產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
安全可靠 能效提升丨新風光防爆SVG在煤礦井下供電系統中的應用與分析
一 引言
2007年7月，國家發展和改革委員會、國家環境保護總局在《煤礦工業節能減排工作意見的通知》中明確提出，煤礦井下應采用動態無功補償與就地無功補償策略，確保補償后供電線路平均功率因數大于0.9。但我國目前現有的在產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隨采區生產的提高或者設備的更新換代而大幅增長，此外，在礦山開采設計階段，供電線路過長，同時大量高負荷開采、運輸設備的集中使用導致了無功功率在用電系統中的比例。在目前大多數不經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0.7，而在電機設備頻繁啟動的狀態下，功率因數甚至可能降至0.4以下。
無功功率在井下供電系統的含量過高，不僅嚴重影響煤礦井下的電能質量，還為井下采煤及掘進工作面的供電線路設計帶來了挑戰。本文通過詳細分析防爆SVG在煤礦井下不同工況下的應用方案及效果，探討了該技術如何解決煤礦生產中長期存在的無功功率問題，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用價值。
二 煤礦井下供電系統現狀分析
2.1 井下電能質量問題
隨著我國礦山開采技術的持續進步，井下采用大功率重型礦用設備已成常態，這一變化有效降低了大規模煤炭資源開采的難度。隨著采煤和掘進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，煤礦生產企業的經濟效益顯著提升。然而，這些發展也伴隨著井下供電系統電能質量的多種問題，具體表現為功率因數偏低、線路末端電壓下降、電壓突降、供電穩定性差、電壓波動以及電壓閃變等現象。
影響供電系統的無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出，同時礦山開采過程中負荷設備工作時間重疊，且多在工業用電的高峰期集中運行，導致晝夜間負荷差異顯著。為了節能降耗，一般 6: 00 ～ 11: 30通常安排為設備的檢修時段，此時負荷相對較低，一般僅達到正常工作負荷的20%。11: 30～15: 00 及 16: 00～24: 00 則為負荷高峰時段，期間生產設備全面投入使用。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
隨著變頻器、絞車、風鉆、電機車等各類電子設備在煤礦的廣泛應用，這些設備常常具備非線性沖擊性和不平衡的特性。它們在運行過程中會產生大量的高次諧波，從而引起設備輸入端電流和電壓波形的畸變，進而影響設備啟動困難。此外，高次諧波的存在不僅使得大型設備啟動困難，增加了啟動過程中設備的損耗，還可能導致設備頻繁燒毀或跳閘。這些問題不僅增加了電氣設備的運行成本，使設備過熱、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，可能引發各類保護系統誤動或拒動。除此之外諧波在一定程度上存在著引起系統局部諧振的可能，由此對電氣設備正常運行產生干擾。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險，也嚴重影響了煤礦的安全運營和生產效率。
2.2 無功功率對井下長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采地區地質特點、煤炭開采經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變電所經中央變電所，向采區變電所供電，再由采區變電所通過移動變電站變壓至3.3kV/1.14kV供給采、掘工作面的臨時配電點。在這套供電系統中，井下至末端的采區變電所最長的10(6)kV電纜長度達10km，且包含多個分支。最遠的末端工作面配電點距離采區變電所可達5km，其末端電壓下降超過額定電壓的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 是通過利用大功率電力電子器件（IGBT）的高頻開關來實現系統無功功率的變換，受限于目前行業內電力電子器件的容量上限，同時為了滿足礦山井下供電線路對高電壓大電流的無功補償裝置的需求，可通過對SVG功率單元進行串聯（多電平）或并聯（多重化）的方式來擴展其容量。
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獨立的H橋模塊串聯組成，從而實現多電平的控制。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，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，且在器件開關頻率相同的條件下，能夠產生更低的諧波，從而提高了系統的整體效能和可靠性。
防爆SVG的拓撲優勢在于，所有模塊結構完全相同，意味著更高程度的模塊化設計與工業化組裝，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題。在應對高電壓和大容量的應用場景中，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優勢。
