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解決方案
安全可靠 能效提升丨新風(fēng)光防爆SVG在煤礦井下供電系統中的應用與分析
一 引言
2007年7月，國家發(fā)展和改革委員會(huì )、國家環(huán)境保護總局在《煤礦工業(yè)節能減排工作意見(jiàn)的通知》中明確提出，煤礦井下應采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補償與就地無(wú)功補償策略，確保補償后供電線(xiàn)路平均功率因數大于0.9。但我國目前現有的在產(chǎn)煤礦以及在建礦山的井下供電系統中的工作面的總裝機容量會(huì )隨采區生產(chǎn)的提高或者設備的更新?lián)Q代而大幅增長(cháng)，此外，在礦山開(kāi)采設計階段，供電線(xiàn)路過(guò)長(cháng)，同時(shí)大量高負荷開(kāi)采、運輸設備的集中使用導致了無(wú)功功率在用電系統中的比例。在目前大多數不經(jīng)設備補償的井下工作面供電系統的平均功率因數通常不超過(guò)0.7，而在電機設備頻繁啟動(dòng)的狀態(tài)下，功率因數甚至可能降至0.4以下。
無(wú)功功率在井下供電系統的含量過(guò)高，不僅嚴重影響煤礦井下的電能質(zhì)量，還為井下采煤及掘進(jìn)工作面的供電線(xiàn)路設計帶來(lái)了挑戰。本文通過(guò)詳細分析防爆SVG在煤礦井下不同工況下的應用方案及效果，探討了該技術(shù)如何解決煤礦生產(chǎn)中長(cháng)期存在的無(wú)功功率問(wèn)題，并討論配置防爆SVG裝置在提升煤礦井下供電系統性能中的重要性和實(shí)用價(jià)值。
二 煤礦井下供電系統現狀分析
2.1 井下電能質(zhì)量問(wèn)題
隨著(zhù)我國礦山開(kāi)采技術(shù)的持續進(jìn)步，井下采用大功率重型礦用設備已成常態(tài)，這一變化有效降低了大規模煤炭資源開(kāi)采的難度。隨著(zhù)采煤和掘進(jìn)設備與供電設備間的距離逐步延伸，以及變頻設備使用比例的增加，煤礦生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益顯著(zhù)提升。然而，這些發(fā)展也伴隨著(zhù)井下供電系統電能質(zhì)量的多種問(wèn)題，具體表現為功率因數偏低、線(xiàn)路末端電壓下降、電壓突降、供電穩定性差、電壓波動(dòng)以及電壓閃變等現象。
影響供電系統的無(wú)功功率往往由大功率設備分布集中的綜采工作面用電系統中發(fā)出，同時(shí)礦山開(kāi)采過(guò)程中負荷設備工作時(shí)間重疊，且多在工業(yè)用電的高峰期集中運行，導致晝夜間負荷差異顯著(zhù)。為了節能降耗，一般 6: 00 ～ 11: 30通常安排為設備的檢修時(shí)段，此時(shí)負荷相對較低，一般僅達到正常工作負荷的20%。11: 30～15: 00 及 16: 00～24: 00 則為負荷高峰時(shí)段，期間生產(chǎn)設備全面投入使用。此外，礦井中800kW及以上大容量電機的間歇性的工作特性，更一步擴大峰谷負荷占用率的不均衡與波動(dòng)
隨著(zhù)變頻器、絞車(chē)、風(fēng)鉆、電機車(chē)等各類(lèi)電子設備在煤礦的廣泛應用，這些設備常常具備非線(xiàn)性沖擊性和不平衡的特性。它們在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的高次諧波，從而引起設備輸入端電流和電壓波形的畸變，進(jìn)而影響設備啟動(dòng)困難。此外，高次諧波的存在不僅使得大型設備啟動(dòng)困難，增加了啟動(dòng)過(guò)程中設備的損耗，還可能導致設備頻繁燒毀或跳閘。這些問(wèn)題不僅增加了電氣設備的運行成本，使設備過(guò)熱、效率下降、安全性降低，還威脅到上級繼電保護設備的可靠性，可能引發(fā)各類(lèi)保護系統誤動(dòng)或拒動(dòng)。除此之外諧波在一定程度上存在著(zhù)引起系統局部諧振的可能，由此對電氣設備正常運行產(chǎn)生干擾。這種干擾不僅降低了礦用設備的絕緣性能，增加了電氣安全事故的風(fēng)險，也嚴重影響了煤礦的安全運營(yíng)和生產(chǎn)效率。
2.2 無(wú)功功率對井下長(cháng)距離供電系統設計的影響
煤礦礦山電力系統的設計受限于開(kāi)采地區地質(zhì)特點(diǎn)、煤炭開(kāi)采經(jīng)濟效益等因素的制約，所以電力供應系統的布置相對復雜。一般情況下，煤礦供電系統拓撲結構如圖2，井上35(10)kV變電所經(jīng)中央變電所，向采區變電所供電，再由采區變電所通過(guò)移動(dòng)變電站變壓至3.3kV/1.14kV供給采、掘工作面的臨時(shí)配電點(diǎn)。在這套供電系統中，井下至末端的采區變電所最長(cháng)的10(6)kV電纜長(cháng)度達10km，且包含多個(gè)分支。最遠的末端工作面配電點(diǎn)距離采區變電所可達5km，其末端電壓下降超過(guò)額定電壓的7%。
