1、TCR 动态无功补偿装置在煤矿无功及谐波综合治理中的应用【摘要】 为有效抑制电网谐波并提高功率因数，结合煤矿变电所负荷波动性强的特点，对于基于晶闸管相控电抗器（TCR）型静止无功补偿器的谐波及无功综合治理技术在煤矿变电所中的应用进行了研究。 【关键词】 煤矿；变电所；晶闸管相控电抗器；谐波治理；无功补偿 随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，煤矿设备朝着大功率、变频化方向发展，为优化启动和运行特性，提高设备运行可靠性、减少电能损耗、延长使用寿命，大功率提升机通常采用晶闸管供电的直流电控系统或交交变频调速系统，这类新型设备的应用大大增加了供配电系统中的非线性负荷，给电网造成了更大的“谐波污
2、染” ，这已经成为矿井供电和生产设备安全运行的公害之一。另外由于上述装置所控设备容量较大（达一千至数千 kW） ，且大多为感性负荷，在运行过程中会消耗大量的无功功率，致使煤矿供配电系统平均功率因数达不到国家要求，也会影响电网的供电质量。因此，无功补偿及谐波抑制已成为煤矿供配电系统急需解决的一个重要问题。 通常煤矿变电所无功补偿一般采用自动投切电容器组或晶闸管投切电容器组来实现，但是上述两种方式不能实现无功功率的平滑调节，容易发生过补偿或欠补偿的现象，且响应速度较慢，对于提升机这类的冲击性负荷的补偿效果不理想，并且也不能消除供电网络产生的高次谐波。晶闸管相控电抗器（TCR）型静止无功补偿器具有响
3、应速度快、可平滑调节等特点，尤其适用于提升机等冲击性负荷的无功补偿，研究利 TCR型静止无功补偿器来实现对煤矿变电所无功及谐波综合治理具有很强的现实意义。 1 TCR 系统原理 TCR 基本原理如图 1 所示，控制晶闸管（TH1、TH2）的触发角，使电流 I 随触发角的变化而变化，从而使补偿电抗器产生连续可变的感性无功。 图 1 TCR 原理图 2 技术方案 在煤矿变电所无功及谐波综合治理中，TCR 动态无功补偿装置采用无源谐波吸收与无功补偿相结合的配置方案，具有滤波和补偿双重功能。 该方案按照全矿井需要补偿的无功功率来选配电容器，补偿容量同时考虑了晶闸管变流设备部分运行时产生的无功功率以及母
4、线上其余感性负荷产生的无功功率，然后把电容器分为若干组，每组串联相应的电抗调谐到对某一特定谐波（如 5、7、11、13 次等）串联谐振。在各个串联谐振支路中，对应的某特定次谐波的感抗与容抗相等，即该支路总阻抗为 0，组成了专门吸收各次谐波的滤波器。 由于矿井负荷可变，试产期、投产期、达产期负荷相差甚大，为避免矿井负荷较小时过补，向电网发无功极不经济，且引起母线电压升高，可将补偿滤波器设计成能按负荷变化分段投切。一般可分为三档容量，分三段投切为宜。对于矿井传动系统，因大量旁频波的存在，常将串联电抗与电阻并联，它有吸收 57 次、711 次间等的旁频波作用。若为晶闸管供电直流传动系统，则通常还需单
5、设一组高通滤波器，以吸收更高次谐波。该装置的主电路采用三相晶闸管反并联的全控方式，提高了可靠性，即使某相一个晶闸管损坏，也不会导致电容器误投，同时电容器组内部已接成三角形，使体积减少、制造成本降低、电容器的无功容量得到充分利用，达到了综合提高系统功率因数和抑制谐波的目的。 TCR 动态补偿装置在煤矿实际应用中，主要包括以下 3 个部分，如图2 所示。 图 2 TCR 动态补偿装置系统图 （1）滤波器组。滤波器组提供恒定的超前基波无功并吸收负载和动态补偿装置本身所产生的谐波。它是由 3 次、5 次、7 次单调谐滤波器及高通滤波器组成。LC 滤波器是一种无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适
6、当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿的需要。该装置中将单调谐滤波器 H3、H5、H7 谐振次数分别设定为 3 次、5 次、7 次，则对应次数的谐波大部分流入该次滤波器，从而起到滤除该次谐波的作用。而高通滤波器 H12 实际为一个二阶高通滤波器，它在某一很宽的频带范围内呈现为低阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入其中。另外，LC 滤波器还和 TCR 一起作用实现无功补偿，它起到将补偿范围拓宽到超前的作用。（2）晶闸管控制的线性电抗器。晶闸管控制的线性电抗器起到稳定器的作用，产生可调的滞后无功，与滤波器组的恒定容性无功一起输出可控无功以补偿系
