林振烈+唐朝暉+楊賽強(qiáng)+肖津+桂衛(wèi)華

收稿日期：2013-08-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目（61290322）

作者簡(jiǎn)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(hào)：1003-6199(2014)02-0038-08

摘 要：提升機(jī)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(duì)其直流電機(jī)進(jìn)行供電和控制。提升機(jī)在采礦過程中需要頻繁地啟動(dòng)、停機(jī)，對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功沖擊和諧波污染使供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。本文以國(guó)內(nèi)某鉛鋅礦盲主井提升系統(tǒng)為研究對(duì)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(wú)功補(bǔ)償與諧波治理方法。針對(duì)提升機(jī)運(yùn)行過程的特殊性和復(fù)雜性，給出無(wú)功補(bǔ)償裝置的具體電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算等的方法。提出的無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理技術(shù)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的工程研究和開發(fā)提供一定的參考和指導(dǎo)，對(duì)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(wú)功補(bǔ)償; 諧波治理; TCR+FC

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)存在感性負(fù)荷和容性負(fù)荷，所以系統(tǒng)中不僅有功功率，還有無(wú)功功率。無(wú)功功率是電能在傳輸和轉(zhuǎn)換過程中建立磁場(chǎng)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(wú)功功率會(huì)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(jī)屬于沖擊性的大功率負(fù)載，在其運(yùn)行過程需要頻繁的啟動(dòng)和停機(jī)。給電網(wǎng)母線帶來(lái)的無(wú)功沖擊大、母線電壓波動(dòng)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(fèi)，對(duì)整個(gè)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(guó)電能消耗總量中所占的比重非常高。特別是我國(guó)現(xiàn)階段采用的一些開采設(shè)備如提升機(jī)等，由于具有高效、控制相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)過程中安全性高等特點(diǎn)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(dòng)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(huì)使旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(huì)對(duì)測(cè)量和控制儀器以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，諧波產(chǎn)生的高頻噪聲還會(huì)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(kuò)大，國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作的不斷重視，礦井提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中對(duì)供用電系統(tǒng)所帶來(lái)的不良影響也愈發(fā)凸顯。從我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，工業(yè)企業(yè)特別是采礦企業(yè)為背景進(jìn)行相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究，對(duì)含有大功率用電設(shè)備的供電線路實(shí)施就地的無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理是十分必要的。本文以我國(guó)某大型鉛鋅礦的盲主井提升系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過對(duì)提升機(jī)運(yùn)行特性的分析，提出了針對(duì)礦井沖擊性負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)和方法。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合無(wú)功補(bǔ)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?yàn)槠髽I(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(jì)效益和社會(huì)效益。

2 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)分類與特點(diǎn)

無(wú)功功率補(bǔ)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(bǔ)償和串聯(lián)型補(bǔ)償兩大類。并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)主要是利用電容器（電抗器）并聯(lián)接入系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行無(wú)功功率的補(bǔ)償；而串聯(lián)補(bǔ)償則主要是利用電容器（電抗器）串聯(lián)接入系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率的補(bǔ)償。跟并聯(lián)補(bǔ)償方式相比，串聯(lián)補(bǔ)償方式其接線比較復(fù)雜，操作不方便，對(duì)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性影響較大。這兩種補(bǔ)償方式的補(bǔ)償容量是固定的，不能跟隨電力系統(tǒng)中無(wú)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(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2014年6月

第33卷第2期林振烈等：TCR+FC型無(wú)功補(bǔ)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(bǔ)償容量不固定，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤被補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率的變化情況，從而動(dòng)態(tài)的進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置稱之為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。對(duì)于動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置按照無(wú)功補(bǔ)償裝置本身是否擁有運(yùn)動(dòng)部件又可以分成靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置和運(yùn)動(dòng)型無(wú)功補(bǔ)償裝置。運(yùn)動(dòng)型無(wú)功補(bǔ)償裝置因?yàn)閾碛行D(zhuǎn)部件而得名，同步電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)專門向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率故稱之為調(diào)相機(jī)，所以同步調(diào)相機(jī)屬于運(yùn)動(dòng)型的無(wú)功補(bǔ)償裝置；由電力電子器件組成的靜止無(wú)功功率補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償方式的顯著特點(diǎn)在于能夠快速、平滑地調(diào)節(jié)容性至感性間的無(wú)功功率以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。在電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用的無(wú)功裝置類型如圖1所示：

