1 引言

在煤礦井下供配電系統(tǒng)中廣泛存在大量的感性負(fù)荷，如三相異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，這些感性負(fù)荷在配電系統(tǒng)中會(huì)消耗大量的無功功率，降低系統(tǒng)的功率因素，造成線路電壓損失加大和電能損耗增加。此外，對(duì)于一些沖擊性無功負(fù)荷，還會(huì)產(chǎn)生劇烈的電壓波動(dòng)，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量惡化，造成電機(jī)啟動(dòng)困難或頻繁燒毀，特別是在大功率電動(dòng)機(jī)使用上表現(xiàn)尤為明顯。另外，因無功電流的增大會(huì)引起供電線路、用電設(shè)備絕緣下降，老化，易造成漏電、短路等故障。隨著現(xiàn)代化礦井快速發(fā)展，機(jī)械化程度不斷提升，大功率電機(jī)大量使用，普通應(yīng)用電子原件產(chǎn)品，各種感性負(fù)荷及用電設(shè)備與地面電網(wǎng)供電電源之間必然循環(huán)著大量無功功率，同時(shí)產(chǎn)生各類諧波，造成供電質(zhì)量惡化和電能嚴(yán)重浪費(fèi)，直接影響電網(wǎng)及用電設(shè)備正常。

采用無功補(bǔ)償后具有如下意義：

（1）降低無功損耗，減少電能浪費(fèi)

采用補(bǔ)償后，系統(tǒng)功率因數(shù)提高，使變壓器及供電線路中電流下降，降低了無功損耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（2）提高功率因數(shù)

用容性無功電流就近實(shí)時(shí)抵消負(fù)荷產(chǎn)生的感性無功電流，達(dá)到提高井下供電系統(tǒng)功率因數(shù)的目的。

（3）治理諧波，凈化井下電網(wǎng)

各補(bǔ)償支路具備限制涌流，治理諧波的功能，達(dá)到裝置內(nèi)電氣元件安全運(yùn)行和凈化井下電網(wǎng)的目的。

（4）提高了供電系統(tǒng)的利用率

井下用電設(shè)備與地面電源之間存在大量往復(fù)循環(huán)的無功功率，這些無功功率必然占用供電系統(tǒng)許多容量，造成供電線路帶負(fù)荷能力下降，井下變壓器容量利用率下降，各級(jí)控制開關(guān)帶載能力下降，加裝無功補(bǔ)償后，使井下變壓器視在功率接近于有功功率，有效提高了視在功率利用率，供電線路及各級(jí)控制開關(guān)因減少了無功電流，大大提高了承載能力。

（5）穩(wěn)定電網(wǎng)電壓

井下感性負(fù)荷大量產(chǎn)生無功功率，必然導(dǎo)致供電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)。無功功率大，電網(wǎng)電壓波動(dòng)幅度大，無功量變化頻率快，電網(wǎng)電壓波動(dòng)頻率隨之加快。安裝使用無功補(bǔ)償后，將大部分無功功率就近補(bǔ)償，勢(shì)必導(dǎo)致供電網(wǎng)無功功率顯著減少，減小了電網(wǎng)電壓及井下變壓器二次電壓波動(dòng)范圍。

（6）減少電氣事故率，延長設(shè)備使用壽命。

變壓器、供電線路、各級(jí)控制保護(hù)開關(guān)及供電系統(tǒng)所有主回路連接點(diǎn)的溫升與流過該系統(tǒng)的視在電流成正比，視在電流大，必然導(dǎo)致溫度升高快，溫度超越絕緣強(qiáng)度后，勢(shì)必引起老化、接地、放電、弧光短路等各類事故，甚至引起漏電傷人，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，維修工作量加大，增加維修資金支出，縮短設(shè)備更新周期，增加設(shè)備投資費(fèi)用。經(jīng)無功補(bǔ)償后，系統(tǒng)視在電流下降30％左右，所有電氣設(shè)備承受實(shí)際電流減小，減少了因電流大造成各類電氣事故的幾率，事故率下降必然提高設(shè)備的開機(jī)率，減少事故處理時(shí)間必然增加正常生產(chǎn)時(shí)間?？傊惭b補(bǔ)償達(dá)到了減少費(fèi)用，節(jié)約投資，減少事故，增產(chǎn)增效的目的。

2 靜止無功發(fā)生器技術(shù)

無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從同步調(diào)相機(jī)→開關(guān)投切固定電容→動(dòng)態(tài)投切電容器（SVC）→無功發(fā)生器（SVG）的過程。靜止無功補(bǔ)償器（SVG，又稱STATCOM)采用了全控型開關(guān)器件（如IGBT），所以其動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果是早期的同步調(diào)相機(jī)、電容器等無功補(bǔ)償裝置不能比擬的。靜止無功發(fā)生器以其較低的諧波，較高的效率，較快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，將成為輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備。

