無功補(bǔ)償裝置在煤礦綜采工作面的應(yīng)用研究

梁 宇， 王 鵬， 王 海

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦， 山西 孝義 032306）

引言

煤礦智能化開采是煤炭生產(chǎn)方式變更的新階段[1]，隨著智能化綜采工作面逐步進(jìn)入高陽煤礦實(shí)踐生產(chǎn)階段，更多的自動化設(shè)備引入到綜采工作面中，甚至更多大功率設(shè)備應(yīng)用到綜采工作面中。這樣給礦井供配電系統(tǒng)帶來了幾方面的問題：1）大功率設(shè)備的使用，加之較遠(yuǎn)的供電距離，造成井下電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，電壓波動較大，用電終端電壓降增大等問題增多[2]；2）智能化工作面使用的變頻設(shè)備的增多帶來的諧波影響成為井下供配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障的多發(fā)因素[3]；智能化綜采工作面中普遍使用電液控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)等對整個綜采工作面的電磁環(huán)境有較高的要求，這對工作面的電氣設(shè)備布置、供電方式等提出了新的要求[4]。因此，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全性，才能有效保障電氣設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，優(yōu)化供電系統(tǒng)性能成為了推進(jìn)智能化工作面的基礎(chǔ)研究問題。目前，通過集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償?shù)确绞降臒o功補(bǔ)償器的使用，能夠有效提高設(shè)備有功功率，抑制諧波影響[5]。

1 靜止無功發(fā)生器（SVG）工作原理及特點(diǎn)

靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator 以下簡稱SVG）是一種用于動態(tài)補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，其基本原理是將電壓源型逆變器經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)中，通過調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT 器件的開關(guān)，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位。通過檢測系統(tǒng)中所需的無功，可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無功，實(shí)現(xiàn)無功的就地平衡[6]。

靜止無功發(fā)生器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路，其中指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測出補(bǔ)償對象電流中的無功電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三個部分構(gòu)成。主電路目前均采用PWM 變流器[7]。

2 綜采工作面設(shè)備選型及供電簡介

高陽煤礦21105 綜采工作面電源取自二采一號變電所三臺高開，其中兩臺高開為21105 材料巷設(shè)備提供電源，設(shè)備分別為：T1 移變（KBSGZY-1600/6/1.2），該移變承擔(dān)負(fù)荷為轉(zhuǎn)載機(jī)（SZZ-1000/400）和前 刮 板 輸 送 電 機(jī) （SGZ800/800）；T3 移 變（KBSGZY-1600/6/1.2），該移變承擔(dān)負(fù)荷為采煤機(jī)（MG400/920-WD）、破碎機(jī)（PLM3500）兩臺和噴霧泵（XPB-315/6.3）兩臺；T4 移變（KBSGZY-1000/6/0.69），該移變承擔(dān)負(fù)荷為乳化液泵站（WRB-400/31.5）和T2 移變（KBSGZY-1600/6/1.2），該移變承擔(dān)負(fù)荷為后刮板輸送機(jī)（SGZ-880/800）。另一高開為21105 運(yùn)巷設(shè)備提供電源，設(shè)備分別為T5 移變（KBSGZY-1600/6/1.2），該移變承擔(dān)的負(fù)荷為皮帶輸送機(jī)電機(jī)（SSJ-1200/2×315）兩部。

3 靜止無功發(fā)生器（SVG）的現(xiàn)場應(yīng)用分析

3.1 使用SVG 裝置介紹

高陽煤礦21105 工作面實(shí)際應(yīng)用一臺礦用隔爆兼本安型鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器，廠家為山西浩宇龍晟電子科技有限公司。設(shè)備安裝于21105 綜采工作面控制后部溜子變頻器的電源側(cè)。型號為WJL1-500/1140，補(bǔ)償功率 500 kVar。

3.2 數(shù)據(jù)選取原則及數(shù)據(jù)分析

無功補(bǔ)償裝置安裝前制定了詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集收集方案，并在安裝使用后進(jìn)行了科學(xué)合理的數(shù)據(jù)采集。因綜采工作面的后溜負(fù)荷數(shù)據(jù)在實(shí)時跳變，且負(fù)荷變化無規(guī)律可循，因此采集數(shù)據(jù)方案選取了不同時間段的數(shù)據(jù)，在地面將進(jìn)行分選整理。