圖1 無(wú)功補(bǔ)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(jī)采用串聯(lián)型的雙橋順序控制變流器進(jìn)行供電，整流器的類型屬于12脈沖整流器，這是我國(guó)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(duì)這些整流器特性進(jìn)行分析時(shí)可以以12脈沖整流器為基礎(chǔ)進(jìn)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(huì)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(yùn)行。提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程十分復(fù)雜，其直流電機(jī)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)要經(jīng)歷加速、穩(wěn)定運(yùn)行、減速停機(jī)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(yùn)行期間負(fù)荷并不總是恒定的，這種情況導(dǎo)致電機(jī)的效率變得更低，電能得不到充分的利用。所以對(duì)提升機(jī)的整流器特性進(jìn)行分析是研究礦井提升系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)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(gè)直流提升電機(jī)組成，其電樞由兩個(gè)6脈沖整流器進(jìn)行供電，整流變壓器的兩個(gè)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(gè)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(jī)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(jìn)行傅立葉級(jí)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(jìn)行傅立葉級(jí)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(jìn)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(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，但在實(shí)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(jī)其功率因素通常較低，而對(duì)于礦井提升系統(tǒng)的電機(jī)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(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，經(jīng)過測(cè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以，對(duì)于12脈沖整流器在大功率的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(jī)主要用于井下礦石的提運(yùn)，是采礦車間的主要生產(chǎn)設(shè)備之一。該設(shè)備長(zhǎng)期在井下運(yùn)行，工作環(huán)境十分惡劣。盲主井提升電機(jī)采用12脈沖整流器進(jìn)行供電，在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的高次諧波，注入電網(wǎng)之后會(huì)造成一系列的不良影響。隨著該礦井產(chǎn)能的進(jìn)一步擴(kuò)大提升電機(jī)的功率也相應(yīng)的不斷提高，其運(yùn)行時(shí)間也進(jìn)一步延長(zhǎng)，提升機(jī)機(jī)運(yùn)行過程中的啟動(dòng)和停機(jī)操作也變得更加頻繁。由此帶來(lái)的無(wú)功沖擊大、功率因數(shù)低、諧波含量高的問題更加嚴(yán)重。根據(jù)近幾年的提升系統(tǒng)的運(yùn)行記錄進(jìn)行分析可知：在提升系統(tǒng)諧波含量過高的情況下提升機(jī)出現(xiàn)過停機(jī)和抖動(dòng)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(dòng)作的現(xiàn)象。由于啟動(dòng)瞬間無(wú)功沖擊過大導(dǎo)致電網(wǎng)急劇下降，與提升機(jī)在同一供電線路上的風(fēng)機(jī)和水泵出現(xiàn)了不能啟動(dòng)的現(xiàn)象。