圖2 煤礦礦山電力系統設計概覽圖
圖3 工作面供電示意圖
三 防爆SVG基本原理
3.1 防爆SVG主回路拓撲
防爆SVG 是通過(guò)利用大功率電力電子器件（IGBT）的高頻開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現系統無(wú)功功率的變換，受限于目前行業(yè)內電力電子器件的容量上限，同時(shí)為了滿(mǎn)足礦山井下供電線(xiàn)路對高電壓大電流的無(wú)功補償裝置的需求，可通過(guò)對SVG功率單元進(jìn)行串聯(lián)（多電平）或并聯(lián)（多重化）的方式來(lái)擴展其容量。
防爆SVG是基于鏈式H橋多電平拓撲結構的SVG裝置，其中每一相都由多個(gè)獨立的H橋模塊串聯(lián)組成，從而實(shí)現多電平的控制。H橋模塊內的電力電子器件和電容承受相同的負荷，當輸出電平數相同時(shí)，鏈式結構多電平電路相較于其他設計，所需的電力電子器件更少，且在器件開(kāi)關(guān)頻率相同的條件下，能夠產(chǎn)生更低的諧波，從而提高了系統的整體效能和可靠性。
防爆SVG的拓撲優(yōu)勢在于，所有模塊結構完全相同，意味著(zhù)更高程度的模塊化設計與工業(yè)化組裝，另外單元模塊節省了鉗位二極管或平衡電容的使用，從而便于進(jìn)行模塊的多重組合、調試和安裝。此外，該設計有效地解決了直流側電壓不穩定問(wèn)題。在應對高電壓和大容量的應用場(chǎng)景中，基于鏈式結構的多電平電路顯示出了相較于傳統多電平電路的顯著(zhù)優(yōu)勢。
圖4 H橋級聯(lián)SVG拓撲結構
3.2 無(wú)功補償裝置(SVG)無(wú)功補償原理
防爆SVG實(shí)現無(wú)功補償原理為：采用鏈式H橋多電平拓撲結構，通過(guò)功率器件IGBT的高頻通斷將直流側電壓轉換成與交流側電網(wǎng)同頻率的輸出電壓。
以基波頻率狀態(tài)下可將防爆型靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）等效為一個(gè)輸出電壓幅值和相位均可調控的同頻交流電壓源設備，如圖5所示等效模型中，電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量Us和UI表示，連接電抗X上的電壓UL即為Us和UI的相量差，連接電抗的電流是由其電壓控制即為防爆SVG從電網(wǎng)吸收的的電流I。
因此，通過(guò)改變防爆SVG交流側輸出電壓UI的幅值及其相對于系統電壓Us的相位，就能夠調節連接電抗上的電壓，進(jìn)而精確控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，最終實(shí)現控制SVG吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。
圖5 SVG等效電路圖
在圖4所示的等效電路中電抗器視為純電感，如果忽略其損耗及變流器的損耗，假設其不消耗有功功率。在此模型的前提下，需使UI于Us同相，通過(guò)改變UI的幅值大小可控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流I為超前或是滯后90°，且能控制該電流的大小。如圖6所示，當UI大于Us時(shí)，電流超前系統電壓90°，SVG從系統吸收容性的無(wú)功功率；當UI小于Us時(shí)，電流滯后系統電壓90°，SVG從系統吸收感性的無(wú)功功率。
圖6 工作原理向量圖
3.3 無(wú)功補償裝置(SVG)諧波補償原理
采用直接電流控制的有源濾波型SVG的工作原理如圖7所示。從圖中可以得出式（1），即系統電流IS是負載電流IL和補償電流IC的相量和。
圖7 直接電流控制的靜止無(wú)功發(fā)生器的工作原理
假設負載電流IL中含有基波正序電流（包括基波正序無(wú)功電流ILfq+和基波正序有功電流ILfp+）、基波負序電流ILf-和諧波電流IL如式（2）所示。
要使靜止無(wú)功發(fā)生器對負載諧波進(jìn)行抑制，需要使靜止無(wú)功發(fā)生器輸出電流IC滿(mǎn)足式（3）
如果要使靜止無(wú)功發(fā)生器對負載諧波抑制的同時(shí)還對系統進(jìn)行補償無(wú)功，需要使裝置輸出電流IC滿(mǎn)足式（4）。
在實(shí)際井下供電系統的應用中，防爆SVG諧波檢測算法能實(shí)時(shí)、準確地檢測出系統中的諧波電流，在對井下供電系統進(jìn)行諧波補償時(shí)，能有效地吸收電網(wǎng)諧波，滿(mǎn)足井下供電系統中電網(wǎng)對諧波指標要求。圖8為防爆SVG補償電網(wǎng)諧波前后對比。
