基于STATCOM矿井电力系统无功补偿技术

□张海东

（霍州煤电集团云厦公司矿建分公司 山西 临汾 031400）

基于STATCOM矿井电力系统无功补偿技术

□张海东

（霍州煤电集团云厦公司矿建分公司 山西 临汾 031400）

我国采矿企业中运用的功耗最大和大范围的功率设备矿井电气设备，矿井电气系统在使用过程中需要经常启动关闭，在工作过程中它需要频繁的启动、运行和停机，这样就会给煤矿电力系统带来很严重的无功冲击。本文主要分析无功补偿技术原理，对于无功补偿技术对矿井电力系统特点进行研究，并且设计STATCOM矿井无功补偿系统和调整单元，对于提高矿井电能安全运行和提高生产效率具有重大的意义。

矿井；提运系统；电动机；STATCOM；无功补偿

井下和地面电力系统基本上是一样的，在井下频繁使用大功率电动机会使得电力系统负载急剧上升。无功功率传输会在输电线路中产生很大的的有功损耗，这样电压就会在输电线路末端降低，井下电网功率上升，在输电网路的安全性一定程度上降低和电能使用效率。矿井下的工人和设备矿产品等都是靠提运系统来进行运输的，提运系统在使用的过程中要随时启动停止加减速，无用功在提运系统的使用过程中的变化很大，能造成电力系统的主线电压不稳定，造成供电系统功率因数低，致使大量的电能严重浪费，进而影响电网系统中的用电设备。实践中，基于对井下电网布设情况综合考量，笔者建议采用无功补偿手段，来提高其输电能力，使无功损耗得以降低。值得一提的是，矿井电力系统中，建议采用STATCOM无功补偿技术方法，从应用效果来看非常的显著。

1 无功补偿技术概述

所谓无功补偿，电网的功率因数是依靠无功补偿来提升的，以此保障电能有效应用。以接入方式和方法为依据，电网以及无功补偿设备和的接入存在较大的差异，通常情况下包括两种，一种是串联型补偿方式，另一种则是并联型补偿方式。前者是将电容、电抗器等串联起来使用，以实现无功补偿之目的。然而，该种无功补偿方式，可能会造成电网的不稳定和安全性；后者是将电容、电抗器等并联在电网系统之中，操作方便，对电网系统影响不大。实践中，根据补偿量变化情况做出适当的调节，既可以采用静态式的无功补偿（即所谓的STATCOM），也可以采用动态式的无功补偿。其中，STATCOM技术只要功能是采用不同种类的电抗、电容器实现无功处理，从而稳定电网功率因数。对于动态式的无功补偿设备而言，依靠功率因数变化情况，动态的利用电容器对无功进行优化处理。就静态无功技术而言，其采用多种类型电抗或者电容器来处理多余的无功的能力，STATCOM技术主要是采用晶闸管很好的控制能力以达到可以安全可靠的控制电气元件，快速的判断能力是晶闸管的功能特征，迅速反应控制信号。与此同时，STATCOM技术不用使用人为接触来保证控制件的判断，STATCOM技术判断次数理论上会受到一定的局限。实践中，一旦电网电压出现波动，此时无功补偿器可以迅速作出调整，来对电网系进行动态的无功补偿。同时还可以对三相电路进行分相无功补偿，具有很强的适应能力来应对冲击负荷以及三相不平衡负荷，以此来提高无功冲击应对效果。

2 矿井电力系统中的STATCOM无功补偿机理分析

STATCOM矿井无功补偿技术其工作原理是直接调节电压和电流与相角，来达到实时动态处理无功电流，实现电网功率因数稳定的目标，以此能动态的对电网系统运行进行无功补偿。在此过程中，STATCOM技术应用时，基于IGBT以及GTO电气元件应用基础上的逆变电路，将直流电压有效的转变成电压频率一致的交流侧电压。在矿井STAT-COM无功补偿技术应用过程中，输出电流不会对电网电压产生影响，无功补偿在电网电压的情况下尤其明显，传统无功补偿技术跟与 STAT-COM矿井无功补偿技术对比，STAT-COM矿井无功补偿技术的响应快、移动方便等优点，能实时处理无功电流，以保证电网安全稳定运行。