在確定無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)方案和相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算之前，對(duì)提升系統(tǒng)的各項(xiàng)電能指標(biāo)進(jìn)行有針對(duì)性地測(cè)試和分析是十分必要的。電能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果可以為無(wú)功裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)提供最基礎(chǔ)同時(shí)也是最重要的依據(jù)。測(cè)試的過程中盡量選擇了不同的時(shí)間段以及不同的運(yùn)行工況來(lái)進(jìn)行測(cè)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(yùn)行過程中的特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，該礦盲主井雙斗（為了描述的方便性，將其兩個(gè)提升斗分別命名為東斗、西斗）提升機(jī)輸入輸出功率和機(jī)組效率測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示：對(duì)于該礦井雙斗提升機(jī)而言，隨著提升機(jī)負(fù)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(shì)也隨負(fù)荷的減少而下降，整個(gè)運(yùn)行期間功率因素比較低，基本在0.5左右進(jìn)行波動(dòng)，而在其功率因素最小時(shí)只有0.42。由于直流提升機(jī)整流裝置所產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電力系統(tǒng)的不良影響同樣應(yīng)該引起重視，通過對(duì)該礦井提升系統(tǒng)母線電流中特征次數(shù)諧波含量的準(zhǔn)確測(cè)量能夠使設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置更具針對(duì)性，使其設(shè)計(jì)參數(shù)更加合理和準(zhǔn)確從而減少設(shè)備的前期投資。同時(shí)，對(duì)諧波的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析是避免設(shè)計(jì)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(jī)功率因素及效率測(cè)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(duì)性的對(duì)特征次諧波進(jìn)行測(cè)試，可以減少測(cè)試的工作量并提高單次測(cè)量的精度。經(jīng)測(cè)試，雙斗提升機(jī)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(jī)典型運(yùn)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(duì)表2中的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：雙斗提升機(jī)在不同的負(fù)荷下其特征次諧波含量并不完全相同，負(fù)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(guó)家公布的諧波標(biāo)準(zhǔn)中的上限值。諧波失真度更是達(dá)到了23%左右。礦井提升機(jī)不同于一般的工業(yè)電機(jī)，它在提運(yùn)礦石的過程中存在加速上升、平穩(wěn)運(yùn)行、減速停機(jī)等復(fù)雜過程，從提升系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程來(lái)看其負(fù)荷并不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)的無(wú)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(dòng)。根據(jù)對(duì)本章現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的分析可知：提升系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的功率因素在0.5～0.6之間波動(dòng)，而在啟動(dòng)和停機(jī)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(kuò)大、用電設(shè)備的增多以及采礦現(xiàn)場(chǎng)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(fèi)，企業(yè)電費(fèi)的支出居高不下，由于諧波的影響使得提升機(jī)在運(yùn)行過程中存在抖動(dòng)甚至停機(jī)的情況，增加了礦井發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)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(wú)功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我國(guó)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(duì)直流電機(jī)進(jìn)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(yán)重超標(biāo)，企業(yè)對(duì)提高電能質(zhì)量的意識(shí)不夠強(qiáng)；更重要的一方面是由于礦井提升機(jī)運(yùn)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(wú)功補(bǔ)償裝置在礦井供電系統(tǒng)的補(bǔ)償效果不佳。在對(duì)礦井提升系統(tǒng)的供電特點(diǎn)和無(wú)功補(bǔ)償?shù)木唧w需求進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)晶閘管控制電抗器與固定電容器組(TCR+FC)相結(jié)合的無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置的電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于推廣和使用無(wú)功補(bǔ)償改善我國(guó)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(wú)功補(bǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)感性無(wú)功功率的實(shí)時(shí)、動(dòng)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(bǔ)償器的原理如圖3所示：

(a) 單相電路簡(jiǎn)化圖(b) TCR補(bǔ)償器電流-電壓特性

圖3 TCR原理圖

觸發(fā)電路的控制信號(hào)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(shí)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(wú)功電流，當(dāng)其觸發(fā)角度α=90°時(shí)，TCR支路的晶閘管狀態(tài)為完全導(dǎo)通，此時(shí)在理想狀態(tài)下晶閘管可以近似的認(rèn)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(dāng)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(wú)功功率最大；觸發(fā)角α在(90°,180°)的區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)為部分導(dǎo)通，當(dāng)其觸發(fā)角度小于180°時(shí)，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(dāng)于補(bǔ)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(wú)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(yùn)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(gè)極端情況下（α=90°全導(dǎo)通或α=180°全關(guān)斷）。因此，TCR在運(yùn)行過程中必然會(huì)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(dāng)α＞90°時(shí)，電抗器中電流波形不再是純正弦波，對(duì)其進(jìn)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(duì)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(duì)TCR產(chǎn)生的各次諧波采用特定的濾波器組也可以對(duì)諧波進(jìn)行濾波，為了防止3次及3的倍數(shù)次諧波對(duì)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(shí)際應(yīng)用過程中采用此方法來(lái)消除3次及3倍數(shù)次諧波。

