煤矿低压系统动态无功补偿优化

刘天野

（中北大学 计 算机与控制工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

随着煤矿井下采掘等设备的现代化程度提高，煤矿供电系统出现了“3大1低”的问题，即冲击负荷大、线损损耗大、谐波含量大、功率因数低等问题。为此，需要通过改善矿区电能质量来保证矿区供电系统的稳定。在低压侧进行无功补偿，可以达到提高功率因数、降低线损、提高矿区电能质量、保证煤矿电网输出电压稳定的目的。

1 煤矿低压系统无功补偿

1.1 无功补偿类型

无功补偿的实现方式包括2类，即静态无功补偿和动态无功补偿。

静态无功补偿采用电容器或电抗器进行无功功率调节。负荷中感性负荷（主要为电动机）很大时，传送的感性无功增大，这种情况下，在电网变电站低压侧母线处并联电容器，其发出的容性无功可以就近平衡感性无功功率，进而降低变电站高压侧至电源间的感性无功传输。采用电容器无功补偿的优点是投资少、损耗小、调压效率高［1］。当输电线路上输出的感性无功功率小于容性功率时，线路无功功率呈容性，系统电压跳跃升高，此时需要进行感性无功补偿，补偿方式是并联电抗器，利用电抗器的感性无功平衡过量的容性无功。谐波是危害电网电能质量的主要因素之一，并联电抗器的另一作用是和电容器串联进行滤波，降低谐波危害［2］。

动态无功补偿采用IGBT电力电子技术，具有静态补偿设备所不具有的优点，即可实时切换感性和容性无功功率的输出；此外，在容量的选择和安装面积上，动态补偿也较静态补偿低，这些特点决定了动态补偿在煤矿低压系统中的广泛应用［3］。

煤矿低压系统中常见的动态无功补偿结构原理如图1所示。其中LC回路的作用有两个：①是对电网中可能产生的高次谐波进行滤波；②由于电容的存在，可输出无功，故可提供容性无功，这就是它所具有的无功补偿的作用。这一电路设计的缺陷是当线路轻载或空载时，LC回路会出现极端情况，即无功功率的过补偿。为了保证矿区供电的稳定，通过设计具有可调性的电抗器这一环节，利用可调电抗产生的感性无功来避免LC回路过补偿情况出现［4，5］。这一方法在煤矿低压系统低压母线侧中逐渐得到应用。

图1 动态无功补偿器结构图

1.2 动态无功补偿特点

大功率电子器件高频开关的作用是实现无功功率的转换，应用于动态无功补偿设备中可满足煤矿电网无功补偿的要求，实现无功功率的快速补偿调节，从而确保矿区的电压稳定。动态无功补偿装置在煤矿中的应用具有如下优点：

（1）具有更多的调节治理功能。矿区根据自身用电设备配置和低压系统的设计，安装合适的无功补偿设备，不仅可以调压，还具有治理谐波、调节负序电流大小的功能。

（2）实时调节电压阶跃。动态补偿设备面对电压闪变阶跃时，响应速度极快，大容量的补偿设备调节比高达10∶1，做到了实时监控调节电压。

（3）响应时间短。补偿设备响应时间在10 ms之内，可在极短的时间内完成功率转换。面对冲击负荷较大的矿区线路时，这种响应时间可以瞬间做出判定，实现功率补偿。

（4）设备适用范围更宽。补偿设备不论是从额定容性无功功率到额定感性无功功率的转换，还是从额定感性无功功率到额定容性无功功率的转换，输出的功率随系统电压的变化而变化，其控制特性如图2所示。

图2 动态无功补偿设备控制特性

2 动态无功优化

在矿区传统无功补偿技术基础上，通过无功最优分布来确定补偿容量的准确值，并在极端情况下最大限度地降低无功压降对低压系统的破坏。在矿区低压侧实行无功最优分布，就是通过建立目标函数，确定补偿节点与补偿容量之间的关系式，通过优化无功补偿达到最终降低有功功率损耗的目的。当电力网中补偿节点的总数为n时，补偿容量Q的目标函数可以写成如下表达式：

其中：Δp∑为电力线线损功率；Qc1，Qc2，…，Qcn为节点1，2，…，n补偿的无功功率；Qci为第i个节点补偿电容Ci对应的无功功率。

通过公式变换，最优分布的约束条件等效为：

其中：Qc∑为矿区n个节点总补偿电容之和对应的无功功率。

将式（1）和式（2）进行拉格朗日数乘法得到的拉格朗日函数式为：

其中：λ为拉格朗日乘子。

将该拉格朗日函数对变量Qci求偏导，根据拉格朗日数乘法令其偏导等于零，有：

由式（4）可得矿区中总的补偿容量Q∑ 在各补偿点之间实行最优分布的协调方程为：

公式（5）为矿区无功补偿等网损微增率条件，式（2）是无功补偿给定总补偿容量的约束条件。运用无功最优算法便可求解出矿区低压系统无功平衡条件下网损最小的无功功率分布。在煤矿无功补偿的设计中，运用动态无功优化算法进行矿区无功补偿能够实现低压系统无功优化分布。

3 小结

本文针对煤矿低压供电系统中功率因数低、电能质量不稳等问题，对煤矿低压系统无功功率补偿进行了研究，并提出了煤矿低压系统无功补偿优化算法，在矿区低压系统无功平衡条件下达到网损最小的目的。

［1］ 黄东南，王国金，盛志波，等.静止无功补偿装置在电网中的应用［J］.电气时代，2009（3）：11－14.

［2］ 王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［3］ 刘永超，姚军.国内外无功补偿装置的发展历程、现状及趋势［J］.工程技术，2005（2）：12－13.

［4］ 王长善，张卫星，范文涛.磁阀式可控电抗器的控制回路及其控制特性［J］.电力科学与工程，2005（1）：46－49.

［5］ 单铁铭，杨仁刚.磁饱和式可控电抗器在无功补偿中的应用［J］.电测与仪表，2004（10）：36－37.