王靈慧

（潞安化工集團(tuán)王莊煤礦，山西 長治 046000）

在各類用電設(shè)備啟動、停止的過程中會消耗大量的無功功率，不僅在一定程度上降低了供電效率和穩(wěn)定性，而且由于無功功率量的不可控性及突變性，會給電網(wǎng)造成很大沖擊。無功功率是評價(jià)供電質(zhì)量的核心技術(shù)指標(biāo)。無功功率過大會導(dǎo)致消耗過多的電量，降低供電的經(jīng)濟(jì)性，而無功功率不足則會導(dǎo)致設(shè)備長期處于欠壓運(yùn)行或者低功率運(yùn)行，影響設(shè)備的使用壽命。因此如何保證供電系統(tǒng)內(nèi)無功功率的動態(tài)平衡，就成了科技人員重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

目前常用的平衡無功功率的方法主要利用供電設(shè)備向用電負(fù)荷提供或者在用電設(shè)備附近增加無功功率發(fā)生裝置進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，但這兩種方法均存在無法精確控制無功功率補(bǔ)償量、功率轉(zhuǎn)換量低、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性差的不足[1]。為解決前述問題，提出了一種新的煤礦供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)，采用晶閘管投切電容器（以下簡稱TSC）及靜止無功發(fā)生器（以下簡稱SVG）相結(jié)合的控制方案[2]，充分結(jié)合了TSC控制技術(shù)靈活性高、補(bǔ)償容量大，SVG連續(xù)輸出性強(qiáng)、感性無功的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了混合補(bǔ)償控制裝置，對無功補(bǔ)償進(jìn)行分層協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了供電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)平衡。根據(jù)仿真分析表明該技術(shù)能夠?qū)⑾到y(tǒng)整體功率因數(shù)提升31.6%，對提升煤礦供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

1 SVG與TSC聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)

該聯(lián)合控制方案控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SVG與TSC聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)

由圖1可知，該控制系統(tǒng)中系統(tǒng)首先對電網(wǎng)內(nèi)的無功功率補(bǔ)償值進(jìn)行檢測，然后經(jīng)過混合控制策略分析后將值分別分配給SVG與TSC。其中，TSC主要是用于對大容量無功功率進(jìn)行有級補(bǔ)償，SVG則主要是用于對TSC補(bǔ)償缺失的部分進(jìn)行無級連續(xù)補(bǔ)償，從而保證對無功功率因數(shù)的提升，且還能夠在工作中進(jìn)行電網(wǎng)三相不平衡的調(diào)節(jié)。在補(bǔ)償過程中該混合補(bǔ)償所提供的無功補(bǔ)償數(shù)值變化情況和實(shí)際電網(wǎng)的負(fù)載需求變化情況是相對應(yīng)的。

在該控制結(jié)構(gòu)中，SVG的響應(yīng)速度高于TSC，因此在實(shí)際工作過程中，需要由TSC首先進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，直到達(dá)到該裝置的最大功率輸出點(diǎn)后再由靈敏度高的SVG進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，補(bǔ)償達(dá)到平衡后靜止無功發(fā)生器逐漸由極限輸出工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為無功輸出的普通狀態(tài)并對三相不平衡情況進(jìn)行優(yōu)化。因此在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要按順序控制兩種發(fā)生器的工作狀態(tài)，從而解決靜止無功發(fā)生器長期在極限運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性差、壽命低的問題。

2 SVG與TSC聯(lián)合補(bǔ)充控制邏輯

無功補(bǔ)償技術(shù)的核心目的是實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)內(nèi)的無功功率平衡及提升三相平衡度，從而顯著提升供電系統(tǒng)的功率因數(shù)、減少負(fù)荷的不平衡性。根據(jù)所提出的SVG及TSC聯(lián)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)首先利用TSC可大容量快速投切的特點(diǎn)，提升功率因數(shù)，對系統(tǒng)粗補(bǔ)償(仍使系統(tǒng)處于不完全補(bǔ)償狀態(tài))。然后再利用SVG能夠從感性到容性連續(xù)輸出無功功率的特點(diǎn)對電路內(nèi)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，提升系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時(shí)還能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)的三相不平衡問題進(jìn)行改善。

