基于无功补偿技术的煤矿变电站系统研究

张晓静

（山西华阳集团新能股份有限公司一矿机电工区，山西 阳泉 045008）

引言

煤矿井下变电站设备安全、稳定、高效运行与煤矿井下安全生产息息相关。煤矿变电站设备运行时的特点是作业功率大、输电负荷高、启动电流大，加剧了煤矿电网的电能损耗。无功补偿技术的应用能维持煤矿变电站电网系统的稳定性，有效抑制谐波影响，降低设备电能损耗，提高设备的功率因素，具有重要的研究意义。国内外学者对无功补偿技术展开一系列的研究，如美国学者使用半导体类工具进行静止无功补偿器的开发，提出桥式电路调相技术，设备容量达20 MVA。美国通用、瑞士ABB等公司相继开发了容量微80 MVA、100 MVA的静止无功发生器并在电力网络中广泛使用[1]。我国河南电力成功研发了容量微20 MVA的SVG并陈工应用到朝阳电厂。许继、普瑞等公司也投入静止无功补偿器的研发中，并在专家系统、神经网络、模糊控制等控制策略取得了突破性进展，有效提高了无功补偿器的性能水平。目前，无功补偿技术存在的主要问题有[2-3]：设备容量无法满足实际使用要求，且有功损耗严重；设备性能水平较低，只采集一相无功信号，应用局限性较大；节能效果差，只能补偿安装点、变压器传输的损耗，无法降低用户端的无功损耗。文章基于煤矿变电站设备的三相不对称负荷，设计并研究无功补偿器，减少变电站设备的无功损耗，达到节能的目的。

1 基本原理分析

传统的无功功率补偿设备不能从负载的实际情况而改变，灵活性不足，而无功补偿技术可以及时校正无功负荷的实际功率因数，降低过电压量，避免次同步振荡现象，同时降低电压与电流不平衡等问题。根据无功补偿负载、补偿器单相等效电路图可得系统电压与无功功率之间的关系可由式（1）表示：

式中：U为系统电压；UC为无功功率为0时对应的系统电压值；SSC表示系统处于适中状态时的容量；Q为系统无功功率[4-5]。式（1）可等效表示为式（2）：

即无功功率变化时，系统电压也会随之发生发变换。加入无功补偿器后，系统的无功功率可表示为式（3）：

式中：QL为负载无功功率；Qr为补偿器无功功率。即用Qr补偿QL的变换，使得保持不变。根据式（2）可知，当ΔQ为0时，ΔU为0，即系统供电电压恒定[6-7]。

无功补偿装置对补偿器无功功率的吸收公式可表示为式（4）：

式中：USI为补偿器两端电压；XSI为无功补偿等效电路中的电感值；ΔUS为加入电感元件后系统的电压变化值[8]。即加入无功补偿装置后，系统电压误无功电流的关系可用正斜率曲线表示，且斜率保持合适，避免系统电压变化过大。无功补偿装置可有效降低设备额定容量，提升电力输送能力，减少线路中的电能损耗。在进行无功检测和控制时，采用RBF神经网络方法进行预测和控制，将输入误差控制在允许范围之内。

2 无功补偿装置的总体设计

用于煤矿变电站的无功补偿装置总体结构框图见下页图1所示，采用电压型桥式电路，分为逆变、整流两部分。A、B、C三相电压经电流互感器后由调理电路进行调理，并将调理信号输入值控制器，经A/D转换、运算后生成PWM脉冲信号输出，控制补偿器中的驱动电路以及IPM，完成逆变。输入控制器的信号还包括电压互感器信号，同时输入至三相整流桥。A、B、C三相电压经电感元件后将信号输入值电压/电流互感器，完成整流。控制器选用的型号为TMS320F2812，该控制器的频率为150 MHz，满足该无功补偿装置设计要求。

图1 用于煤矿变电站的无功补偿装置总体设计框图

3 硬件设计

应用于煤矿变电站的无功补偿装置硬件设计主要包括电容/电抗的选择、检测电路设计、控制器选择、IGBT驱动电路设计以及电源电路设计等。

3.1 电容/电抗选择

无功补偿装置主电路直流侧选择电容时，按照公式（5）进行容量计算：

式中：kφ为负载位移角系数；IF为逆变侧电流；fmin为逆变器最小频率值；Ud为直流侧电压；σ为低峰纹波系数。根据实际应用经验，选择2个2 200μ电解电容进行串联，选择2个2 200μ电解电容进行并联。

无功补偿装置主电路交流侧选择电抗时，按照公式（6）进行计算：

式中：Ua为输入A相电压值；Ude为系统直流侧电压值；ω为角频率；ΔIN为定值，取10.75 A；Ts为定值，取3 000 Hz。由式（6）计算可得，电感值范围为[0.467，3.916]mH，根据实际应用经验，选择的电感值为2 mH。

3.2 检测电路

检测电路采用LA-50P电流传感器，检测精度为0.8%，额定电流为50 A，输出电流为0.05 A。被检测电流经LA-50P电流传感器、偏置电路、运放电路、隔离元件后将信号传送至控制器中的AD转换电路并形成方波信号。

3.3 控制器电路

无功补偿装置的系统响应时间是关键参数，因此选择TI的F2812作为核心处理芯片。该芯片包含定点型数据信号处理器，响应时间、处理能力、精度水平都有显著提升。该芯片还由节能处理模式，实现双通道采样。

3.4 IGBT驱动电路

IGBT驱动电路用于对IGBT的运行产生驱动作用，将PWM波形转换为IGBT易于识别的信号，完成调节输出功率的目的。IGBT驱动电路中的核心为反向器，可实现系统电压调节，直至达到驱动IGBT的目的。

3.5 电源电路

电源电路为无功补偿装置提供对应的电压等级的电源，对输入电压进行转换。无功补偿装置中用到的电压等级为直流5 V、直流15 V。

4 软件设计

应用于煤矿变电站的无功补偿装置软件设计基于Keil ARM软件平台实现，采用C语言编程。根据总体设计将软件系统功能进行模块划分，包括主程序模块、系统初始化模块、A/D信号采样模块、过流检测模块、过零检测模块、控制模块以及保护模块等。主程序模块用于对其他模块进行调用、管理，详细处理流程见图2所示，在完成A/D采样、过流、过零检测后，进行RBF神经网络预测、PR调节、PI调节、生成PWM脉冲信号，等待TI时间达到后进行循环。当过流检测不合格时，直接封锁脉冲，程序结束；当过零检测不合格时，重新计算系统输出频率，当频率适合时，执行RBF计算等后续流程；当频率不适合时，程序结束。系统初始化模块主要用于配置时钟及外设、I/O初始化、ADC初始化、CAP初始化、事件管理器初始化以及变量初始化等。A/D信号采样模块完成系统信号的采集、启动中断并完成数据存储。过零检测模块触发CAP中断后，设置过零标志位，当系统频率值位于区间时，将过零标志位置位。控制模块用于对系统电压、补偿电压等进行RBF神经网络预测，并对补偿电压值及逆行PR、PI调节，提高系统精度。保护模块用于封锁PWM信号，当系统电流过大、频率不符时，触发并运行保护模块。

图2 无功补偿装置软件设计主程序模块处理流程

5 结语

该无功补偿装置在某煤矿变电站系统中投入应用后，结果表明，在煤矿变电站系统中加入无功补偿装置，对于稳定煤矿井下供电电压、抑制谐波、提高设备功率因素等方面都取得了较好的效果，使得煤矿井下变电站设备运行更加平稳、安全、节能，提高供电质量，保障了煤矿供电系统的安全性。