傳統(tǒng)補(bǔ)償諧波和無功的一種方法是裝設(shè)無源濾波器，通常由電力電容器、電抗器和電阻器串并聯(lián)組合而成，該方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率。目前我國常用的無功調(diào)節(jié)設(shè)備仍為機(jī)械式并聯(lián)電抗器、投切電容器，這些靜止型調(diào)壓手段，因調(diào)節(jié)不連續(xù)、響應(yīng)速度慢，很難滿足系統(tǒng)運(yùn)行方式快速變化時(shí)的需求。另一種補(bǔ)償裝置SVC，響應(yīng)速度相比電容器速度快，但對(duì)電網(wǎng)來說仍呈阻抗特性，在電壓低時(shí)，無法提供系統(tǒng)所需的無功支持，應(yīng)付電網(wǎng)異常的能力較弱；由于SVC會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的某些特征諧波放大，有時(shí)必須裝設(shè)濾波器，占地面積較大；過多的SVC裝置容易引發(fā)系統(tǒng)振蕩。高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG則是較為有效的調(diào)壓手段，它的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內(nèi)恒定，在電壓低時(shí)仍能提供較強(qiáng)的無功支撐，并且可從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

3 新風(fēng)光公司高壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)(FGSVG)

FGSVG系列產(chǎn)品采用現(xiàn)代電力電子、自動(dòng)化、微電子及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，采用先進(jìn)的瞬時(shí)無功功率理論和給予同步坐標(biāo)變換的功率解耦算法，以設(shè)定的無功性質(zhì)及大小、功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓為控制目標(biāo)運(yùn)行，動(dòng)態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化調(diào)節(jié)無功輸出，并能實(shí)現(xiàn)曲線設(shè)定運(yùn)行，提升電網(wǎng)質(zhì)量。

3.1 FGSVG系列產(chǎn)品特點(diǎn)：

FGSVG系列產(chǎn)品為滿足用戶對(duì)提高輸配電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)、治理諧波、補(bǔ)償負(fù)序電流的迫切需要，做出相應(yīng)設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)：

（1）模塊化設(shè)計(jì)，安裝、調(diào)試、設(shè)定方便。

（2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間≤5ms。

（3）在補(bǔ)償容量足夠的前提下，輸出電流諧波(THD)≤3%。

（4）多種運(yùn)行模式極大的滿足用戶需求，運(yùn)行模式有：恒裝置無功功率模式、恒考核點(diǎn)無功功率模式、恒考核點(diǎn)功率因數(shù)模式、恒考核點(diǎn)電壓模式、恒考核點(diǎn)無功功率模式2,目標(biāo)值可實(shí)時(shí)更改。

（5）實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，動(dòng)態(tài)連續(xù)平滑補(bǔ)償無功功率，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，實(shí)時(shí)治理諧波，補(bǔ)償負(fù)序電流，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。

（6）抑制電壓閃變，改善電壓質(zhì)量，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。

（7）FGSVG電路參數(shù)精心設(shè)計(jì)，發(fā)熱量小，效率高，運(yùn)行成本低。

（8）設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

（9）主電路采用IGBT組成的H橋功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每組由多個(gè)相同的功率單元組成，整機(jī)輸出由PWM波形疊加而成的階梯波，逼近正弦，經(jīng)輸出電抗器濾波后正弦度好。

（10）FGSVG采用冗余性設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)高可靠性的要求。

（11）功率電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡單，互換性好。

（12）保護(hù)功能齊全，具有過壓、欠壓、過流、光纖通訊故障、單元過熱、不均壓等保護(hù)，并能實(shí)現(xiàn)故障瞬間的波形錄制，便于確定故障點(diǎn)，易維護(hù)，運(yùn)行可靠性高。

（13）人機(jī)界面友好顯示，對(duì)外通訊提供了RS485、以太網(wǎng)等接口，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議。除具有實(shí)時(shí)數(shù)字量及模擬量的顯示、運(yùn)行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)信息查詢、歷史故障查詢等功能外，還具有送電后系統(tǒng)自檢、一鍵開停機(jī)、分時(shí)控制、示波器（AD通道強(qiáng)制錄波）、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。

（14）FGSVG設(shè)計(jì)包含與FC配合使用的接口，實(shí)現(xiàn)定補(bǔ)和動(dòng)補(bǔ)的有效結(jié)合，為用戶提供更經(jīng)濟(jì)、更靈活的方案。

（15）投切時(shí)無暫態(tài)沖擊，無合閘涌流，無電弧重燃，無需放電即可再投。

（16）與系統(tǒng)連接時(shí)，不需要考慮交流系統(tǒng)相序，連接方便。

（17）可并聯(lián)安裝，極易擴(kuò)展容量。并機(jī)運(yùn)行使用光纖通訊，通訊速度快，能夠完好的滿足實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