結(jié)合控制需求，本次設(shè)計(jì)所提出的SVG及TSC聯(lián)合控制系統(tǒng)整體包括了協(xié)調(diào)控制層、執(zhí)行層及無功控制層三個(gè)部分，其整體控制結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 聯(lián)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖2可知，系統(tǒng)在工作時(shí)，首先利用協(xié)調(diào)控制層來對電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，通過控制中心對系統(tǒng)的無功功率缺口及三相不平衡度情況進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果自動匹配適合的電容器投切組數(shù)及投切控制方案，再根據(jù)SVG及TSC的特性自動分配相應(yīng)的補(bǔ)償容量。系統(tǒng)的無功控制層根據(jù)系統(tǒng)分配的控制方案，對其進(jìn)行二進(jìn)制編碼并發(fā)出調(diào)節(jié)控制指令，最后由執(zhí)行層進(jìn)行控制指令的輸出和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)無功功率平衡的補(bǔ)償及對三相不平衡性的優(yōu)化。

3 電網(wǎng)參數(shù)采集位置確定

目前常用的位置監(jiān)測方法包括以用電負(fù)載作為檢測位置以及將電源側(cè)作為檢測位置兩種方案[4]。

以用電負(fù)載作為檢測位置。該系統(tǒng)具有檢測速度快、控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，但其采用的為開環(huán)的控制方案，系統(tǒng)控制精度稍顯不足。

以用電源側(cè)（補(bǔ)償設(shè)備側(cè)）作為檢測位置。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了對控制信息的閉環(huán)控制，能夠在工作中進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)補(bǔ)償，從而能夠有效地提升系統(tǒng)的補(bǔ)償精度，同時(shí)該系統(tǒng)由于是以保證電源一側(cè)的電壓相位跟蹤，使其和系統(tǒng)的電源參數(shù)保持一致。

該控制系統(tǒng)的核心在于滿足對供電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償快速性和準(zhǔn)確性的需求，單獨(dú)采用用電負(fù)載作為檢測位置及電源側(cè)檢測位置均無法達(dá)到控制需求。因此在經(jīng)過多次實(shí)際驗(yàn)證后，本次研究將SVG的檢測位置設(shè)置到用電負(fù)載側(cè)，將TSC的檢測位置設(shè)置到補(bǔ)償設(shè)備側(cè)。一方面利用TSC控制反應(yīng)速度慢的特點(diǎn)，將檢測位置設(shè)置到用電負(fù)載側(cè)能夠進(jìn)行快速補(bǔ)償，而且該控制系統(tǒng)的控制邏輯相對簡單，可靠性好。另一方面利用SVG反應(yīng)速度快的優(yōu)勢，將其設(shè)置在補(bǔ)償設(shè)備側(cè)，能精確地跟蹤監(jiān)測位置的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)。通過兩種控制模式相結(jié)合的方案能夠?qū)崿F(xiàn)對供電系統(tǒng)快速、精確的功率補(bǔ)償控制，改善系統(tǒng)的三相不平衡性，該組合式的檢測位置布置結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。

圖3 監(jiān)測位置布置結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)仿真分析

為了對該綜合控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，利用MATLAB仿真分析軟件及Simulink仿真工具[6]的電子電力模塊庫建立該綜合控制系統(tǒng)的仿真分析模型。在進(jìn)行仿真分析時(shí)，首先對系統(tǒng)輸入電網(wǎng)監(jiān)測參數(shù)，然后通過TSC向電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)快速提供大量的無功功率，對其進(jìn)行第一階段的粗略補(bǔ)償，再啟動SVG對其進(jìn)行第二階段的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)，對無功補(bǔ)償量進(jìn)行修正，提升其運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)，改善系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的三相不平衡問題。

5 結(jié)論

針對煤礦電網(wǎng)供電負(fù)載不斷增大三相功率不平衡嚴(yán)重、功率因數(shù)不足的現(xiàn)狀，提出了一種新的煤礦供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)，采用TSC（晶閘管投切電容器）及SVG（靜止無功發(fā)生器）混合補(bǔ)償控制方案實(shí)現(xiàn)了對煤礦供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，根據(jù)仿真分析表明：

1）采用TSC（晶閘管投切電容器）及SVG（靜止無功發(fā)生器）相結(jié)合的控制方案，通過混合控制模式按順序控制兩種發(fā)生器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)三相不平衡和功率因數(shù)補(bǔ)償。

2）靜止無功發(fā)生器及晶閘管投切電容器聯(lián)合控制系統(tǒng)整體包括了協(xié)調(diào)控制層、執(zhí)行層及無功控制層三個(gè)部分，結(jié)構(gòu)緊湊，控制穩(wěn)定性好。

3）該技術(shù)能夠?qū)⑾到y(tǒng)整體功率因數(shù)提升31.6%，同時(shí)能夠有效解決系統(tǒng)內(nèi)的三相不平衡情況，提升系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。

4）該無功補(bǔ)償技術(shù)目前在仿真分析中得驗(yàn)證，在項(xiàng)目批準(zhǔn)，資金到位后將投入工業(yè)試驗(yàn)。