4.2 TCR+FC無(wú)功補(bǔ)償裝置的主電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行礦井提升系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)首先要充分考慮被補(bǔ)償系統(tǒng)所處的電壓等級(jí)以及和其它用電設(shè)備的電氣聯(lián)系。母線的電壓等級(jí)決定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電壓等級(jí)并在后期的元器件參數(shù)計(jì)算和選擇時(shí)應(yīng)該將其作為參考值。根據(jù)對(duì)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(shí)可以根據(jù)需要分別控制雙、單斗提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在考慮對(duì)其進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)該考慮其運(yùn)行過程中存在的極端情況，即兩臺(tái)提升機(jī)同時(shí)運(yùn)行并共用一條母線進(jìn)行供電，這時(shí)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(wú)功補(bǔ)償裝置的穩(wěn)定性和安全性在其參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要留有一定閾量。

綜合考慮其供電系統(tǒng)特點(diǎn)和無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)，SVC安裝在提升機(jī)所在的6kV母線處，根據(jù)負(fù)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(hù)裝置構(gòu)成。為了減少無(wú)功補(bǔ)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(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)負(fù)載功率因素的校正、減少母線電壓的波動(dòng)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(wú)功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)和作用之間相互有所關(guān)聯(lián)，在提高某一項(xiàng)電能指標(biāo)的同時(shí)能夠在一定程度上相應(yīng)的提高其它指標(biāo)，但是在這些指標(biāo)的相互作用中也存在著相互制約的情況。所以在實(shí)際的控制過程中需要根據(jù)被補(bǔ)償系統(tǒng)的特點(diǎn)有針對(duì)性的選擇其中的一條或多條作為其直接控制目標(biāo)，無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的目標(biāo)不一樣其控制策略和裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)也往往大不相同。根據(jù)礦井提升機(jī)運(yùn)行過程對(duì)電能質(zhì)量的影響可知其對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功沖擊導(dǎo)致功率因素過低的情況最為嚴(yán)重，另外在啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)還會(huì)使母線電壓的波動(dòng)增強(qiáng)。針對(duì)礦井設(shè)計(jì)的TCR+FC型無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)該遵循以下原則：

1）6kV母線處的電壓波動(dòng)值應(yīng)該在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)并在提升機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)過程中盡量減小電壓的波動(dòng)性。

2）在提升系統(tǒng)出現(xiàn)功率因素過低時(shí)，應(yīng)該實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償無(wú)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(dòng)、停機(jī)過程中盡量減小對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功沖擊，總體功率因素的目標(biāo)值為0.95～1，確保提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中不會(huì)因?yàn)殡娔苜|(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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。除了保證濾波效果的同時(shí)濾波器組還應(yīng)該確保其參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，不會(huì)對(duì)其它次數(shù)的諧波進(jìn)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(jì)的原則和控制目標(biāo)，TCR支路主電抗器的容量應(yīng)當(dāng)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(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該根據(jù)選用的電抗器參數(shù)適當(dāng)?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(duì)該礦井提升系統(tǒng)的參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)性仿真該系數(shù)取1.03；Q0為系統(tǒng)所有負(fù)荷疊加后的基本無(wú)功，該礦井提升系統(tǒng)的大功率負(fù)荷主要為單、雙單提升電機(jī)；Sdmin 為上一級(jí)母線在最小運(yùn)行方式下的短路容量；Umax 為上一級(jí)母線電壓允許的最大波動(dòng)值，根據(jù)該礦井提升系統(tǒng)電壓波動(dòng)的記錄數(shù)據(jù)以及造成的影響分析，其最大波動(dòng)值控制在±2%；Qmax 為所有負(fù)載運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的最大無(wú)功。

對(duì)于電網(wǎng)和礦井提升供電系統(tǒng)而言提升機(jī)運(yùn)行過程中屬于十分典型的沖擊性負(fù)荷，其運(yùn)行過程中對(duì)引起的母線電壓波動(dòng)，功率因素低下是礦井無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)需要重點(diǎn)解決的問題，公式(6)中包含了提升系統(tǒng)的無(wú)功、有功功率參數(shù)以及母線電壓波動(dòng)的百分比等電能指標(biāo)參數(shù)，針對(duì)該礦井提升系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)能夠綜合的解決功率因素、母線電壓波動(dòng)等問題。根據(jù)計(jì)算TCR支路容量為：

