基于SVG的煤矿供电无功补偿技术研究

张香平

（大同煤矿集团挖金湾煤业有限责任公司，山西 太原 037042）

关键字：供电；无功补偿；SVG；功率因数

0 引言

在现代化的煤矿企业的供电网络中，主要存在的负载有皮带机、采煤机、提升机、空压机等。根据各设备的运行特性和分析改善供电网络性能，可将其分为感性负载和非线性负载。其中感性负载包括皮带机、采煤机、空压机等，非线性负载主要是提升机。对于感性负载，其在运行时功率因数比较低，启动和停车过程中，功率因数特别低，产生的无功功率会对电网形成冲击。这种情况，不但会使煤矿的电能损耗增加，而且会大大降低其利用率，同时也会对电网本身的电压造成波动影响。对于提升机等大功率非线性负载，在调速过程中，也会产生大量的谐波，并反向作用于供电网络，造成供电电压波动、甚至出现瞬时跳变的情况。这些情况同样也会增加煤矿的电量消耗、供电质量下降。

本文的研究目的是利用静止无功发生器，提高功率因数，减小无功电流，进而可以减小煤矿供电系统的损耗，减少煤矿企业经营的生产成本。

1 控制策略/工作原理

1.1 SVG简介

静止无功发生器（Static Var Generator-SVG），是建立在瞬时无功功率概念的基础上，配合逆变电路实现无功补偿。其逆变电路由门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor-GTO)组成。具体的措施是：调节晶闸管的导通闭合角度，从而实现对逆变电路的控制，改变输出的无功功率。

1.2 控制策略

变流器的逆变电源是SVG直流侧电容电压，在系统电压值稳定时，可以通过控制逆变器输出的无功电流的大小，实现对供电系统输出的控制，从而控制无功功率的大小。因此，确定控制策略的本质是如何控制系统中的无功电流值。

1.3 电流直接控制

电流直接控制，顾名思义是对无功电流的直接控制。在实际应用过程中，静止型无功发生器可以根据自身的控制算法，自行调节无功电流值，从而实现无功补偿，不需要测量交流电压基波的相位和幅值。最常用的技术是PWM技术，即脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation—PWM）。在控制过程中，在基于SVG无功补偿供电系统中，直接测量无功电流，并对其进行控制，最终完成无功功率的控制。根据上述电流直接控制的过程可知，系统的电流信号处于实时监测状态，其无功发生器的控制也就随之处于实时控制中，因此该控制方法较电流间接控制的精度和速度要高。

2 系统设计

2.1 SVG系统设计

系统共安装两套无功补偿装置，容量为8Mvar，分别位于两段10kV母线上，两台无功补偿装置通过母联开关联接。装置的主要组成部分包括：主控器、采集模块、PWM脉冲输出及放大电路，IGBT模块等。

在装置的设计选型过程中，主要对无功发生器、功率模块、主控器进行了比对选型。对于静止无功补偿器，主要有电压型和电流型两种，由于电压型的补偿效果和性能指标比电流型要好。对于功率模块，为了使无功补偿装置最终的性能良好，选用了兼具MOSFET和GTR的性能的双极IGBT。对于控制器，根据前述的控制过程和控制原理，选用了信号处理能力突出、工业抗干扰能力强的TMS320F2407型DSP芯片。

在本研究中所涉及的供电系统改造过程中，采取了的是多个H桥串联的形式，IGBT功率模块可以分布在每个H桥内，这样做的目的是均分母线电压，然后再将其以星型方式连接。IGBT的主要选型参数包括关断峰值电压和尖峰电流。具体选型参数确定如下：

当输入的高压电压为10kV时并且每个H桥单元的限定电压为1000V，计算无功补偿

发生器所需的无功补偿模块个数，如式所示，因为各个模块全部串联在一起:

式中：U0为一次侧有效电压；Ui为单个无功补偿模块的额定电压。

在计算选型过程中，安全裕量系数k2取1.1，过电压保护系数ku取1.15，考虑到电压Ue等对峰值电压的影响，则峰值电压UCESP计算过程如下：

而尖峰电流Imax的计算过程中，取基波电流峰值裕量为1.3，则Imax的计算过程如下：

确定了如上两个参数之后，通过查询配件的数据手册，可知Mitsubishi的CM200DY 34A型IGBT的峰值电压1700V，尖峰电流为200A，符合上述计算所得的数据，因此确定选取该型号的IGBT.

2.2 硬件电路设计

SVG的控制是本研究中所涉及的无功发生器的控制核心。它的控制任务是确定目标控制值、实时监测供电电网的运行情况、计算无功补偿装置的无功功率。其输出的控制信号，作为IGBT的触发信号，控制IGBT，实现无功补偿装置输出电路的通断，最终完成无功补偿的目的。SVG的硬件电路如图1所示。

图1 SVG硬件电路框图

如图1所示，用于信号检测的电压互感器和电流互感器，分别用于实时监测供电系统中的实时的电压值和电流值。采集到的电压和电流信号进入到信号调理模块，经过该模块处理后，可将互感器检测到的信号即时转换为标准的模量信号，并输入到主控制器DSP中。DSP内置的数模转换模块，可以完成上述模拟信号的转换，并作为进一步的处理和显示信息存储在DSP的存储区域。DSP内部程序，采用ip-iq法，对数据进行分析处理和计算，得出瞬时无功功率、对应的电压值，再通过空间矢量控制算法，计算出IGBT的触发信号值，通过PWM模块，向IGBT输出触发脉冲，IGBT根据触发信号完成无功功率的控制。这就是基于SVG的煤矿无功补偿装置的工作过程。

3 应用

将所设计的无功补偿装置应用于现有的供电线路中，进行测试和结果分析。

3.1 供电情况

煤矿变电站的进线电压为35kV，有供电公司所部属的上级配电站，经过2路进线提供。2条进线分别为1#、2#进线。其中1#位为工作线、2#位备用线。进线经过2台主变压器，分为2段母线，母线的额定电压为10kV。

3.2 负荷情况

选取2段母线中的1段进行测试。测试母线为主井提升机、副井提升机、主扇风机供电，其中主井提升机有一台变压器，容量3600kVA、电机一台、功率2250kW；副井提升机有变压器1台，容量1600kVA；主扇两台，一用一备，每台功率2500kW。

测试过程中，主井提升机带负荷正常运转，该段母线上的奇次滤波器和无功补偿电容器同时正常工作。

3.3 测试方法

采样点：设置在该母线的进线侧。分别测量其电压波形和电流波形作为两个采样。

采样间隔：根据谐波的变化情况，确定采样间隔为3ms。

测试分析仪器：FLUKE谐波分析仪。

3.4 测试结果

采用了无功补偿装置之后的配电系统，电网的高次谐波电流明显降低，达到了国家标准要求。功率因数明显改善，10kV母线一侧功率因数为0.98，最大无功功率值为4.26Mvar，较之前的最大值有了明显降低。供电系统各项指标如下表所示：

表1 SVG投入后的电能参数指标

4 结论

通过对煤矿供电无功补偿技术的研究，设计了一套基于SVG的无功补偿装置，并在煤矿进行了应用测试和分析。经过分析：该设备在抑制谐波污染，改善供电环境、保证供电网络的功率因数基本稳定、降低煤矿生产的能源消耗等方面的实际效果。