煤矿井下低压无功补偿技术探析

《电气开关》（２０１３．Ｎｏ．５）　９　文章编号：１００４—２８９Ｘ（２０１３）０５—０００９—０３　

煤矿井下低压无功补偿技术探析　郭辉　，兰志恒　，宋建成　（１．太原理工大学，山西　太原０３００２４；２．山西汾西机电有限公司，山西　太原０３００２７）　

摘　要：煤矿井下电网普遍存在功率因数偏低的问题，造成供电系统电压降加大和无功电流增大，使得电气设备　启动困难，无功损耗严重。论述了煤矿井下低压供电系统无功现状以及无功补偿技术在井下的发展应用情况，并　且阐述了ｒＩ’ｓＣ井下低压无功补偿装置的设计思想。　关键词：煤矿井下；无功补偿；无功功率；ＴＳＣ　中图分类号：ＴＭ５６　文献标识码：Ｂ　

Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ＧＵＯ　ｈｕｉ　，ＩＡＮ　ｚｈｉ．ｈｅｎｇ　，ＳＯＮＧ　ｊｉａｎ—ｃｈｅｎｇ　（１．Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｆｅｎｘｉ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｌｏｗｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｅｘｉｓｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ，ｗｈｉｃｈ　ｌｅａｄｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｍａｋｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｓｔａｒｔ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｌｙ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｌｏｓｓ　ｓｅ—　ｒｉｏｕｓ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｖｏｈａｇｅ　ｐｏｗｐｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｇｉｖｅ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｃｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅ—　ｔｖｉｃｅ　ｆｏｒ　ＴＳＣ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ；ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ；ＴＳＣ　

Ｉ　引言　煤矿井下电网供电系统由于线路长、用电负荷大、　存在大量感性负荷，这些感性负荷在配电系统中大量　消耗无功功率，从而导致了系统功率因数的降低，造成　供电线路电压降加大和无功电流增大，使电动机起动　困难，供电质量恶化。井下各用电设备长期在功率因　数较低的情况下运行，电网的无功损耗极大。　行在０．４—０．７之间。随着煤炭产量增加，巷道延伸，　负荷增加，井下电能损耗相当严重，这种状况在全国煤　炭系统带有普遍性，而且相当多的矿井没有采取节电　措施。　尽管目前煤矿地面中央变电所通常装设高压集中　无功补偿装置来提高功率因数，但只能补偿母线补偿　点之前供电线路上的无功功率，而该母线后即负荷方　向的电网没有得到有效补偿。　

２　煤矿井下低压供电系统无功现状　３　煤矿井下低压无功补偿技术的发展应用　由于井下机械化设备不断增加，煤矿已成为工业　系统耗能大户，电力消耗在煤矿生产成本中占有很大　比例。从节电情况看，虽然加强了用电管理，推广了部　分节电产品，但远远没有达到国家对重点煤矿企业节　能降耗的要求。　煤矿井下采、掘、开、运、通系统，功率因素长期运　