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

在工程設(shè)計(jì)過程中可控電抗器的短路電壓并不完全相同，在設(shè)計(jì)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(wú)功補(bǔ)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(xiàn)=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(shí)際中其調(diào)節(jié)范圍一般為105°~170°，該礦井無(wú)功補(bǔ)償裝置TCR支路采用兩個(gè)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(shí)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(gè)電抗器從而可以避免電抗器短路時(shí)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(bǔ)償系統(tǒng)特征諧波的具體情況進(jìn)行確定的，對(duì)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(cè)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(dāng)濾波支路發(fā)生諧振時(shí)會(huì)對(duì)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(huì)注入電力系統(tǒng)的母線。對(duì)于濾波支路的設(shè)計(jì)主要是確定每一條支路中的元器件的容量、參數(shù)和校驗(yàn)值等。

平均功率因素可以按照能耗計(jì)算法確定，該礦井無(wú)功補(bǔ)償裝置的功率因素目標(biāo)為0.95～0.99,功率因素補(bǔ)償裝置的計(jì)算容量為：

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

式中β為平均負(fù)荷系數(shù)，平均負(fù)荷系數(shù)是指平均負(fù)荷與供電設(shè)備的額定負(fù)荷之比，對(duì)于該礦井提升系統(tǒng)中的負(fù)荷其值取0.7～0.8，Ps為負(fù)荷計(jì)算的最大有功功率，φ1、φ2為系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償前后的功率因素角。在無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行期間其吸收的平均無(wú)功功率為其額定的0.6左右。故濾波器組的無(wú)功功率可按下式計(jì)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(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償容量需要一定的裕量并能進(jìn)行小范圍的調(diào)節(jié)，由公式（13)的計(jì)算結(jié)果可將濾波器組的安裝容量設(shè)定為1.7MVA。對(duì)于第n次濾波支路其基波無(wú)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(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)，補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償裝置的工程應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證該無(wú)功補(bǔ)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(yùn)無(wú)功補(bǔ)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(biāo)的測(cè)試比較，驗(yàn)證了針對(duì)礦井提升系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)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(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析了該無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于礦井供電系統(tǒng)安全、節(jié)能工作的重要意義，在我國(guó)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(jī)提礦運(yùn)行的周期大約為100秒左右，為了更加全面的比較無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后對(duì)穩(wěn)定母線電壓、減少電壓波動(dòng)的效果，對(duì)裝置投運(yùn)前后母線的三相電壓各進(jìn)行了10分鐘的測(cè)試。其母線電電壓測(cè)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(yùn)無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，母線電壓偏低且其波動(dòng)性較大，特別是在提升機(jī)加速啟動(dòng)和減速停機(jī)過程中電壓的波動(dòng)尤為明顯。另外母線的三相電壓存在一定不平衡。投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)電壓在裝置投入的瞬間有小幅的波動(dòng)，但在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的值。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看整個(gè)母線電壓得以提高，其電壓的波動(dòng)性有所降低，特別是在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電壓波動(dòng)較小，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的礦井無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于提高母線電壓并且在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行階段減小母線電壓波動(dòng)具有顯著的效果。

圖6 無(wú)功補(bǔ)裝置投運(yùn)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(yàn)證設(shè)計(jì)的11次、13次單調(diào)諧濾波器組對(duì)系統(tǒng)母線中的特征次諧波的濾波效果，對(duì)裝置投運(yùn)前后對(duì)三相母線中電流諧波分量各進(jìn)行了10分鐘的測(cè)試，三相母線電流11次、13次諧波分量的測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示：

