周 斐，梁曉紅

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，平頂山 467001）

0 引言

近年來，隨著煤炭工業(yè)綜合機(jī)械化設(shè)備的普及，大量非線性負(fù)載在煤礦井下的使用越來越廣泛，如采煤機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等，均采用大功率變流設(shè)備和變頻器。這些設(shè)備已逐漸成為煤礦井下供電系統(tǒng)中的主要諧波源，所產(chǎn)生的諧波和無功波動(dòng)對其他電器設(shè)備的影響也越來越大，造成煤礦井下電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，引起供用電事故，影響安全生產(chǎn)。

圖1 SVG的基本結(jié)構(gòu)

1 SVG原理

SVG（Static Var Generator）即靜止無功發(fā)生器，是當(dāng)今無功補(bǔ)償和諧波治理領(lǐng)域最新技術(shù)的代表。它不再采用傳統(tǒng)大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。SVG相當(dāng)于一個(gè)可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化，由于SVG的響應(yīng)速度極快，所以又稱為靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。

SVG基本原理是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件（如IGBT）組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無功功率，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 某典型煤礦井下電網(wǎng)諧波分析

以某典型煤礦井下電網(wǎng)為例，該煤礦井下運(yùn)輸主要采用皮帶輸送機(jī)，部分采用變頻器驅(qū)動(dòng)，使用過程中發(fā)生過電機(jī)和開關(guān)絕緣擊穿的事故，初步分析與使用變頻器有關(guān)。為全面分析該井下電網(wǎng)諧波的波動(dòng)情況及諧波源設(shè)備產(chǎn)生諧波的變化范圍，主要對電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行了測試，測試點(diǎn)包括：該礦6kV地面中央變電所1#明斜進(jìn)線，6kV地面中央變電所1#電源進(jìn)線，1140V側(cè)變頻器整流側(cè)進(jìn)線及1140V側(cè)SVG進(jìn)線。

主要測試項(xiàng)目有：電壓有效值URMS、電壓總諧波畸變率THDU、各次諧波電壓含有率HRU、各次諧波電壓有效值Un-RMS、各次電壓相角φu、電流有效值IRMS、電流總諧波畸變率THDI、各次諧波電流含有率HRI、各次諧波電流有效值In-RMS、各次電流相角φi、三相的功率因數(shù)λ等參數(shù)。

以1#明斜電流諧波情況的監(jiān)測為例，從圖2（a）趨勢圖中可以看出明斜高強(qiáng)移變電流測試值最大為2.4A，最小為0.6A，平均為1.3A，電流波動(dòng)較大，由于變比為200:5，明斜高強(qiáng)移變實(shí)際電流最大為96A，最小為24A，平均為52A。明斜高強(qiáng)移變電流總諧波畸變率THD平均值為60%，如圖2（b）所示。從測量結(jié)果可以看出5次、7次諧波含有率較高，分別為54%、30%。5次、7次諧波電流趨勢圖如圖2（b）所示。

圖2 1#明斜電流圖

經(jīng)過對該典型煤礦井下供電系統(tǒng)進(jìn)行了長時(shí)間、不同工況條件下的諧波測量，掌握了井下供電系統(tǒng)五條路線路的諧波狀況，得出皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻設(shè)備是井下供電系統(tǒng)的主要諧波源，主要諧波為5、7、11次。井下供電系統(tǒng)的5路線路按諧波大小排序?yàn)椋?號(hào)電源諧波最大，必須治理；4號(hào)和5號(hào)電源諧波含量居中，建議進(jìn)行治理；2號(hào)和3號(hào)電源諧波較小，不需要治理。

3 SVG用于煤礦井下無功與諧波治理

3.1 治理方案分析

井下電氣設(shè)備的諧波治理方法根據(jù)技術(shù)可分為有源濾波和無源濾波；根據(jù)裝設(shè)的地點(diǎn)分為安裝在井下和安裝在井上。根據(jù)該煤礦井下諧波源特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前諧波治理技術(shù)，提出了三套諧波治理方案如下：

1）采用無源濾波技術(shù)，治理裝置放在井下；

2）采用有源濾波方式，治理裝置放在井下；

3）采用有源濾波方式，治理裝置放在地面。

根據(jù)該煤礦供電系統(tǒng)和用電設(shè)備情況，在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過仿真軟件分析，對比無源濾波、有源濾波等不同諧波治理技術(shù)對井下電網(wǎng)諧波治理的效果和容量、投資等進(jìn)行綜合評估，建議安裝1140V電壓等級(jí)SVG，針對明斜皮帶電源諧波采用有源濾波器（APF）在變壓器二次側(cè)（1200V）進(jìn)行諧波治理；對于4號(hào)和5號(hào)電源建議在地面變電所6kV側(cè)采用有源濾波器進(jìn)行集中治理。

3.2 治理效果分析

SVG安裝后，通過對1#明斜電壓諧波情況的監(jiān)測，可以看出A、B、C三相電壓值較穩(wěn)定，測量值保持在105.3V，由于變壓器比值為6000:100，1#明斜電壓實(shí)際值為6318V。圖3為SVG安裝后1#明斜電壓趨勢圖，從圖3可以看出1#明斜電壓總諧波畸變率THD平均值為1.25%。

根據(jù)國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-1993），電網(wǎng)標(biāo)稱電壓為6kV，其電壓總諧波畸變率不得超過4%，奇次諧波電壓含有率不得超過3.2%，偶次諧波電壓含有率不得超過1.6%；測量數(shù)據(jù)為電壓總諧波畸變率1.25%，奇次諧波電壓含有率為1.25%，偶次諧波電壓含有率為0.055%，其電壓總諧波畸變率、奇次諧波電壓含有率和偶次諧波電壓含有率均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 SVG安裝后1#明斜電壓趨勢圖

圖4 1#明斜電壓

表1 1#明斜電壓諧波情況

圖4為SVG安裝后1#明斜電壓圖，表1為選取某一時(shí)刻1#明斜電壓諧波情況，如表所示，數(shù)據(jù)測量值遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)諧波治理后煤礦井下電網(wǎng)6kV供電質(zhì)量良好，提高了電能質(zhì)量。

4 結(jié)論

在煤礦井下諧波危害嚴(yán)重的線路安裝有源濾波裝置后，能及時(shí)根據(jù)變頻器產(chǎn)生的諧波變化進(jìn)行諧波抑制，治理效果達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。按安裝濾波裝置后，濾除50%諧波電流估算，節(jié)電率在7%左右，證明使用SVG對變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理，能達(dá)到節(jié)能和改善供電質(zhì)量、降低供用電事故的目的，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

SVG諧波治理方案可在該礦及其他類似礦井應(yīng)用，在改善供電質(zhì)量、降低設(shè)備故障率，提高安全生產(chǎn)水平和節(jié)約電耗方面具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] GB/T14549—1993電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波[S], 1993.

[2] 任子暉. 煤礦電網(wǎng)諧波分析與治理[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社. 2003.

[3] 朱東柏, 電力有源濾波及無功補(bǔ)償裝置的研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào). 2002, (04)82-84.