链式静止无功发生器在煤矿刮板输送机上的应用

梁宇

(山西焦煤汾西矿业集团高阳煤矿， 山西 孝义 032306)

0 引言

在煤矿工作面设备向着自动化方向不断发展的进程中，先进的采煤机、刮板输送机、转载机等设备投入到生产实际中，并不断更新发展，取得了很好的应用成果，装机功率也在不断加大[1]。在此期间，刮板输送机、转载机等设备的控制设备也在不断更新技术。变频器、变频电动机、变频一体机等已在综采工作面取得了实用，并得到了广泛推广。变频控制器有效解决了生产过程中刮板输送机因重载启动对供电质量及机械结构的冲击影响，但也引入了设备运行中的谐波问题，对电动机及电网供电质量造成影响[2]。

随着智能化综采工作面这一课题逐步进入实用阶段[3]，大功率设备及变频技术的进一步拓展应用，使用更高电压等级所依托的供配电设备、实现各种通信控制功能的系统设备(传感器、通信分站、摄像头、电磁阀等)无疑使工作面内的感性元器件进一步增多，谐波对工作面的供电质量及通信环境的影响不容忽视。同时，感性负荷造成的无功功率增多、功率因数降低及设备能耗增高的问题还需解决。此外，智能化综采工作面课题的深入也改变了传统综采工作面的供电方式，由传统的切眼附近顺槽内移动设备列车近距离供电逐步转变为顺槽外固定配电点远距离供电[4]。远距离供电方式、工作面电压降、刮板输送机等设备供电线路的电压、电流波动更为明显[5]。

刮板输送机作为综采工作面煤炭运输的关键设备，其工作稳定性、安全性和持久性是综采工作面正常运行的保证，同时也是综采工作面的主要用电负荷。如何减少谐波等因素对刮板输送机电动机的干扰，同时提高其功率因数，降低电能消耗是现场使用刮板输送机应考虑的问题。目前能够综合解决以上问题的有效途径为链式静止无功发生器[6-7]。我矿在21109综采工作面加装了无功发生器，测试SVG在刮板输送机上的应用效果。

1 综采工作面设备选型及供电简介

1.1 工作面简介

21109综采工作面长度199 m,可采长度303 m,煤层厚度8.5 m,煤层倾角4°。因顺槽长度较短，故采用设备列车固定于顺槽外联巷内供电方式，较其他工作面供电距离较远，电压降较大，可以很好地进行无功发生器实用型验证。如图1所示，该工作面设备供电电压等级1 140 V，前部刮板输送机使用软启动开关控制，后部刮板输送机使用变频器控制。共配置2台链式静止无功发生器(SVG)，分别位于前、后刮板电源侧，可有效对网侧电流进行无功补偿。链式静止无功发生器(SVG)型号选择WJL1-500/1 140,补偿回路额定电流250 A，补偿容量0～500 kVar，可进行动态补偿。

表1 工作面刮板输送机配置

图1 刮板输送机进行无功补偿示意图

1.2 静止无功发生器(SVG)的结构及原理

静止无功发生器是一种用于动态补偿无功的新型电力电子装置。其基本原理是将电压源型逆变器经过电抗器并联在电网中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流电压的幅值和相位。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等，相位相反的无功，实现无功的就地平衡。静止无功发生器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的无功电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路3个部分构成[8]。

2 静止无功发生器(SVG)的现场应用分析

2.1 刮板输送机不同状态下的功率因数分析

图2为前后部刮板输送机在未使用功率补偿时，不同状态下的功率因数分布散点图。数据选取在刮板输送机在轻载和重载不同状态下，一定时间内的连续数据。

(a) 前部刮板输送机轻载功率因数分布

(c) 后部刮板输送机轻载功率因数分布

由图2可知，在前部刮板输送机轻载状态下功率因数分布在0.5以下数据占比为28%；0.5～0.6范围数据占比为64%，0.6以上数据占比8%。通过该数据可知，前部刮板输送机软启动在轻载状态功率因数较低，主要集中在0.5～0.6范围内。前部刮板输送机重载状态功率因数有所提高，主要集中在0.8～0.9区间内，0.8以下数据占比为26%，0.8～0.9范围数据占比为63%，0.9以上数据占比11%。