3.2 FGSVG原理

在交流電路中，電壓和電流的相位有三種情況，當(dāng)負(fù)載是純電阻特性時(shí)，電壓和電流相位相同；當(dāng)負(fù)載是（或含有）電感特性時(shí)，電壓相位超前電流相位；當(dāng)負(fù)載是（或含有）容性特性時(shí)，電壓相位滯后電流相位。

圖1 原理示意圖

如圖1所示，基本原理就是將自換相橋式電路通過變壓器或者電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?，如?所示。

表1SVG運(yùn)行模式原理示意圖

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FGSVG系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

4 煤礦應(yīng)用案例

某煤礦礦井供電系統(tǒng)采用10kV雙回路供電，主供線路來自新玉35kV變電站10kV出線，備用線路來自自備電廠35kV直供站10kV直新線。井下中央變電所安裝KBSG-630/10變壓器兩臺(tái)，供電電壓660V，其供電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3某煤礦供電系統(tǒng)

為了對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，該煤礦采用新風(fēng)光公司生產(chǎn)的2套FGSVG-C3.0/10，其中一套掛在1號(hào)電容柜，取玉基線和直新線的CT電流信號(hào)并在10kV一段母線進(jìn)行無功補(bǔ)償；另外一套掛在2號(hào)電容柜，取玉礦線電流信號(hào)并于10kV母線2段進(jìn)行無功補(bǔ)償。

該SVG工程成功投運(yùn)之后效果明顯，采集裝機(jī)前后的數(shù)據(jù)記錄如圖4所示。

圖4

圖4為記錄的玉礦線SVG投運(yùn)前功率因數(shù)，有圖4可以看出未投運(yùn)SVG，功率因數(shù)為0.83左右，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性不利。

圖5

圖5左半部分為SVG投運(yùn)后玉礦線功率因數(shù)曲線，可以看出投運(yùn)無功補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)到1，右半部分是SVG未投運(yùn)功率因數(shù)曲線，可以看出退出SVG無功補(bǔ)償裝置后，功率因數(shù)僅為0.84，由此可以看出SVG對(duì)改善功率因數(shù)有很好的效果。

圖6

圖6是記錄10kV2段玉礦線進(jìn)線柜的無功值，有圖6可以看出進(jìn)線上無功值可以達(dá)到450kvar，且波動(dòng)較大，此時(shí)無功值較大會(huì)增加線路的損耗，降低線路的供電能力。

圖7

圖7左半部分為SVG未投運(yùn)時(shí)系統(tǒng)無功值，最大可以到0.45Mvar，且波動(dòng)較大，右半部分為SVG投運(yùn)后系統(tǒng)無功值，可以看出無功補(bǔ)償投運(yùn)后系統(tǒng)的無功值近乎為0，且波動(dòng)較小，由此可以看出SVG對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)無功，提高線路供電能力有顯著地效果。

圖8

圖8是記錄的10kv1段直新線上的SVG投運(yùn)前后系統(tǒng)的功率因數(shù)曲線，左半部分是投運(yùn)前，可以看出功率因數(shù)較低，波動(dòng)較大；右半部分為SVG投運(yùn)后的功率因數(shù)，可以看出功率因數(shù)為1，可見SVG對(duì)改善功率因數(shù)效果顯著。

圖9

圖9是記錄的10kV1段直新線SVG投運(yùn)前后系統(tǒng)的無功值，左半部分為SVG未投運(yùn)時(shí)系統(tǒng)的無功值，可以看出系統(tǒng)無功值波動(dòng)較大，且最大值到了1.25Mvar；右半部分是SVG投運(yùn)后系統(tǒng)的無功值，可以看出無功值近乎為0，較小，且波動(dòng)較小，由此可以看出SVG對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)無功效果顯著。

以上圖片及說明為記錄10kV1段（直新線）（玉基線維修，未投運(yùn)，未測(cè)量）、10kV2段SVG投運(yùn)前后系統(tǒng)上的無功值與功率因數(shù)，有以上可以看出SVG并在1段、2段電網(wǎng)，對(duì)改善系統(tǒng)功率因數(shù)、補(bǔ)償系統(tǒng)無功、提高線路供電質(zhì)量有顯著的效果，值得推廣。

5 結(jié)論

新風(fēng)光公司高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVG）作為高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償領(lǐng)域的最新技術(shù)與其他無功補(bǔ)償裝置相比具有調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行范圍寬、吸收無功連續(xù)、諧波電流小、損耗低、所用電容器和電抗器容量和體積大為降低等優(yōu)點(diǎn)。

該裝置對(duì)煤礦功率因數(shù)的改善起到了明顯的作用。能夠長時(shí)間穩(wěn)定無自身故障的運(yùn)行也體現(xiàn)了該SVG對(duì)煤礦電網(wǎng)的強(qiáng)適應(yīng)力。同時(shí)可以看到SVG裝置對(duì)于改善煤礦電網(wǎng)特性，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性發(fā)揮了積極的作用，值得在電力系統(tǒng)大力推廣。