煤矿压风机低压供电系统动态无功补偿研究

煤矿压风机低压供电系统动态无功补偿研究
发表时间：2018-03-13T16:24:34.447Z 来源：《电力设备》2017年第30期作者：张彦博[导读] 摘要：采用无功功率动态补偿装置，能根据系统无功功率变化及时调节无功补偿容量，稳定系统电压，保证电压质量，提高用电设备的功率因数，达到节能降耗，保证设备稳定安全可靠运行。

（兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿山东济宁 272072）
摘要：采用无功功率动态补偿装置，能根据系统无功功率变化及时调节无功补偿容量，稳定系统电压，保证电压质量，提高用电设备的功率因数，达到节能降耗，保证设备稳定安全可靠运行。

关键词：压风机；低压供电；动态无功补偿
引言
济宁二号煤矿压风机房于1998年投入运行，矿井投产初期压风机房内安装投运220kW空压机3台，安装2台800kVA变压器，2台变压器除了为3台空压机供电外，同时为压风机房周围的其它低压动力供电。

随着矿井的开拓延伸，井下用风量不断增加，目前空压机已增加为9台（其中220kW空压机7台，260kW空压机1台，260kW注氮机1台），压风机房供电变压器的容量也扩容至2台1600kVA的变压器。

但压风机房用于补偿感性负载的补偿电容装置仍为矿井投产初期安装运行的固定式补偿电容器，存在以下问题：不能根据无功功率及电压的变化进行自动跟踪补偿，补偿容量已远不能满足要求。

压风机房用电负荷长期出于欠补状态，在欠补状态下，会造成系统运行电流增大，增加损耗，使系统电压降低。

1煤矿压风机低压供电系统动态无功补偿实施的必要性及意义
1.1实施的必要性：
采用无功功率动态补偿装置，能根据系统无功功率变化及时调节无功补偿容量，稳定系统电压，保证电压质量，提高用电设备的功率因数，达到节能降耗，保证设备稳定安全可靠运行。

实现无功功率补偿，提高功率因数对电力系统运行有重要的意义：（1）减少发配电设备容量。

无功功率的增加，导致电流的增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器、起动及控制设备和导线等电气设备容量增加。

同时，电力用户的起、控制设备及测量仪表的尺寸和规格也要加大。

因此对配电网络进行无功功率补偿可以提高设备利用率，减少发配电设备容量。

（2）减少供电设备及线路损耗。

无功功率的增加，使总电流增大，因而使供电设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。

（3）降低变压器及线路的电压降。

变压器及线路的电压降增大，使供电网电压产生波动。

在电网中，有功功率的波动一般对电网电压的影响较小，电网电压的波动主要是无功功率的波动引起的。

如果是冲击性无功功率负载，还会使电网产生剧烈的波动，甚至发生事故。

1.2无功补偿控制原理的研究
在我国电力行业标准中，按控制物理量的不同，把低压无功功率补偿控制器控制策略分为以下几类：无功功率、无功电流、功率因数、电压、电流、时间和综合型。

根据单一物理量进行控制总不能满足实际运行的需要。

如单独按功率因数补偿，负荷在低谷时，有功功率和无功功率都较小，功率因数也低，常有投切振荡现象发生，影响设备的安全使用寿命。

随着计算机测控技术的发展，多变量控制也得到了实现。

合理的无功补偿应做到以下几点：最大限度地利用补偿设备提高电网的功率因数；不发生过补偿；无投切振荡；无冲击投切；反应灵敏、迅速。

按电容器安装的位置不同，低压电网利用并联电容器进行无功补偿的方式通常采用低压集中补偿方式、分散补偿方式和用户终端就地补偿方式，情况如下图1所示：
图1 低压无功补偿方式示意图
2项目设计思路
从外部特性和各项指标及用户反映的情况来看，现有功率因数存在以下问题：
（1）容易发生“投切振荡”现象
所谓“投切振荡”是指在某些负荷下，若投入一组电容器，功率因数超过规定的上限：若切下这组电容器，功率因数又低于下限，因此发生反复投切现象。