后部刮板输送机使用变频器控制，功率因数明显较高。在轻载状态下，功率因数主要集中在0.75～0.85之间，数据占比达到84%，0.85以上数据占比6%；在重载状态下，功率因数主要集中在0.85～0.95之间，0.85以上数据占比82%，0.95以上数据占比16%。

由前后部刮板输送机在不同状态及不同控制开关下功率因数数据图可知：

1) 前后部刮板输送机在轻载状态下功率因数较低，功率因数分布较均匀，平顺；对应采煤过程，该时期电动机运行较稳定，负荷较小。

2) 通过对比前部刮板输送机和后部刮板输送机在轻载和重载状态下的数据分布，使用变频器控制开关可以有效提高电动机运行的功率因数；且在重载状态下可有效稳定负荷电流输出，减少因煤量的突变造成的数据分散。

3) 前后部刮板输送机在轻载状态运行较稳定，即功率因数分布较集中。在重载状态下运行波动较大，功率因数分布较分散，且数据变动趋势较明显。该数据分布可看出在前后部刮板输送机的重载状态下正对应采煤机割煤及后部放顶煤的过程，在此过程中，受采煤工艺的直接影响，负荷大小存在较大波动，不稳定性加剧。从这一方面可证实采集数据的可靠性和真实性。

2.2 使用SVG后的数据对比分析

2.2.1 前部刮板输送机投入SVG数据对比

由图3可知，前部刮板输送机在轻载状态投入SVG后功率因数明显提高，功率因数基本达到0.7以上，平均功率因数由0.53达到0.85，增长幅度为60%；投入SVG后0.7～0.9范围数据占比64%，0.9以上数据占比24%。前部刮板输送机在重载状态投入SVG后功率因数有所提高，平均功率因数由0.83提高至0.96，增长幅度为17%；投入SVG后0.9以上数据占比为83%，根据轻载状态投入SVG后数据分散性加剧，重载情况下数据分布较集中，这一数据表现与刮板输送机在不同负载情况下的运行过程相一致。同时能够印证SVG的动态补偿原理及动态补偿过程：即在轻载状态功率因数低的情况下，不断进行系统监测并对电网进行实时无功补偿，因补偿范围较大，因此补偿过程跳跃性较多；而重载情况下，补偿范围较少，补偿过程较平稳，可以证实SVG的工作有效性。

(a) 前部刮板输送机轻载未投入SVG功率因数

(c) 前部刮板输送机重载未投入SVG功率因数

2.2.2 后部刮板输送机投入SVG数据对比

由图4可知，后部刮板输送机在SVG补偿作用下，功率因数在轻载状态0.7以上提高至0.8以上，在重载状态提高至0.9以上，增长幅度基本一致，横向对比前部刮板输送机功率因数增长幅度较小。因后部刮板输送机使用配套的变频器控制，该数据能够证明变频器在应用中起到了提高功率因数，降能节耗的作用。如下图的数据曲线可知，在投入SVG后，功率因数显现出类似三角函数曲线的周期性起伏现象，在重载状态下数据曲线更为明显。

(a) 后部刮板输送机轻载未投入SVG功率因数分布

(c) 后部刮板输送机重载未投入SVG功率因数分布

2.2.3 投入SVG后增长曲线对比

如图5所示，通过对比前后部刮板输送机在不同状态下投入SVG前后曲线的趋势可知，前部刮板输送机轻载状态多项式的R2为0.85，前部刮板输送机重载状态多项式曲线的R2为0.60，后部刮板输送机轻载状态多项式曲线的R2为0.61，后部刮板输送机重载状态多项式曲线的R2为0.34。即SVG在前部刮板输送机轻载状态下补偿效果最明显。

(a) 前部刮板输送机轻载状态投入无功补偿功率因数趋势

(c) 后部刮板输送机轻载状态投入无功补偿功率因数趋势

2.2.4 使用SVG前后电度对比

通过对比SVG使用前与使用后2个月的电度可知，在使用SVG后吨煤电耗由2.49 kWh/t降为1.95 kWh/t，按照0.63元/度价格计算，按照400万t/a原煤产量，使用SVG后预计全年可节省电费136万元。

3 结论

综合以上阐述及现场应用数据分析，无功补偿装置在综采工作面中的应用对供电功率因数及供电质量的提高有一定作用，同时，通过无功补偿可以有效降低电能消耗，起到煤矿企业节能降耗的作用。