張曉靜

（山西華陽集團(tuán)新能股份有限公司一礦機(jī)電工區(qū)，山西 陽泉 045008）

引言

煤礦井下變電站設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行與煤礦井下安全生產(chǎn)息息相關(guān)。煤礦變電站設(shè)備運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)是作業(yè)功率大、輸電負(fù)荷高、啟動(dòng)電流大，加劇了煤礦電網(wǎng)的電能損耗。無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用能維持煤礦變電站電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效抑制諧波影響，降低設(shè)備電能損耗，提高設(shè)備的功率因素，具有重要的研究意義。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)無功補(bǔ)償技術(shù)展開一系列的研究，如美國學(xué)者使用半導(dǎo)體類工具進(jìn)行靜止無功補(bǔ)償器的開發(fā)，提出橋式電路調(diào)相技術(shù)，設(shè)備容量達(dá)20 MVA。美國通用、瑞士ABB等公司相繼開發(fā)了容量微80 MVA、100 MVA的靜止無功發(fā)生器并在電力網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用[1]。我國河南電力成功研發(fā)了容量微20 MVA的SVG并陳工應(yīng)用到朝陽電廠。許繼、普瑞等公司也投入靜止無功補(bǔ)償器的研發(fā)中，并在專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等控制策略取得了突破性進(jìn)展，有效提高了無功補(bǔ)償器的性能水平。目前，無功補(bǔ)償技術(shù)存在的主要問題有[2-3]：設(shè)備容量無法滿足實(shí)際使用要求，且有功損耗嚴(yán)重；設(shè)備性能水平較低，只采集一相無功信號(hào)，應(yīng)用局限性較大；節(jié)能效果差，只能補(bǔ)償安裝點(diǎn)、變壓器傳輸?shù)膿p耗，無法降低用戶端的無功損耗。文章基于煤礦變電站設(shè)備的三相不對(duì)稱負(fù)荷，設(shè)計(jì)并研究無功補(bǔ)償器，減少變電站設(shè)備的無功損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 基本原理分析

傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償設(shè)備不能從負(fù)載的實(shí)際情況而改變，靈活性不足，而無功補(bǔ)償技術(shù)可以及時(shí)校正無功負(fù)荷的實(shí)際功率因數(shù)，降低過電壓量，避免次同步振蕩現(xiàn)象，同時(shí)降低電壓與電流不平衡等問題。根據(jù)無功補(bǔ)償負(fù)載、補(bǔ)償器單相等效電路圖可得系統(tǒng)電壓與無功功率之間的關(guān)系可由式（1）表示：

式中：U為系統(tǒng)電壓；UC為無功功率為0時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)電壓值；SSC表示系統(tǒng)處于適中狀態(tài)時(shí)的容量；Q為系統(tǒng)無功功率[4-5]。式（1）可等效表示為式（2）：

即無功功率變化時(shí)，系統(tǒng)電壓也會(huì)隨之發(fā)生發(fā)變換。加入無功補(bǔ)償器后，系統(tǒng)的無功功率可表示為式（3）：

式中：QL為負(fù)載無功功率；Qr為補(bǔ)償器無功功率。即用Qr補(bǔ)償QL的變換，使得保持不變。根據(jù)式（2）可知，當(dāng)ΔQ為0時(shí)，ΔU為0，即系統(tǒng)供電電壓恒定[6-7]。

無功補(bǔ)償裝置對(duì)補(bǔ)償器無功功率的吸收公式可表示為式（4）：

式中：USI為補(bǔ)償器兩端電壓；XSI為無功補(bǔ)償?shù)刃щ娐分械碾姼兄担沪S為加入電感元件后系統(tǒng)的電壓變化值[8]。即加入無功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)電壓誤無功電流的關(guān)系可用正斜率曲線表示，且斜率保持合適，避免系統(tǒng)電壓變化過大。無功補(bǔ)償裝置可有效降低設(shè)備額定容量，提升電力輸送能力，減少線路中的電能損耗。在進(jìn)行無功檢測和控制時(shí)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行預(yù)測和控制，將輸入誤差控制在允許范圍之內(nèi)。

2 無功補(bǔ)償裝置的總體設(shè)計(jì)

用于煤礦變電站的無功補(bǔ)償裝置總體結(jié)構(gòu)框圖見下頁圖1所示，采用電壓型橋式電路，分為逆變、整流兩部分。A、B、C三相電壓經(jīng)電流互感器后由調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，并將調(diào)理信號(hào)輸入值控制器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算后生成PWM脈沖信號(hào)輸出，控制補(bǔ)償器中的驅(qū)動(dòng)電路以及IPM，完成逆變。輸入控制器的信號(hào)還包括電壓互感器信號(hào)，同時(shí)輸入至三相整流橋。A、B、C三相電壓經(jīng)電感元件后將信號(hào)輸入值電壓/電流互感器，完成整流。控制器選用的型號(hào)為TMS320F2812，該控制器的頻率為150 MHz，滿足該無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)要求。

