矿井供电系统就地无功补偿方案研究

摘要：为提高矿井供电稳定性，确保煤矿的安全生产，阐述了无功补偿在矿井供电系统中的意义，以山东某矿井为例，分析当前供电系统现状，根据无功发生器（SVG）原理，确定SVG控制方法与装置容量。结果表明，SVG就地无功补偿能够显著降低谐波含量，稳定电网电压。综合矿井情况，建议矿井结合供电系统制订无功补偿方案，满足设备运行需求。

关键词：矿井供电系统就地无功补偿方案设计

中图分类号：TD611

Researchonon-siteReactivePowerCompensationSchemeforMinePowerSupplySystem

FANGWeiZHAOLianzhen

ZaozhuangMining（Group）Co.，Ltd.，Zaozhuang，ShandongProvince，277000China

Abstract：Toimprovethestabilityofminepowersupplyandensurethesafetyofcoalmineproduction.Thesignificanceofreactivepowercompensationinminepowersupplysystemisexplained.TakingamineinShandongasanexample，thecurrentstatusofthepowersupplysystemisanalyzed.Basedontheprincipleofreactivepowergenerator（SVG），theSVGcontrolmethodanddevicecapacityaredetermined.TheresultsindicatethatSVGon-sitereactivepowercompensationcansignificantlyreduceharmoniccontentandstabilizegridvoltage.Basedontheoverallsituationofthemine，itisrecommendedthatthemineQOYjP8vmuvRCDv3DG/FwYG1SzsXIqhwPkP8UKWKC/m8=developareactivepowercompensationplaninconjunctionwiththepowersupplysystemtomeettheoperationalneedsoftheequipment.

KeyWords：Mine;Powersupplysystem;Onsitereactivepowercompensation;Conceptualdesign

我国作为能源消耗大国，对煤炭需求量较大，需保证矿井供电系统稳定运行，方能合理应用煤炭开采、运输等设备，提高生产效率。但是，矿井供电系统运行环境恶劣、容量较大，依赖非线性电气设备支持，必定会引发无功问题，干扰设备运转[1]。因此，在矿井供电系统运行中，须采取就地无功补偿方法，妥善解决无功功率问题，提高动态补偿速度与精准度，强化电网安全性。

1无功补偿在矿井供电系统中的意义

煤矿供电系统工作存在特殊性，要求双回路供电，保证供电稳定性，尽量消除干扰、抑制电压波动，却由于煤矿绞车等设备负荷大、重复工作，容易增加电压波动。这些设备将会对供电系统造成冲击，产生谐波，降低功率因数与电能质量，埋下运行隐患。而无功补偿能够挖掘电力资源，提高电能质量，对供电系统运行稳定性意义重大。

2矿井供电系统就地无功补偿方案研究

2.1当前供电系统现状

某煤矿66kV变电所处于矿井场地东南部，设置8000kVA变压器2台，有66kV架空进线两回，1回电源是220kV一次变电所玉（主？）营线分支，1回是220kV变电所九环线分支。矿井供电系统出现无功情况，具体如下。

2.1.1无功欠补，功率因数不足

该矿井母线中，尽管设置投切电容补偿器，却在公共点检测时，功率因数较低，计算缺少3960kVar无功功率，明显设置无功补偿装置少。

2.1.2电容器频繁投切

电容器组件以电容为主，受到充放电影响，装置难以持续运行将出现跳变情况，将其用于矿井供电，可生成高频率、高幅值电流，超过正常电流数倍，破坏供电线路。同时，频繁投切下，6kV母线瞬间电压变化超过8%，威胁用电设备。

2.1.3设备负荷较大

矿井多使用主变、提升机等设备，受限于工作特性，负荷波动大，容易产生无功功率，进而降低电压，影响其他设备运行，且变压器效率低、因数小。

2.2就地无功补偿方案设计与实施

矿井供电系统谐波电流较多，影响供电质量，电压达到限值将会破坏系统稳定性，需结合供电系统，确定无功补偿方案[2]。

2.2.1无功发生器（SVG）原理

静止无功发生器（SwitchingVirtualCircuit，SVG）可分为电压型与电流型两种，见图1。逆变电路中，绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor，IGBT）均以并联方式连接反馈二极管，从交流侧向直流侧为无功功率提供通道。电压型SVG通常串联电感至直流侧；电流型则并联电容至直流侧，用于储能接入电网。该电路输入相位、电压控制是控制IGBT实现，能够间接控制主电路功率，实现动态无功补偿，具有体积小、故障率低的特点。

根据静止无功补偿器（StaticVarCompensator，SVC）与SVG的电流-电压特性曲线（见图2），为电网电压，SVG感性输出电流、容性输出电流以、表示，减小数值下，曲线同步下移，为稳定、，需对交流侧输出电压幅值、相位加以调整。

SVG增加并联电阻与电容，与传统SVG相比，能够结合电压变化，对、动态调整，使其工作曲线为倒三角状，覆盖面积更大，补偿范围超SVC，具有良好适应性，且引入脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）技术、多重设计、多电平技术等，可消除供电系统背景噪声，将高次谐波滤除[3]。