地面无功补偿技术已经由传统的同步调相机、并　联电容器发展为占主导地位的静止无功补偿装置　（ＳＶＣ），ＳＶＣ可分为接触器投切电容器（ＭＣＣ）、晶闸　管投切电容器（ＴＳＣ）、晶闸管控制电抗器（ＴＣＲ）以及　两者组合（ＴＳＣ＋ＴＳＲ）、磁控电抗器（ＭＣＲ）等多种类　型，在不同应用场合都有大量的应用。比ＳＶＣ更为先　ｌ０　《电气开关》（２０１３．Ｎｏ．５）　进的静止无功发生器（ＳＶＧ）近年来也开始应用于一些　场合，技术不断发展成熟。　无功补偿技术近几年开始应用于煤矿井下低压供　电系统，由于环境的特殊性，需要综合考虑补偿装置的　安装空问、防爆性能、设备成本、散热等问题。目前国　内井下低压无功补偿装置大多采用交流接触器投切电　容器组的方式，该方式价格低廉、控制简单，有一定的　推广优势。但此类产品在应用中有明显的弊端，一是　合闸涌流大，易烧损接触器触头，缩短电容器的使用寿　命；二是开关工作频率低，难以快速跟踪补偿，切换周　期一般为１０—３０ｓ，在两次切换之间，无论用户负载电　流如何变化，补偿装置仍按原数据补偿，容易造成过补　或欠补。　近年来，晶闸管投切电容器（ＴＳＣ）得到了普遍重　视。由于具有过零检测、过零触发的优点，响应速度　快，合闸涌流小，无操作过电压，无电弧重燃，从而基本　上解决了交流接触器投切时经常拉弧甚至于烧结而损　坏的不良情况。但其自身也存在着明显的不足，主要　为成本较高；对晶闸管过零触发控制电路性能有较高　的要求；晶闸管运行中的电能损耗和发热问题不可忽　视，必须采用相应的散热降温措施。目前一般采用晶　闸管和交流接触器并联的复合开关对电容器组进行投　切控制，既充分利用了晶闸管的过零投切无涌流、快速　跟踪补偿等优点，也充分利用了接触器导通功耗低、容　量大及工作安全可靠等优点。　４　ＴＳＣ低压无功补偿装置　４．１　ＴＳＣ关键技术　ＴＳＣ的关键技术是投切电容器时，主回路无电流　冲击。选取投入时刻的总原则是，电容器投入的时刻　即晶闸管开通的时刻，必须是电网电压与电容器预先　充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加　在电容器上的电压有阶跃变化时，将产生冲击电流，很　可能破坏晶闸管或给电网带来高频振荡等不利影响。　理想状态是电容器预先充电至电网电压峰值，而　且晶闸管在正弦波电源电压的正或负峰值点时触发。　Ｊ．．　因为根据电容器的特征方程：，　＝Ｃ　ＩＬＬ／，，如果在导通前　Ｕｂ　电容器充电电压等于电网电压峰值，则在电网电压峰　值点投入电容器时，由于在这一点电网电压的变化率　为零，因此电流　为零。　４．２晶闸管阀组电路结构　煤矿井下供电为中性点不直接接地的三相三线　制，为了使电容器在投入前与切除后始终保持在电网　电压峰值，形成电容器预充电回路，从而选用“２控３”　的晶闸管电路结构。“２控３”结构（如图１所示）为：　用两组半导体开关器件控制三相电容器的投入或切　除。在“２控３”电路中，每路晶闸管阀组可以由两个　反并联的晶闸管或者一只晶闸管和一只二极管反并联　组成，但在三相三线制供电系统中，采用两个反并联的　晶闸管形不成上述的电容器预充电回路。　

晶闸管　Ａ　Ｂ　Ｃ　

串　、　ｌ　‘　

卜＿　接触器　

：电容器　图１“２控３”电路结构不蒽图　采用晶闸管与二极管反并联的“２控３”结构方　式，电容器投入前其电压总是维持在电网电压的峰值，　

一旦电容器电压比电网电压峰值有所降低，二极管都　会将其电压充电至电网峰值电压。只要在电网电压峰　值时触发晶闸管，就可避免电流冲击，但是，由于二极　管是不可控的，当要切除电容器支路时，最大的时间滞　后为一个周波，因此其响应速度比两晶闸管反并联方　式稍慢。　

５　结语　在煤矿井下低压供电系统（１１４０Ｖ、６６０Ｖ）装设无　功补偿装置，可用在综采工作面移动变电站二次侧对　线路进行集中补偿，也可用在井下变电所干式变压器　二次侧或掘进、开拓等系统供电变压器二次侧对大容　量用电设备进行单独补偿。使用补偿装置对供电网络　进行补偿后，可以提高功率因数，减少线路无功电流，　降低线路损耗和变压器损耗，节约电费。同时也以提　高线路端电压，解决用户电气设备启动困难的问题。　参考文献　［１］　王兆安，杨君，等著．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北京：机械工　业出版社，２００５．　［２］　陆安定．功率因数与无功功率［Ｍ］．上海科学普及出版社，２００４．　（下转第ｌ９页）　《电气开关》（２０１３．Ｎｏ．５）　１９　妻嚣竺　篓　比，改进的　ＰｗＭ　５结论　在充分体现了其计算简便的特点。　一～　