圖7 裝置投運(yùn)前后11次電流諧波分量曲線

根據(jù)圖7、圖8以上測(cè)試結(jié)果分析可知：未投入電容濾波器組進(jìn)行濾波時(shí)，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(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可知其諧波含量超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。11次、13次諧波的畸變率分別達(dá)到了10%、9%以上，在經(jīng)過濾波器組濾波之后，在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(jī)加速啟動(dòng)和減速停機(jī)過程中其諧波電流的沖擊比較強(qiáng)烈波動(dòng)十分明顯。投入濾波器組進(jìn)行濾波之后，諧波電流的含量、波動(dòng)性迅速減小，11次、13次諧波電流的畸變率完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，濾波效果十分顯著。

圖8 裝置投運(yùn)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(yàn)證無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于提高系統(tǒng)功率因素的效果，對(duì)其投運(yùn)前后系統(tǒng)的功率因素進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試比較，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的功率因素曲線如圖9所示。

圖9 無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后功率因素曲線

在未投入無(wú)功補(bǔ)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(dòng)性比較大。在投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)功率因素得到迅速提高，在提升機(jī)運(yùn)行期間其功率因素始終能維持在0.99左右的水平，對(duì)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(wú)功補(bǔ)償和諧波治理技術(shù)在近年來(lái)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(lái)越多的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、補(bǔ)償效果優(yōu)良的無(wú)功補(bǔ)償方法?；赥CR+FC型的SVC無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在柔性交流輸電、工業(yè)企業(yè)、大型民用場(chǎng)合受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。通過投運(yùn)前后電能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)可知：本文中設(shè)計(jì)開發(fā)的補(bǔ)償裝置能夠很好的補(bǔ)償供電系統(tǒng)的無(wú)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(yùn)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(dòng)性減小。對(duì)于提高提升系統(tǒng)的功率因素效果顯著，從投運(yùn)前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程當(dāng)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(duì)電能質(zhì)量的要求。對(duì)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(guó)采礦企業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］ 羅安．電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備［M］.北京:中國(guó)電力出版社,2006:183-195.

［2］ 唐杰,羅安,范瑞祥,等.新型廠礦企業(yè)配電網(wǎng)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方案［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備,2007,27(2):39-43.

［3］ 立軍,安世超,廖黎明,等.國(guó)內(nèi)外無(wú)功補(bǔ)償研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.高壓電器,2008,44(5):463-465.

［4］ AYORDOMOJ G,IZZEDDINEM,ASENSIR. et al.Load and voltage balancing in harmonic power flows by means of static VAr compensators［J］.IEEE Transactions on Power Delivery, 2002,17(3):761-769.

［5］ 陳璇,邵志蘭,徐勇,等.TCR型動(dòng)態(tài)無(wú)功靜止補(bǔ)償裝置用于電力拖動(dòng)［J］.高電壓技術(shù),2002,28(10):52-53.

［6］ 謝玉成.基于TCR+FC型電鐵電能質(zhì)量治理裝置研究及應(yīng)用［J］.電測(cè)與儀表,2010,47(2):45-47,51.

［7］ 張定華,桂衛(wèi)華,王衛(wèi)安,等.混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置及其應(yīng)用研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(2):71-79.

提升機(jī)提礦運(yùn)行的周期大約為100秒左右，為了更加全面的比較無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后對(duì)穩(wěn)定母線電壓、減少電壓波動(dòng)的效果，對(duì)裝置投運(yùn)前后母線的三相電壓各進(jìn)行了10分鐘的測(cè)試。其母線電電壓測(cè)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(yùn)無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，母線電壓偏低且其波動(dòng)性較大，特別是在提升機(jī)加速啟動(dòng)和減速停機(jī)過程中電壓的波動(dòng)尤為明顯。另外母線的三相電壓存在一定不平衡。投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)電壓在裝置投入的瞬間有小幅的波動(dòng)，但在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的值。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看整個(gè)母線電壓得以提高，其電壓的波動(dòng)性有所降低，特別是在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電壓波動(dòng)較小，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的礦井無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于提高母線電壓并且在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行階段減小母線電壓波動(dòng)具有顯著的效果。