圖1 用于煤礦變電站的無功補(bǔ)償裝置總體設(shè)計(jì)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)用于煤礦變電站的無功補(bǔ)償裝置硬件設(shè)計(jì)主要包括電容/電抗的選擇、檢測電路設(shè)計(jì)、控制器選擇、IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及電源電路設(shè)計(jì)等。

3.1 電容/電抗選擇

無功補(bǔ)償裝置主電路直流側(cè)選擇電容時(shí)，按照公式（5）進(jìn)行容量計(jì)算：

式中：kφ為負(fù)載位移角系數(shù)；IF為逆變側(cè)電流；fmin為逆變器最小頻率值；Ud為直流側(cè)電壓；σ為低峰紋波系數(shù)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選擇2個(gè)2 200μ電解電容進(jìn)行串聯(lián)，選擇2個(gè)2 200μ電解電容進(jìn)行并聯(lián)。

無功補(bǔ)償裝置主電路交流側(cè)選擇電抗時(shí)，按照公式（6）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ua為輸入A相電壓值；Ude為系統(tǒng)直流側(cè)電壓值；ω為角頻率；ΔIN為定值，取10.75 A；Ts為定值，取3 000 Hz。由式（6）計(jì)算可得，電感值范圍為[0.467，3.916]mH，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選擇的電感值為2 mH。

3.2 檢測電路

檢測電路采用LA-50P電流傳感器，檢測精度為0.8%，額定電流為50 A，輸出電流為0.05 A。被檢測電流經(jīng)LA-50P電流傳感器、偏置電路、運(yùn)放電路、隔離元件后將信號(hào)傳送至控制器中的AD轉(zhuǎn)換電路并形成方波信號(hào)。

3.3 控制器電路

無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵參數(shù)，因此選擇TI的F2812作為核心處理芯片。該芯片包含定點(diǎn)型數(shù)據(jù)信號(hào)處理器，響應(yīng)時(shí)間、處理能力、精度水平都有顯著提升。該芯片還由節(jié)能處理模式，實(shí)現(xiàn)雙通道采樣。

3.4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

IGBT驅(qū)動(dòng)電路用于對(duì)IGBT的運(yùn)行產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用，將PWM波形轉(zhuǎn)換為IGBT易于識(shí)別的信號(hào)，完成調(diào)節(jié)輸出功率的目的。IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的核心為反向器，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)，直至達(dá)到驅(qū)動(dòng)IGBT的目的。

3.5 電源電路

電源電路為無功補(bǔ)償裝置提供對(duì)應(yīng)的電壓等級(jí)的電源，對(duì)輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。無功補(bǔ)償裝置中用到的電壓等級(jí)為直流5 V、直流15 V。

4 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用于煤礦變電站的無功補(bǔ)償裝置軟件設(shè)計(jì)基于Keil ARM軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，采用C語言編程。根據(jù)總體設(shè)計(jì)將軟件系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊劃分，包括主程序模塊、系統(tǒng)初始化模塊、A/D信號(hào)采樣模塊、過流檢測模塊、過零檢測模塊、控制模塊以及保護(hù)模塊等。主程序模塊用于對(duì)其他模塊進(jìn)行調(diào)用、管理，詳細(xì)處理流程見圖2所示，在完成A/D采樣、過流、過零檢測后，進(jìn)行RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、PR調(diào)節(jié)、PI調(diào)節(jié)、生成PWM脈沖信號(hào)，等待TI時(shí)間達(dá)到后進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)過流檢測不合格時(shí)，直接封鎖脈沖，程序結(jié)束；當(dāng)過零檢測不合格時(shí)，重新計(jì)算系統(tǒng)輸出頻率，當(dāng)頻率適合時(shí)，執(zhí)行RBF計(jì)算等后續(xù)流程；當(dāng)頻率不適合時(shí)，程序結(jié)束。系統(tǒng)初始化模塊主要用于配置時(shí)鐘及外設(shè)、I/O初始化、ADC初始化、CAP初始化、事件管理器初始化以及變量初始化等。A/D信號(hào)采樣模塊完成系統(tǒng)信號(hào)的采集、啟動(dòng)中斷并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。過零檢測模塊觸發(fā)CAP中斷后，設(shè)置過零標(biāo)志位，當(dāng)系統(tǒng)頻率值位于區(qū)間時(shí)，將過零標(biāo)志位置位?？刂颇K用于對(duì)系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償電壓等進(jìn)行RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，并對(duì)補(bǔ)償電壓值及逆行PR、PI調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)精度。保護(hù)模塊用于封鎖PWM信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)電流過大、頻率不符時(shí)，觸發(fā)并運(yùn)行保護(hù)模塊。

圖2 無功補(bǔ)償裝置軟件設(shè)計(jì)主程序模塊處理流程

5 結(jié)語

該無功補(bǔ)償裝置在某煤礦變電站系統(tǒng)中投入應(yīng)用后，結(jié)果表明，在煤礦變電站系統(tǒng)中加入無功補(bǔ)償裝置，對(duì)于穩(wěn)定煤礦井下供電電壓、抑制諧波、提高設(shè)備功率因素等方面都取得了較好的效果，使得煤礦井下變電站設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)、安全、節(jié)能，提高供電質(zhì)量，保障了煤礦供電系統(tǒng)的安全性。