图５　Ｔｏ　ｐｌ、Ｔｏ　Ｐ２和Ｔｏ　切换时刻的求解电路　

Ｔｃｍｐ３￣波形　图６传统ＳＶＰＷＭ的　ｐｌ、　ｐ２和　ｐ３波形　

ｘ１０　Ｔｃｍｐ２￣　Ｖ瓣　薹莲　…・　一ｔ．　…．　／：　

０　０　００５　０．０１０　０．０Ｉ５　０．０２０　０．０２５　０．０３０　０　０３５　０．０４０　Ｔｃｍｐ３的波形　

图７改进ＳＶＰＷＭ的　ｍｐｌ、　ｐ２和　Ｐ３波形　

本文基于传统的ＳＶＰＷＭ算法原理，详细的推导了　改进的ＳＶＰＷＭ算法，并在ＭＡＴＬＡＢ中通过仿真和分析　证明该方法的有效性。该方法与传统的ＳＶＰＷＭ算法　相比，不需要扇区变换，简化了复杂的三角函数、坐标变　换等运算。改进的ＳＶＰＷＭ关键在于求解　ｉ　，可不经　扇区判断，即可计算出空间矢量调制的Ａ、Ｂ、ｃ三相开　关电压时间切换点。从而减少大量的运算。　参考文献　［１］Ｋｒｕｇ　Ｈ　Ｐ，Ｋｕｍｅ　Ｔ，Ｓｗａｍｙ　Ｍ．Ｎｅｕｔｒａｌ－ｐｏｉｎｔ　ｃｌａｍｐｅｄ　ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ　ｇｅｎ—　ｅｒａｌ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｉｎｖｅ￣ｅｒ－ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｂｅｎｅｆｉｔｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｃ］．３５ｔｈ　Ａｎｎｕａｌ　ＩＥＥＥ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｇｅｒｍａｎｙ，２００４．　［２］　田玉超，刘勇，丛望．ＳＶＰＷＭ算法控制三电平逆变器仿真［Ｊ］．应　用科技，２００５，３２（２）：３７—３９．　［３］　张纯江，漆汉宏，空间矢量ＰＷＭ与正弦ＰＷＭ的比较研究［Ｊ］．信　息技术，２０００（５）：１—２．　［４］浦志勇，黄立培，昊学智．三相ＰＷＭ整流器空间矢量控制简化算　法的研究［Ｊ］．电工电能新技术，２００２，２１（２）：５６—６０．　［５］　宋文详，陈国呈．三电平中点箝位式逆变器ＳＶＰＷＭ方法的研究　［Ｊ］．电工电能新技术，２００４，２３（４）：３０—３３．　［６］　孟永庆，沈传文，刘正，等．基于零序电压注入的三电平中点箝位　整流器中点电位控制方法的研究［Ｊ】．中国电机工程学报，２００７，２７　（１０）：９２—９７．　［７］　明正峰，钟彦儒．ＳＶＰＷＭ技术在零电压过渡三相逆变器中的应用　研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００２，２２（６）：５６—６１．　［８］　张兴，张崇巍．ＰＷＭ可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究　［Ｊ］．中国电机工程学报，２００１，２１（１０）：１０２—１０５．　［９］　毛鸿，吴兆麟．基于三相ＰＷＭ整流器的无死区空间矢量调制策　略［Ｊ］．中国电机工程学报，２００１，２１（１１）：１００—１０４．　［１０］　何广明，何凤有，殷沐林，等．ＳＶＰＷＭ坐标分量法的研究与实现　｛Ｊ１．电力电子技术，２０１１，２５（１１）：５６—５８．　［１１］　周卫平，昊正国，唐劲松，等．ＳＶＰＷＭ的等效算法及ＳＶＰＷＭ与　ＳＰＷＭ的本质联系［Ｊ］．中国电机工程学报，２００６，２６（２）：１３３—１３７．　【１２］　熊健，康勇，张凯，等．电压空间矢量调制与常规ＳＰＷＭ的比较　研究［Ｊ］．电力电子技术，ｌ９９９（１）：２５—２８．