圖6 無(wú)功補(bǔ)裝置投運(yùn)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(yàn)證設(shè)計(jì)的11次、13次單調(diào)諧濾波器組對(duì)系統(tǒng)母線中的特征次諧波的濾波效果，對(duì)裝置投運(yùn)前后對(duì)三相母線中電流諧波分量各進(jìn)行了10分鐘的測(cè)試，三相母線電流11次、13次諧波分量的測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示：

圖7 裝置投運(yùn)前后11次電流諧波分量曲線

根據(jù)圖7、圖8以上測(cè)試結(jié)果分析可知：未投入電容濾波器組進(jìn)行濾波時(shí)，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(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可知其諧波含量超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。11次、13次諧波的畸變率分別達(dá)到了10%、9%以上，在經(jīng)過濾波器組濾波之后，在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(jī)加速啟動(dòng)和減速停機(jī)過程中其諧波電流的沖擊比較強(qiáng)烈波動(dòng)十分明顯。投入濾波器組進(jìn)行濾波之后，諧波電流的含量、波動(dòng)性迅速減小，11次、13次諧波電流的畸變率完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，濾波效果十分顯著。

圖8 裝置投運(yùn)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(yàn)證無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于提高系統(tǒng)功率因素的效果，對(duì)其投運(yùn)前后系統(tǒng)的功率因素進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試比較，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的功率因素曲線如圖9所示。

圖9 無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后功率因素曲線

在未投入無(wú)功補(bǔ)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(dòng)性比較大。在投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)功率因素得到迅速提高，在提升機(jī)運(yùn)行期間其功率因素始終能維持在0.99左右的水平，對(duì)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(wú)功補(bǔ)償和諧波治理技術(shù)在近年來(lái)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(lái)越多的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、補(bǔ)償效果優(yōu)良的無(wú)功補(bǔ)償方法?；赥CR+FC型的SVC無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在柔性交流輸電、工業(yè)企業(yè)、大型民用場(chǎng)合受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。通過投運(yùn)前后電能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)可知：本文中設(shè)計(jì)開發(fā)的補(bǔ)償裝置能夠很好的補(bǔ)償供電系統(tǒng)的無(wú)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(yùn)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(dòng)性減小。對(duì)于提高提升系統(tǒng)的功率因素效果顯著，從投運(yùn)前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程當(dāng)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(duì)電能質(zhì)量的要求。對(duì)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(guó)采礦企業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］ 羅安．電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備［M］.北京:中國(guó)電力出版社,2006:183-195.

［2］ 唐杰,羅安,范瑞祥,等.新型廠礦企業(yè)配電網(wǎng)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方案［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備,2007,27(2):39-43.

［3］ 立軍,安世超,廖黎明,等.國(guó)內(nèi)外無(wú)功補(bǔ)償研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.高壓電器,2008,44(5):463-465.

［4］ AYORDOMOJ G,IZZEDDINEM,ASENSIR. et al.Load and voltage balancing in harmonic power flows by means of static VAr compensators［J］.IEEE Transactions on Power Delivery, 2002,17(3):761-769.

［5］ 陳璇,邵志蘭,徐勇,等.TCR型動(dòng)態(tài)無(wú)功靜止補(bǔ)償裝置用于電力拖動(dòng)［J］.高電壓技術(shù),2002,28(10):52-53.

［6］ 謝玉成.基于TCR+FC型電鐵電能質(zhì)量治理裝置研究及應(yīng)用［J］.電測(cè)與儀表,2010,47(2):45-47,51.

［7］ 張定華,桂衛(wèi)華,王衛(wèi)安,等.混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置及其應(yīng)用研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(2):71-79.