圖4 H橋級聯SVG拓撲結構
3.2 無功補償裝置(SVG)無功補償原理
防爆SVG實現無功補償原理為：采用鏈式H橋多電平拓撲結構，通過功率器件IGBT的高頻通斷將直流側電壓轉換成與交流側電網同頻率的輸出電壓。
以基波頻率狀態下可將防爆型靜止無功發生器（SVG）等效為一個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從電網吸收的的電流I。
因此，通過改變防爆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，進而精確控制SVG從電網吸收電流的相位和幅值，最終實現控制SVG吸收無功功率的性質和大小。
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，通過改變UI的幅值大小可控制SVG從電網吸收的電流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，電流超前系統電壓90°，SVG從系統吸收容性的無功功率；當UI小于Us時，電流滯后系統電壓90°，SVG從系統吸收感性的無功功率。
圖6 工作原理向量圖
3.3 無功補償裝置(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功發生器的工作原理
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。
要使靜止無功發生器對負載諧波進行抑制，需要使靜止無功發生器輸出電流IC滿足式（3）
如果要使靜止無功發生器對負載諧波抑制的同時還對系統進行補償無功，需要使裝置輸出電流IC滿足式（4）。
在實際井下供電系統的應用中，防爆SVG諧波檢測算法能實時、準確地檢測出系統中的諧波電流，在對井下供電系統進行諧波補償時，能有效地吸收電網諧波，滿足井下供電系統中電網對諧波指標要求。圖8為防爆SVG補償電網諧波前后對比。
圖8 防爆SVG補償電網諧波前后對比
四 新風光解決井下供電問題的方案
4.1 集中補償解決方案
10kV/6kV大容量無功補償裝置，適用于配置在井下高壓配電點中，可以對此配電點供電的多個用電工作面的所有負荷進行集中補償，從整條供電系統層面有效提高用電工作面的電能質量和功率因數，同時濾除電網中的諧波，從而增強供電線路的傳輸能力和供電效率。此外，該補償方案通過穩定電壓，能顯著提升遠距離供電的穩定性和節能效果。這種技術配置不僅優化了電力系統的運行效率，還有助于降低運維成本，實現高效、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路中的無功電流，通過降低線路無功電流損耗顯著降低系統損耗；同時提高系統功率因數，根據用電設備精確選型無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。通過提高設備的可靠性，可以大幅度降低人力與物力成本，優化設備的維護與運營效率。這種技術的應用不僅改善了電能質量，還有助于延長設備壽命和提高整個供電系統的經濟性及環境友好性。
4.2 分散及就地補償解決方案
3.3kV/1.14kV防爆無功補償裝置，配置在工作面3.3kV/1.14kV供電線路中，可以針對某一生產工作面一個或幾個負荷進行定向補償，可有效提高供電支路因數，減少線纜電能損耗、提高上級移動變壓器利用率降低變壓器壓降。達到延長采掘工作面供電的目的。
在目前煤礦開采生產工藝和用電工作面供電工藝下，終端開采負荷與上級移動變壓器之間供電距離過長，且工作面大型設備在啟動瞬間產生超高的無功沖擊，造成線路終端電壓跌落嚴重，達不到設備正常工作電壓范圍。為了解決這一問題，可以采取分布式就地無功補償裝置方案對開采工作面的個別存在無功沖擊設備進行單獨補償，配置方式為，將防爆 SVG 配置在采煤、掘進工作面供電線路中部或接于負荷側，通過快速跟進抵消設備啟動瞬間產生的無功沖擊，提高線路末端網壓，穩定設備運行，節能降耗。采掘工作面長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、掘工作面長距離供電終端單獨方案的優勢在于充分利用防爆 SVG≤20ms的動態響應速度，實現負荷變化的實時跟蹤，動態且平滑補償無功功率。設備內部與電纜并聯，保障了負荷的正常運作不受影響；投切時無暫態沖擊，無合閘涌流，無需放電即可再投；在額定電流的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%；系統集成了過壓、欠壓、過流、單元過熱和不均壓等保護機制。顯著提高了運行的可靠性。
分散及就地補償解決方案是礦山開采長距離電力供應，超長供電距離設計，減少移動變電站的調動頻率的重要設計環節，通過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，部署無功補償裝置對優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量，還有助于通過補償無功功率減少線路電流，從而延長工作面的供電距離。這種技術的應用能夠解決現有井下供電系統面臨的多種問題，實現節能降耗，并為我國實現碳達峰和碳中和目標提供支持。