功率因數(shù)數(shù)據(jù)的選取方法：數(shù)據(jù)取樣區(qū)間為1 min，選取1 min 內(nèi)最小值與最大值，每次共10 min；共計選取6 d30 組數(shù)據(jù)，每天5 組，每組數(shù)據(jù)為10 min 內(nèi)10 次最小值的平均值及10 min 內(nèi)10 次最大值的平均值。

網(wǎng)側(cè)電流數(shù)據(jù)選取方法：根據(jù)在輕載負(fù)荷與重載負(fù)荷不同時段進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)收集，形成曲線。共計5 日100 組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)為1 min 中內(nèi)電流平均值。

網(wǎng)側(cè)電壓數(shù)據(jù)選取方法同功率因數(shù)數(shù)據(jù)選取方法，共計選取25 組數(shù)據(jù)。

通過對無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行實(shí)地數(shù)據(jù)采集、分選，分析整理結(jié)果如下。

3.2.1 SVG 使用前后的功率因數(shù)對比

實(shí)測使用前后功率因數(shù)的曲線對比如圖1 所示。

圖1 使用前后功率因數(shù)對比

由數(shù)據(jù)可知，使用SVG 前功率因數(shù)最小值浮動范圍為 0.7～0.8，最大值浮動范圍為 0.85～0.95；使用SVG 后功率因數(shù)的最小值浮動范圍為0.8～0.85，最大值浮動范圍為0.9～1。經(jīng)過對比，使用前后功率因數(shù)的最小值和最大值分別提高了14.3%、5.9%。其中，使用前功率因數(shù)達(dá)到0.85 以上占比為43.3%，使用后功率因數(shù)達(dá)到0.85 以上占比為63.4%。負(fù)荷在輕載和重載情況下的功率因數(shù)實(shí)時數(shù)據(jù)曲線如圖2。由圖可知，在刮板輸送機(jī)輕載情況下使用無功補(bǔ)償器整體功率因數(shù)有所提高，但功率因數(shù)跳躍性比較大，浮動范圍依然較大；在重載曲線中，可以明顯看到功率因素較為集中，達(dá)到0.95～1 的峰值數(shù)量較多，使用效果更明顯。

3.2.2 SVG 使用前后網(wǎng)側(cè)電流對比

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行整理制作曲線圖，SVG使用前后網(wǎng)側(cè)電流數(shù)據(jù)曲線如圖3 所示。

圖2 使用前后輕載重載情況下功率因數(shù)曲線對比

由比較可知：在輕載負(fù)荷時，使用SVG 后網(wǎng)側(cè)電流值由 150～200 A 的范圍降低為 135～180 A 的范圍，降低百分比為10%；在重載負(fù)荷時，使用SVG 后網(wǎng)側(cè)電流值由250～285 A 的范圍降低為190～230 A的范圍，降低百分比為19%～24%。在重載情況下，無功補(bǔ)償器對降低設(shè)備運(yùn)行電流作用效果明顯。

3.2.3 SVG 使用前后的網(wǎng)側(cè)電壓對比

如下頁圖4 曲線可知，在SVG 使用前網(wǎng)側(cè)電壓趨勢在1 140～1 150 V，滿足供電要求，使用后網(wǎng)側(cè)電壓有一定提高，電壓趨勢在1 145～1 155 V。對比使用前后曲線平滑度可知，在使用后電壓波動范圍明顯縮小，電壓波動產(chǎn)生的尖峰數(shù)量明顯減少，可以從側(cè)面驗(yàn)證無功補(bǔ)償器在保持供電系統(tǒng)穩(wěn)定性上有一定效果。

圖3 使用前后輕載重載電流趨勢圖

4 結(jié)語

綜合以上闡述及現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，無功補(bǔ)償裝置在綜采工作面中的應(yīng)用對供電功率因數(shù)及供電質(zhì)量的提高有一定的作用，同時，通過無功補(bǔ)償可以有效降低電能消耗，在煤礦企業(yè)中起到節(jié)能降耗的作用。

圖4 使用前后網(wǎng)側(cè)電壓曲線對比