这种现象的发生，一方面与电容器的分组数及容量有关：另一方面也与控制器的功率因数上、下限设置范围以及调节时间有关。

需要从控制器的功能设计上加以解决。

（2）投切方式不合理
现有控制器多数采取“顺序投切”方式。

在这种投切方式下排序在前的电容器组先投后切，而后面的却后投先切。

这不仅使处于前面的电容器组经常处于运行状态，积累的热量不易散失，影响其使用寿命，而且使后面的投切开关经常动作，同样减少寿命。

合理的投切方式应为“循环投切”。

这种投切方式使先投入运行的电容器组先退出，后投入的后切除。

从而使各组电容器及投切开关使用几率均等，降低了电容器组的平均运行温度，减少了投切开关的动作次数，延长了使用期限。

（3）结构设计不合理
现有自动控制器应具备手动和自动控制两种功能，当自动部分出现故障时，可转换手动部分继续工作。

但由于大多数控制器设计为“一体化”结构，所以无法对自动部分进行在线检修，要检修只能整机退出。

因此我们有必要深入研究，在吸取国内外同类产品经验的基础上解决目前控制器所存在的种种问题，使无功自动控制装置达到完善。

根据控制物理量选择的不同，所采取的控制方法也多种多样。

较为合理的补偿装置应最大限度提高电网的功率因数，且不发生过补偿，无投切振荡，无冲击投切，控制过程反应灵敏、迅速。

通过该方案的实施，按照控制物理量的不同无功补偿装置分为：无功功率补偿、无功电流补偿、功率因数补偿及综合型补偿。

对单一物理量进行控制，有其不足之处。

如把功率因数作为投切电容器的唯一判据，不能满足实际电网运行的需要，当负荷低谷时，有功功率和无功功率都很小，功率因数也很低，常有投切振荡发生，影响设备的安全使用寿命。

若系统以某一物理量作为控制主判据，另一物理量作为辅助判据，实现多变量的综合控制。

如按功率因数控制，电压校正；按无功电流控制，电压校正；按无功功率控制，电压校正；按时间控制，按负荷无功校正；按电压控制，按负荷无功校正等。

3控制策略的确定
（1）按无功功率控制
根据测得的电压、电流和功率因数等参数，计算出应该投入的电容容量，然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容投切一次到位。

如果计算值小于最小一组电容器的容量，则应保持补偿状态不变。

只有当所需容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。

（2）按无功电流控制
用负荷无功电流作为控制量，是考虑到当前电压变化时得到更准确的补偿效果。

根据无功电流分量的大小投入电容器组，使电容器提供的容性电流补偿电网中的感性无功电流。

这是一种比较理想的控制方式，但无功电流的准确、快速检测有一定难度。

（3）按功率因数cosΦ控制
根据预先设定的整定功率因数cosΦmin和cosΦmax，由检测到的电网实际功率因数控制所需补偿的电容容量，电容器组投入后，只有当cosΦmin＜cosΦ＜cosΦmax，且电压不超过允许值时，才能运行稳定。

另外，功率因数只是无功分量三个因素之一，并不能准确反映电网中负荷的无功分量的大小，往往造成电网重载时补偿不充分，而轻载时容易产生投切振荡。

（4）按电压控制
电压控制方式利用无功负荷增大时，母线电压下降的特点，以保持安装点电压在一定范围内为目的，多用于集中负荷点的电压调整。

当电网电压超过给定值的上限时，控制电容器组使其从系统断开。

但是，电容器只能发出容性无功功率，提高电压；而不能吸收感性无功功率，降低电压，因此，只在重负荷时投入，轻负荷时部分甚至全部切除。

（5）按电流控制
在功率因数保持一定的前提下，尽管负荷有大小的变化，但负荷的无功功率基本上可认为和负荷电流成正比，则可以通过检测负荷电流来对电容器组进行投切。

这种方式比较简单，但负荷功率因数往往不能满足一定不变的条件，一般少用。

结束语
增加动态无功补偿装置后，在使功率因数得到提高的同时能够有效地稳定系统的运行电压。

提高系统功率因数能够提高设备利用率、增加输电线路的输电能力和降低线路损耗；稳定的供电电压增加设备使用寿命。

参考文献：
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