提升機(jī)提礦運(yùn)行的周期大約為100秒左右，為了更加全面的比較無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后對(duì)穩(wěn)定母線電壓、減少電壓波動(dòng)的效果，對(duì)裝置投運(yùn)前后母線的三相電壓各進(jìn)行了10分鐘的測(cè)試。其母線電電壓測(cè)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(yùn)無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，母線電壓偏低且其波動(dòng)性較大，特別是在提升機(jī)加速啟動(dòng)和減速停機(jī)過程中電壓的波動(dòng)尤為明顯。另外母線的三相電壓存在一定不平衡。投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)電壓在裝置投入的瞬間有小幅的波動(dòng)，但在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的值。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看整個(gè)母線電壓得以提高，其電壓的波動(dòng)性有所降低，特別是在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電壓波動(dòng)較小，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的礦井無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于提高母線電壓并且在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行階段減小母線電壓波動(dòng)具有顯著的效果。

圖6 無(wú)功補(bǔ)裝置投運(yùn)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(yàn)證設(shè)計(jì)的11次、13次單調(diào)諧濾波器組對(duì)系統(tǒng)母線中的特征次諧波的濾波效果，對(duì)裝置投運(yùn)前后對(duì)三相母線中電流諧波分量各進(jìn)行了10分鐘的測(cè)試，三相母線電流11次、13次諧波分量的測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示：

圖7 裝置投運(yùn)前后11次電流諧波分量曲線

根據(jù)圖7、圖8以上測(cè)試結(jié)果分析可知：未投入電容濾波器組進(jìn)行濾波時(shí)，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(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可知其諧波含量超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。11次、13次諧波的畸變率分別達(dá)到了10%、9%以上，在經(jīng)過濾波器組濾波之后，在提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(jī)加速啟動(dòng)和減速停機(jī)過程中其諧波電流的沖擊比較強(qiáng)烈波動(dòng)十分明顯。投入濾波器組進(jìn)行濾波之后，諧波電流的含量、波動(dòng)性迅速減小，11次、13次諧波電流的畸變率完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，濾波效果十分顯著。

圖8 裝置投運(yùn)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(yàn)證無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于提高系統(tǒng)功率因素的效果，對(duì)其投運(yùn)前后系統(tǒng)的功率因素進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試比較，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的功率因素曲線如圖9所示。

圖9 無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后功率因素曲線

在未投入無(wú)功補(bǔ)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(dòng)性比較大。在投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)功率因素得到迅速提高，在提升機(jī)運(yùn)行期間其功率因素始終能維持在0.99左右的水平，對(duì)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(wú)功補(bǔ)償和諧波治理技術(shù)在近年來(lái)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(lái)越多的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、補(bǔ)償效果優(yōu)良的無(wú)功補(bǔ)償方法?；赥CR+FC型的SVC無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在柔性交流輸電、工業(yè)企業(yè)、大型民用場(chǎng)合受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。通過投運(yùn)前后電能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)可知：本文中設(shè)計(jì)開發(fā)的補(bǔ)償裝置能夠很好的補(bǔ)償供電系統(tǒng)的無(wú)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(yùn)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(dòng)性減小。對(duì)于提高提升系統(tǒng)的功率因素效果顯著，從投運(yùn)前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程當(dāng)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(duì)電能質(zhì)量的要求。對(duì)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(guó)采礦企業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］ 羅安．電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備［M］.北京:中國(guó)電力出版社,2006:183-195.

［2］ 唐杰,羅安,范瑞祥,等.新型廠礦企業(yè)配電網(wǎng)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方案［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備,2007,27(2):39-43.

［3］ 立軍,安世超,廖黎明,等.國(guó)內(nèi)外無(wú)功補(bǔ)償研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.高壓電器,2008,44(5):463-465.

［4］ AYORDOMOJ G,IZZEDDINEM,ASENSIR. et al.Load and voltage balancing in harmonic power flows by means of static VAr compensators［J］.IEEE Transactions on Power Delivery, 2002,17(3):761-769.

［5］ 陳璇,邵志蘭,徐勇,等.TCR型動(dòng)態(tài)無(wú)功靜止補(bǔ)償裝置用于電力拖動(dòng)［J］.高電壓技術(shù),2002,28(10):52-53.

［6］ 謝玉成.基于TCR+FC型電鐵電能質(zhì)量治理裝置研究及應(yīng)用［J］.電測(cè)與儀表,2010,47(2):45-47,51.

［7］ 張定華,桂衛(wèi)華,王衛(wèi)安,等.混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置及其應(yīng)用研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(2):71-79.