趙大凱

（沁水縣鑫海能源有限責(zé)任公司鄭莊煤礦，山西 沁水 048202）

1 項(xiàng)目概況

目前寺河礦西井區(qū)W2302和東區(qū)5304綜采工作面，主電源均采用3.3 kV電壓等級(jí)，移動(dòng)變電站的容量為2 500 kVA，采煤機(jī)的單機(jī)功率達(dá)到了1 875 kW。由于供電線路長(zhǎng)、單機(jī)功率大、負(fù)荷變化大、設(shè)備起停頻繁，出現(xiàn)電纜發(fā)熱、設(shè)備端供電電壓降低、設(shè)備備起停困難等現(xiàn)象，造成實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在功率因數(shù)低、諧波大、閃變現(xiàn)象頻發(fā)、無(wú)功功率大、電壓穩(wěn)定性差等不良后果，使煤礦電網(wǎng)在巨大的安全隱患[1-2]。

為了解決上述現(xiàn)狀中存在的問(wèn)題、提高井下電網(wǎng)的安全可靠性和節(jié)能效果，開(kāi)發(fā)一型3.3 kV電壓等級(jí)的礦用隔爆動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生器，應(yīng)用到上述工作面的電網(wǎng)系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)的無(wú)功電流，發(fā)出相對(duì)應(yīng)的無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償，降低電網(wǎng)的無(wú)功損耗，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，同時(shí)抑制電網(wǎng)的諧波，改善電網(wǎng)的質(zhì)量，使電網(wǎng)滿足國(guó)家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1459—93的要求，以提高煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性和安全性[3]。

2 3.3 kV電壓等級(jí)的礦用隔爆動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生器的開(kāi)發(fā)

2.1 基本工作原理

鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器是一種用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)變化的無(wú)功進(jìn)行快速和連續(xù)的補(bǔ)償，可克服LC補(bǔ)償器等傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償效果不能精確控制、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點(diǎn)。其基本原理是指將全控橋式電路通過(guò)電抗器直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?，如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償工作原理框架圖

2.2 開(kāi)發(fā)方案結(jié)構(gòu)和組成

由于本系統(tǒng)額定電壓為3.3 kV，目前市面上常規(guī)的IGBT額定電壓為1 200 V或1 700 V，1 200 V的IGBT可應(yīng)用于400 VAC系統(tǒng)，1 700 V IGBT可以應(yīng)用于690 V AC系統(tǒng)，一般情況下有兩種方案可以滿足要求。

2.2.1 變壓器升壓方案

變壓器升壓方案如圖2所示。

圖2 變壓器升壓方案示意圖

使用1 700 V的功率模塊，通過(guò)變壓器將系統(tǒng)電壓由3 300 V降低至690 V，通過(guò)多模塊并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大容量。

2.2.2 串聯(lián)多電平級(jí)聯(lián)方案

串聯(lián)多電平級(jí)聯(lián)方案如圖3所示。

圖3 串聯(lián)多電平級(jí)聯(lián)方案示意圖

采用多級(jí)1 700 V的功率模塊串聯(lián)直接連接在3 300 V系統(tǒng)母線上，通過(guò)多模塊串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓大容量。

2.3 系統(tǒng)組成

鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器由控制系統(tǒng)、功率組件、軟啟動(dòng)組件及外接開(kāi)關(guān)柜（根據(jù)需要定制）組成。

2.3.1 控制系統(tǒng)

鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的主控功能，是整個(gè)設(shè)備的控制核心，其中包含了電源及冗余單元、檢測(cè)與控制單元、監(jiān)控系統(tǒng)單元、狀態(tài)指示燈及急停按鈕。

1）電源及冗余單元。電源及冗余單元主要功能為提供設(shè)備控制用電以及保證控制用電的可靠性。主要由開(kāi)關(guān)電源、UPS（可選）、電源冗余電路板組成。其中采用兩組開(kāi)關(guān)電源通過(guò)電源冗余電路板同時(shí)向控制系統(tǒng)供電，確保了控制系統(tǒng)供電的可靠性[4]。

2）檢測(cè)與控制單元。檢測(cè)與控制單元主要功能為對(duì)輸出電流、輸入電壓、控制點(diǎn)電壓、網(wǎng)側(cè)電流等進(jìn)行檢測(cè)以及根據(jù)各個(gè)檢測(cè)量及控制指令輸出設(shè)備各種控制信號(hào)、各個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的PWM信號(hào)等。檢測(cè)與控制單元主要包括數(shù)字控制電路板、信號(hào)轉(zhuǎn)接電路板、PLC控制器、光纖信號(hào)轉(zhuǎn)接電路板，電壓信號(hào)轉(zhuǎn)接電路板等。其中，數(shù)字控制電路板為系統(tǒng)的核心控制器，對(duì)各路模擬及數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并輸出各類控制信號(hào)；信號(hào)轉(zhuǎn)接電路板主要功能為將檢測(cè)各路模擬及數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理后送至數(shù)字控制電路板，將數(shù)字控制電路板發(fā)出的各路控制信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后送至各個(gè)控制單元；PLC控制器主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的時(shí)序控制[5-6]。

3）監(jiān)控系統(tǒng)單元。監(jiān)控系統(tǒng)單元主要功能為顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)、下發(fā)控制指令及控制參數(shù)等。通過(guò)基于嵌入式操作系統(tǒng)的觸控屏人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)。用戶可以通過(guò)對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行操作，控制設(shè)備的啟動(dòng)、停止，查看設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、故障狀態(tài)等信息。關(guān)于人界面的詳細(xì)介紹請(qǐng)參照監(jiān)控系統(tǒng)說(shuō)明一節(jié)。