7、统或负载动态无功的需求。与电抗器串联的反并联晶闸管阀组用来控制电抗器电流的大小。当阀的控制角 为最大时为关断状态，补偿器输出最大容性无功； 为最小时，由于电抗器的滞后无功与电容器的超前无功相互抵消，补偿器不向系统提供无功。 （3）调节控制装置。其功能是依据一定的调节方式，检测负荷、电压功率因数等参数作为输入信号，用以改变晶闸管阀组的控制角从而控制电抗元件吸收的无功。动态补偿装置只有在控制器具有良好的动态响应时间、准确的投切功率和较高的自识别能力的基础上才能达到最佳的补偿效果。 采用上述 TCR+FC 并联的技术方案可解决供电系统的平均功率因数补偿、电压波动抑制、谐波治理等问题。装置可平滑调节无
8、功的输出。动态补偿调节时，设备动作响应时间10 ms。 3 应用实例 某煤矿井下主、副井提升机均采用晶闸管变流器传动。其中主井提升机为 ABB 公司的交交变频双绕组同步电机传动系统，副井提升机为 12脉动变流器直流电机传动系统，电机容量都是 1000kW，原安装的一套ABB 的基波容量为 4600kvar 的永久滤波装 置，在矿井初期负荷较小的情况下，产生过补偿而无法使用。矿井供配电系统平均功率因数仅为 0.72左右，被上级供电部门罚款。为了解决这一问题，考虑选用 TCR 动态无功补偿装置进行谐波治理，并提高功率因数。 为了准确掌握谐波特性，并便于对谐波及无功治理的效果进行综合分析，分别对采用
9、 TCR 动态无功补偿装置进行无功及谐波综合治理前后的 6kV 母线进线谐波电流和功率因数数据进行了测试。 3.1 治理前的工况测定 3.1.1 6kV 母线进线谐波电流测试数据 6 kV 母线非线性负荷所注入的谐波电流主要有 3、5、7 次谐波成分，具体测试数据如下： （1） 3 次谐波电流最大值和含量为：I3max=5.76 A；HRI3max=0.9%； （2）5 次谐波电流最大值和含量为：I5max=43.24 A；HRI5max=5.0%； （3）7 次谐波电流最大值和含量为：I7max=7.89 A；HRI7max=1.2%。 （4）三相谐波电流总畸变率最大值分别为：THDiama
10、x=7. 4%；THDibmax= 7.2%；THDicmax=6.9% 3.1.2 6kV 母线进线功率因数测试数据 6 kV 母线进线功率测试数据如下： （1）三相平均功率因数最小值为 0.69。 （2）三相平均功率因数最大值为 0.76。 （3）三相平均功率因数为 0.72。 （4）相最小功率因数为 0.43。 （5）相最大功率因数为 0.97。 3.2 采用 TCR 治理后的的工况测定 3.2.1 6kV 母线进线电流测试数据 （1） TCR 动态无功补偿装置投入运行后，母线电流中已不含有3、5、7 次谐波成分，说明上述谐波成分已全部被 TCR 滤除。 （2） TCR 动态无功补偿装置
11、投入运行后，TCR 不仅滤除了 6 kV 母线非线性负荷所注入的谐波电流，也滤除了部分由 35 kV 系统侧引入的3、5、7 次谐波电流。 3.2.2 6kV 母线进线功率测试数据 （1） 电源总功率因数在 0.981.0 范围。 （2） 电源总电流有效值下降接近 20%。 （3） 各次谐波功率都接近零，有效地降低了由于谐波注入电力系统而引起的有功功率损耗。 3.3 应用效益分析 该滤波装置自 2010 年 7 月投运以来该煤矿变电所 6kV 母线的功率因数由原来的 0.72 左右提高到 0.98 左右。2009 年在用电量为 3270 万kWh，功率因数为 0.72 时，被上级供电部门罚款
12、129 万元；2011 年用电量为 4000 万 kWh，由于使用了 TCR 动态无功补偿装置进行无功及谐波的综合治理，功率因数达到了 0.98 左右，谐波电流成分基本被滤除，由此而带来的经济效益具体如下： （1）避免上级供电部门罚款而节省开支为 129 万元。 （2）经计算减少线损 50457 kWh，减少变压器损耗 83044 kWh，电费按 0.5 元/度计算，以上两项减少损耗节约支出为万元 6.67 万元。 （3）功率因数提高后，上级供电部门按规定进行了奖励，以此冲减电费支出为 17.24 万元。 4 结论 基于晶闸管控制电抗器（TCR）动态无功补偿装置的煤矿变电所无功及谐波综合治理技
13、术的引入有效地改善了煤矿变电所的供电质量，提高了系统的功率因数，消除了谐波对系统的的不良影响，特别适用于矿井等负荷波动较为明显的情况。该技术通过现场实际应用，经济效益显著，具有较好的推广应用价值。 参考文献： 1李美锦.煤矿供电系统中谐波危害的防治J.煤矿安全，2002，33（08）：3435 2王琦，关立德.煤矿井下供电系统无功功率补偿技术J.煤矿安全，2002，39（6）：9597 3王强，郑瑜，王玉奎.无功补偿装置在煤矿井下供电系统的应用J.神华科技，2011，9（6）：5558 4张义杰.煤矿变电所谐波滤波及无功分段补偿技术J.电力自动化设备，2002，29（9）：8284 5田文科，崔智命，白宏峰.煤矿供电系统静止型动态无功补偿装置的应用J.实用技术，2009，18（9）：4144
