统的电容器型补偿器面临着：①难以适应负荷波动的变化。②电容器的投切对电网冲击大。③谐波治理效果有限，多组滤波器组，占地面积大。④谐波放大，对电容器及系统的其它设备造成谐波过电压。

2 无功补偿装置的发展

随着电力系统应用需求的变化，业界学者提出了无功补偿的概念。从早期广泛应用同步调相机作为动态补偿装置，发展到静止式无功补偿装置SVC。SVC是一种较快速调节无功功率的装置，国际大电网会议将SVC定义为7个子类。①机械投切电容器（MSC）；②机械投切电抗器（MSR）；③自饱和电抗器（SR）；④晶闸管控制电抗器（TCR）；⑤晶闸管投切电容器（TSC）；⑥晶闸管投切电抗器（TSR）；⑦自换向或电网换向转换器（SCC/LCC）。MSC和MSR是第一代静态无功补偿装置，通常响应速度以秒计，真空接触器频繁动作，不能准确地对负荷无功电流的变动进行跟踪记录，且投切电容器或电抗器时对电网冲击大。随着电力电子产品的更新换代，传统的机械开关被晶闸管替代，研发了以晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）和磁控电抗器（MCR）为代表的第二代无功补偿装置。MCR是在TCR基础上发展的，由MCR磁阀式饱和电抗器、直流激磁调节单元、控制器及监视器组成，通过改变铁芯饱和度进而改变电抗器的感抗，实现MCR输出无功功率连续可调。这类装置占地面积大，存在谐振过电压问题。

近几年，在SVC成熟理论和应用的基础上，借助不断发展的电力电子技术，一种更先进、更可靠、更灵活的无功补偿装置——大功率静止无功发生器（SVG）由实验室走向现场。随着IGBT管降价和中国封装线上马生产，SVG的价格也大幅下降，许多无功补偿装置的生产厂家都开始生产SVG。SVG属于第三代动态无功补偿技术。它以大功率三相电压型逆变器为核心，通过连接电抗器接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节逆变器输出电压幅值和相位实现动态补偿的目的。

SVG有三种运行模式（见表1）。空载运行模式Ui=Us，Il=0，SVG不吸收、发出无功；容性运行模式Ui＞Us，Il为超前电流，其幅值可以通过调节Ui来连续控制，从而连续调节SVG发出的无功；感性运行模式Ui＜Us，Il为滞后电流，其幅值可以通过调节Ui来连续控制，从而连续调节SVG吸收的无功。

从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势：

使用SVG可提高线路传输能力。可提高电压稳定性，根据负荷变化对无功输出作进一步调整，以防因无功倒送降低系统功率因数；实施调节系统电压，提高区域供电可靠性。对提升机、绞车、电铲等矿山负荷无功补偿与谐波治理，可减少无功损耗，节能降耗；有源滤波可改善电能质量；矿山供电线路长，末端电压低，使用SVG能够提高电压的稳定性，控制大型负载启动过程中的电压波动或闪变，确保安全供电。除此之外，可有效滤除使用6脉冲变频器产生5次和7次谐波及使用12脉冲变频器产生的11次和13次谐波。

3 结论

无功补偿和谐波治理技术，是保证电力系统电能质量的关键，随着电网的飞速发展，对补偿和谐波治理技术的要求也越来越高，只有充分利用前沿的理论和先进的技术，才能保证电网安全、稳定、可靠、优质地运行。