2.2.2控制方法

供电系统处于稳定区间范围，控制无功功率可对无功电流直接调整。该矿井采取SVG直流侧电压电容为逆变电源，需要稳定直流侧电压，适当补偿、吸收电网无功功率[4]。该供电系统采取直接控制法，是指SVG能够直接控制自身无功电流，对交流电压基波幅值、相位无须测量，属于常见控制模式。对于供电系统三角波比较法更具针对性，包括abc坐标法、dq坐标法，具体如下。

（1）基于abc坐标控制供电系统，能够控制无功电流，稳定直流电压，主要是以比例调节器处理，反馈电压、输入电压与对应与无功、有功电流，通过dq进行三相abc变换，可生成瞬时电流数值、、，对比恒频三角波及复合瞬时电流，用作SVG信号完成开关控制。

（2）基于dq坐标控制供电系统，能够满足电流恒定需求，可跟随无功电流进行补偿。该控制方法主要是检测三相输出、、电流值，利用坐标变换法，能够生成相应无功、有功电流，与比较，确定双方差异，结果输入调节器，利用dq翻转变换，得到相应电流信号，对比恒定频率三角波，控制电子电器。

Abc控制法信号选用输出交流电流；dq控制法信号为直流。调节过程中，考虑交流信号将会带来波动，难以解决误差问题，不利于提高无功补偿准确度，而直流信号误差小，加上dq法适用PI设备少，结构简单，因此，为缩小器件体积，提高控制精度，选用dq控制法。

2.2.3容量确定

根据矿井项目可知，变电站采取2回66kV架空线路进行电能输送，需要变压站装置相应输入线路，以2导线为矿区专门供电，其他负载无过多要求，具体母线负荷见表1。

母线Ⅰ、Ⅱ段重要负载较多，包括主/副井提升设备、扇风机、热风炉、泵房、锅炉房等，确定供电系统公式如下：

式（1）至式（4）中，是设备连续最大负荷；是连续负荷视在功率；是设备组需要系数；是负荷组功率正切值；是连续负荷无功功率；是设备总容量。供电系统运行中，考虑矿区不会同一阶段开启设备最大负载，无同时设备处于最大负荷可能性，则设备负荷有功、无功系数取值存在差异，确定取值是0.79、0.97。以此进行计算，确定、、、。该矿井供电系统中，Ⅰ、Ⅱ段功率确定是0.68，考虑国标0.9要求，存在未达标情况，要求配置SVG，由供电系统就地无功补偿，注入无功功率。鉴于2倍阈值，取SVG额定值3960，满足矿井就地无功补偿需求。

3就地无功补偿方案的经济效益分析

3.1就地无功补偿方案的经济效益

该矿井未采取SVG装置，对原有母线Ⅰ段开展负载电能测试，涉及负载有风机、水泵、提升机等[5]。测试时稳定提升机工作，承载特定重量，由6kV母线供电，补偿容量3960。以3ms间隔开展连续采集，提高样本准确性，每工作循环采集1次，至少采集8次，使用谐波分析仪测试，结果见表2。由此可知，SVG未使用前，三相电流存在不平衡情况，造成设备故障、电网污染，使用SVG后谐波含量降低明显。

并且，SVG能够自动无功补偿，检测负载功率因数，提高补偿超过0.95，减少线路与变压器损耗节约电能，稳定电网电压，减少故障时间，消除谐波，设备寿命延长，提高生产效率，节省维护设备费用。

3.2关于就地无功补偿方案实施的思考

设备轻载时过不长、电压过高、谐波等干扰，进行SVG补偿时，确定硬件配置容量，以并联方式进行安装，保证控制器具备监测功能，根据监测情况进行动态调节，对设备状态加以优化。例如：实测值在设定值以下，SVG将自动投切，保证无功补偿精准性、及时性，功率因数处于合理范围。

4结语

综上所述，面对矿井供电系统无功功率不足、谐波污染严重情况，需采取就地无功补偿方法，方能提高电能质量。通过对该矿井供电系统研究，获得以下结论。

（1）矿井供电系统运行环境恶劣，采取无功补偿对稳定供电、减少设备故障具有积极意义。

（2）就地无功补偿应结合矿井供电系统实际情况，确定控制方法与补偿容量，以免出现补偿过多或过少情况。

参考文献

[1]张嘉伟.供电系统中无功补偿设计应用经济性分析[J].现代工业经济和信息化，2023，13（9）：266-267，270.

[2]栗晓宇.基于无功补偿的矿井供电节能耗技术研究[J].江西煤炭科技，2024（1）：206-208，211.

[3]朱瑞新.煤矿矿井供电系统无功补偿技术的应用[J].内蒙古煤炭经济，2023（3）：139-141.

[4]杜世友.矿用静止无功发生器（SVG）在煤矿井下应用研究[J].矿业装备，2023（9）：160-162.

[5]蒋亚奇.SVG无功补偿技术在矿井供电系统中的应用[J].能源与节能，2023（10）：210-212.