4）急停按鈕。急停按鈕用于在緊急情況下停機(jī)，按下為停機(jī)狀態(tài)，旋起后設(shè)備可以啟動(dòng)。

2.3.2 功率模塊

功率模塊主要由功率模塊及電流霍爾傳感器組成，包括啟動(dòng)交接、軟啟動(dòng)電阻、電抗器和電壓傳感器等模塊。主要功能為抑制設(shè)備的輸出諧波、限制上電初始電流及檢測(cè)輸入電壓。上電運(yùn)行時(shí)，軟啟動(dòng)交接吸合，設(shè)備先經(jīng)負(fù)責(zé)功率模塊的控制供電；薄膜電容為功率模塊直流側(cè)提供電壓支撐，吸收電容的功率模塊內(nèi)部主要包含驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路板、模塊電源電路板、IGBT模塊、薄膜電容、吸收電容、散熱器等。其中驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路板主要功能為將下發(fā)的PWM信號(hào)解碼并輸出，檢測(cè)模塊故障信息，及時(shí)進(jìn)行保護(hù)并同時(shí)將信息編碼上傳；模塊電源電路板作用為限制電路電壓上升率過(guò)大，確保IGBT模塊的安全運(yùn)行。散熱器用于將工作中的IGBT熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證了IGBT工作的可靠性。

2.3.3 軟啟動(dòng)組件

軟啟動(dòng)組件主要包含主交接、軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)電阻進(jìn)行充電，隨后合主交接，切斷軟啟動(dòng)交接，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 技術(shù)參數(shù)

工作頻率為50×（1±2%）Hz；工作電壓范圍為3 300×（1-25%）V～3 300×（1+15%）V；補(bǔ)償容量為2 000 kVr；額定補(bǔ)償電流為350 A。

3 應(yīng)用效果分析

該研發(fā)設(shè)備應(yīng)用于晉煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河礦，應(yīng)用到W3301綜采工作面負(fù)荷中心后端，采煤機(jī)前端加裝3.3 kV礦用隔爆兼本安型高壓鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器，對(duì)艾柯夫SL-500采煤機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，工作容量約為2 275 kW。動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)的無(wú)功電流，對(duì)發(fā)出相對(duì)應(yīng)的無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償。

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

安裝前功率因數(shù)為0.5～0.65，安裝后功率因數(shù)為0.95～0.98；安裝前電網(wǎng)電壓3.4 kV，安裝后電網(wǎng)電壓3.5 kV；投運(yùn)后電網(wǎng)電流明顯降低。測(cè)試總結(jié)：根據(jù)以上數(shù)據(jù)，該設(shè)備提高了功率因數(shù)，改善了電網(wǎng)質(zhì)量，消除了安全隱患，并且起到了節(jié)能作用。

3.2 補(bǔ)償無(wú)功量計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行負(fù)載參數(shù)：電網(wǎng)3.3 kV，負(fù)載采煤機(jī)帶破碎機(jī)2 275 kW，負(fù)載率0.8，補(bǔ)償前平均功率因數(shù)cosφ=0.6，補(bǔ)償后按照功率因數(shù)cosφ=0.95計(jì)算；補(bǔ)償容量計(jì)算：

式中：Q為無(wú)功補(bǔ)償容量；Bav為月平均負(fù)載率，一般可取0.7～0.8；Ρc為由變電所供電的月最大有功計(jì)算負(fù)載，kW；φ1為補(bǔ)償前的功率因數(shù)角，cosφ1可取最大負(fù)載時(shí)的值；φ2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)角，參照電力部門(mén)的要求確定，一般取0.9～0.95。代入數(shù)值計(jì)算得Q=1 598 kVar。

3.3 年節(jié)電量計(jì)算

《煤礦電工手冊(cè)（修訂本）第二分冊(cè)礦井供電（下）》：在系統(tǒng)中每投入1 kVar的無(wú)功功率，在發(fā)電廠的直配電路中節(jié)電為0.02～0.03 kW，在二級(jí)變壓供電時(shí)節(jié)電為0.06～0.1 kW，在三級(jí)變壓供電時(shí)節(jié)電為0.1～0.15 kW。如果系統(tǒng)集中補(bǔ)償，滿載運(yùn)行一年，按每月有效供電25 d計(jì)算，每天按20 h計(jì)算。防爆SVG自身的損耗為其工作容量的0.5%～0.8%，靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置基波總補(bǔ)償容量為2 720 kVar，靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置自身的損耗取0.8%，則：

靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置年損耗有功功率Qs的計(jì)算為：

式中：Qc為采煤機(jī)帶破碎機(jī)無(wú)功補(bǔ)償容量，取1 598 kVar；Tn為設(shè)備年運(yùn)行小時(shí)，為25×20×12=6 000 h。計(jì)算得Qs=76 704 kWh。

該套靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償每年節(jié)電電量Pj的計(jì)算為：

式中：Cb1為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，取0.082；Kfh為負(fù)荷率，取0.73。計(jì)算得Pj=498 576 kWh。

電費(fèi)按0.55元/kWh計(jì)算，則本套靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備年節(jié)約電費(fèi)M=0.55Pj=27.42萬(wàn)元。