在感性或荣性工况的工作情况下，STATCOM都可以安全稳定运行，在感性工况和荣性工况有不同的相量图，如图1所示。由表中得出，经STATCOM的交流电压，以UI表示，US表示为基于STATCOM技术的电网系统运行时的电压，UL表示的是等效阻抗电压，Φ表示为阻抗角。δ表示US以及UI间相位差，δ正值时代表的是因US滞后UI所致；当前为δ为负值时，则是因US超前UI导致的。

当US高过UI的工况下，则STATCOM处在容性工作下，煤矿电网电压US延迟于电流I，STATCOM进行感性的无功，提供给煤矿电网无功补偿，以此电网的功率因数的到稳定恒定。

当US延迟于UI时，说明STATCOM正在处于一种感性运作状态，当矿井电压US超过电流I时，则STATCOM进行容性的无功，供给矿井电网无功补偿，从而稳定电网的功率因数。实践中，如果STATCOM技术对矿井电网系统发出感性无功功率，那么电网功率因数会维持恒定状态，Q=3US22rsin2δ为无功功率的表达方程式。在表达方程式中，Q代表STATCOM对矿井电网发出总无功功率。如果δ＞0，那么Q为正值，此时STATCOM向矿井电网系统发出容性无功；如果δ＜0，那么Q为负值，此时STATCOM向矿井电网发出感性无功。基于上述公式对其进行计算，通过δ调解数值正负，这样可以实现对矿井电网的无功多余无功处理，一旦出现无功缺少现象，则可及时给出无功。对δ值进行适当的调整，可以实现平滑的调解STATCOM向煤矿电网给出容性或者感性无功数。但电流源、电压源在实际运行过程中，无需有功支持。电网系统容性或者感性状态时，STATCOM交流变电压以及电流，均为正交。

3 STATCOM矿井无功补偿技术实践

STATCOM电流利用数字信号处理器（DSP）强大处理能力间接调整，主要包括DSP、高精度电压互感器、高精度电流互感器等，STATCOM的直流侧电容的电压和三相电压源的电压的测量主要是依靠高精度电压互感器V1、V2进行的；电网电流、负载电流和STATCOM交流边电流是通过高精度电流互感器A1、A2、A3分别来测量；利用低通滤波器来对电压互感器和电流互感器输出信号进行滤波处理，低通滤波器输出的信号采用芯片转换成数字量后发给DSPDE的端口，DSP进行内部运算得到补偿角δ，同时信号同步给电网电压，从而发出命令触发脉冲，把逆变桥通顺。在STATCOM煤矿电网无功补偿中的数据运算和调整是真个调整过程的重中之重，通过对电压、电流等的运算，将触发脉冲用DSP为主的调节单元得以完成。调节单元的响应和安全性将关乎整个煤矿电网的无功补偿有效性。调节单元的结构大多选择数字信号处理器作为调节部分的核心，反馈的信号只要使用在采集的煤电电网的信息，可以采用编程逻辑器件使用在产生触发脉冲，输入的控制指令的方式只要用键盘，系统的参数和当前状态主要用显示器显示。

图1 STA TCO M不同工况下相量图

结束语

电网的智能化于矿井的智能化事先下采矿领域趋势所在，电力系统的无功实时测量与有效补偿是智能化电力系统发展势必所在。在结合基STATCOM矿井无功补偿技术工作原理基础上，进行电力系统无功补偿的设计，当中包含电参数测量电路、无功调节电路等数据。经过实践分析：STATCOM矿井无功补偿系统可以依靠电力系统实时运行状况来进行调解无工量，此系统的测量精度高、反应迅速、稳定性好等优点，满足矿井电网对无功补偿的需求。

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1004-7026（2016）17-0113-02

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10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2016.17.087