圖8 防爆SVG補償電網(wǎng)諧波前后對比
四 新風(fēng)光解決井下供電問(wèn)題的方案
4.1 集中補償解決方案
10kV/6kV大容量無(wú)功補償裝置，適用于配置在井下高壓配電點(diǎn)中，可以對此配電點(diǎn)供電的多個(gè)用電工作面的所有負荷進(jìn)行集中補償，從整條供電系統層面有效提高用電工作面的電能質(zhì)量和功率因數，同時(shí)濾除電網(wǎng)中的諧波，從而增強供電線(xiàn)路的傳輸能力和供電效率。此外，該補償方案通過(guò)穩定電壓，能顯著(zhù)提升遠距離供電的穩定性和節能效果。這種技術(shù)配置不僅優(yōu)化了電力系統的運行效率，還有助于降低運維成本，實(shí)現高效、穩定的電能供應。
圖9 集中補償解決方案
集中補償解決方案可以有效補償高壓供電供電線(xiàn)路中的無(wú)功電流，通過(guò)降低線(xiàn)路無(wú)功電流損耗顯著(zhù)降低系統損耗；同時(shí)提高系統功率因數，根據用電設備精確選型無(wú)功補償設備可將功率因數由0.5以下提升至0.99；此外，該技術(shù)還能濾除系統中存在的諧波，減少由諧波引起的用電設備故障，增強電氣設備的運行穩定性。通過(guò)提高設備的可靠性，可以大幅度降低人力與物力成本，優(yōu)化設備的維護與運營(yíng)效率。這種技術(shù)的應用不僅改善了電能質(zhì)量，還有助于延長(cháng)設備壽命和提高整個(gè)供電系統的經(jīng)濟性及環(huán)境友好性。
4.2 分散及就地補償解決方案
3.3kV/1.14kV防爆無(wú)功補償裝置，配置在工作面3.3kV/1.14kV供電線(xiàn)路中，可以針對某一生產(chǎn)工作面一個(gè)或幾個(gè)負荷進(jìn)行定向補償，可有效提高供電支路因數，減少線(xiàn)纜電能損耗、提高上級移動(dòng)變壓器利用率降低變壓器壓降。達到延長(cháng)采掘工作面供電的目的。
在目前煤礦開(kāi)采生產(chǎn)工藝和用電工作面供電工藝下，終端開(kāi)采負荷與上級移動(dòng)變壓器之間供電距離過(guò)長(cháng)，且工作面大型設備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生超高的無(wú)功沖擊，造成線(xiàn)路終端電壓跌落嚴重，達不到設備正常工作電壓范圍。為了解決這一問(wèn)題，可以采取分布式就地無(wú)功補償裝置方案對開(kāi)采工作面的個(gè)別存在無(wú)功沖擊設備進(jìn)行單獨補償，配置方式為，將防爆 SVG 配置在采煤、掘進(jìn)工作面供電線(xiàn)路中部或接于負荷側，通過(guò)快速跟進(jìn)抵消設備啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的無(wú)功沖擊，提高線(xiàn)路末端網(wǎng)壓，穩定設備運行，節能降耗。采掘工作面長(cháng)距離供電終端單獨補償方案拓撲如圖10。
圖10 分散及就地補償方案
采、掘工作面長(cháng)距離供電終端單獨方案的優(yōu)勢在于充分利用防爆 SVG≤20ms的動(dòng)態(tài)響應速度，實(shí)現負荷變化的實(shí)時(shí)跟蹤，動(dòng)態(tài)且平滑補償無(wú)功功率。設備內部與電纜并聯(lián)，保障了負荷的正常運作不受影響；投切時(shí)無(wú)暫態(tài)沖擊，無(wú)合閘涌流，無(wú)需放電即可再投；在額定電流的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%；系統集成了過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、單元過(guò)熱和不均壓等保護機制。顯著(zhù)提高了運行的可靠性。
分散及就地補償解決方案是礦山開(kāi)采長(cháng)距離電力供應，超長(cháng)供電距離設計，減少移動(dòng)變電站的調動(dòng)頻率的重要設計環(huán)節，通過(guò)分路及就地補償可以節約大量人力成本，有效提升采掘作業(yè)面的能源供應效率和安全性。
五 總結
綜上所述，在煤礦供電系統中，部署無(wú)功補償裝置對優(yōu)化井下供電系統具有重要意義。此舉不僅可以改善供電系統的電能質(zhì)量，還有助于通過(guò)補償無(wú)功功率減少線(xiàn)路電流，從而延長(cháng)工作面的供電距離。這種技術(shù)的應用能夠解決現有井下供電系統面臨的多種問(wèn)題，實(shí)現節能降耗，并為我國實(shí)現碳達峰和碳中和目標提供支持。
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