矿井电力系统无功功率补偿技术的应用分析论文.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文）矿井电力系统无功功率补偿技术的应用分析摘 要：近年来，随着电力电子技术的发展与进步，电网中的整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成严重污染。另一方面，现代工业、商业及居民用户设备对电能质量更加敏感，对供电质量提出了更高的要求。SVC装置在煤矿供电系统中的成功应用，对其他类似供电系统的改造也有很好的借鉴作用。本文介绍了SVC技术的国内外发展进程及在无功补偿方面多具有的优势和存在的问题。分析了矿井电力系统的功率因数的改善方法和无功功率的平衡与补偿技术。针对TCR型无功功率补偿装置进行了理论计算，确定了无功补偿容量，然后对提升机供电系统的滤波器进行合理设计，选择了滤波器，进行了系统仿真。关键词：矿井；电力系统；无功功率；补偿Mine power system reactive power compensation technology application analysisABSTRACT： In recent years，with the development and progress of power electronics technology，more and more power electronic devices，such as: Power rectifiers，frequency converter，electric arc furnace，are used in power grid. Those equipment seriously Pollutes the power resource for their nonlinear，impact，unbalance feature. Whereas，electrical equipments，used in modem industry，business and citizen，are more sensitive to power quality，require high quality power supply. The successful application of SVC device in mine power supply system also provides a good reference to the transformation of other similar power supply system.The paper describes the development of SVC technology at home and abroad，theadvantages and problems of reactive power compensation，and also points out the development direction of SVC technology. It also analyzes the power factor of system mine way of improvement and reactive power balance and compensation technology. For TCR type reactive power compensation device are the theoretical calculation, determine the capacity of the reactive power compensation, then to design the power supply system filters reasonably, select the filter, system simulation.KEYWORDS: Mine; Power system; Reactive Power; Compensation目 录1 绪论11.1 矿井中无功补偿的意义11.2 无功功率的国内外研究现状21.3 无功功率的的主要研究方法32 矿井电力系统的功率因数的改善42.1 无功补偿的基本原理42.2 提高功率因数的意义52.3 提高功率因数的方法62.3.1 正确选择电气设备62.3.2 电气设备运行合理72.3.3 人工补偿无功功率73 无功功率的补偿与平衡93.1 概述93.2 无功功率的平衡与补偿103.2.1 330kV级以上电网的无功平衡与补偿103.2.2 220kV及以下电网的无功平衡103.2.3 220kV及以下电网的无功补偿113.3 无功补偿设备的选用113.4 无功补偿装置电流谐波放大及其抑制措施124 TCR动态无功补偿装置在煤矿中的应用134.1 TCR动态无功补偿装置的配置方案134.2 TCR动态无功补偿控制系统的组成144.3 TCR动态无功补偿的意义与不足165 提升机供电系统的滤波器设计175.1 滤波器设计的要求和步骤175.1.1 滤波器设计要求175.1.2 滤波器设计步骤175.2 滤波器基本方案及功能195.2.1 滤波器基本方案195.2.2 滤波器使用205.2.3 滤波器控制方式205.3 滤波器参数的计算215.3.1 滤波器组补偿容量的确定和分配215.3.2 滤波器组L、C参数的确定225.3.3 系统参数的安全设计范围246 建模与仿真分析266.1 5次谐波滤波器的仿真266.2 TCR-FC型SVC无功补偿系统仿真276.2.1 未加TCR-FC型SVC无功补偿器时的系统仿真分析276.2.2 加TCR-FC型SVC无功补偿器时的系统仿真分析287 结论31参考文献32致 谢33331 绪论1.1 矿井中无功补偿的意义近年来，随着我国电力工业的不断发展大范围的高压输电网络逐渐发展形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。无功功率如同有功功率一样，是保证电力系统的电能质量、降低电能损耗以及保证其安全运行所部不可缺少的部分。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。研究无功功率，可以解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列技术问题。与无功功率相关的技术问题很多，主要有：a.无功功率静态稳定问题；b.电容性无功功率引起的发电机自励磁问题；c.因潜供电流引起的单相快速自动重合闸电弧不能熄灭问题；d.冲击性无功负荷的调节问题；e.无功功率中的高次谐波公害和闪变问题；f.跟随馈电系统引起的负荷功率因数的变化与改善问题。无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。 一个10GW的电力系统，如果无功功率问题处理的好，每年从这个电网的发电厂、变电所、用户中节省的电能超过10亿kWh，并且可以减少系统中200-300容量的输变电设备。掌握无功功率的经济规律，通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的。合理处理无功功率可以保证电能质量，促使电力系统安全运行。目前大多数国家规定的电压允许变化范围一般为+5% -10%UN（额定电压）。电力部门为了确保电力系统正常运行时能够提供优质的电压，确保优质的供电服务，必须确保各输电线路的母线的电压稳定在允许偏差范围之内。电力系统正常运行时，应有充足的无功电源。无功电源的总容量需要满足系统在额定电压下对无功功率的需求。否则，电压就会偏离额定值。当电力网有能力向负荷供给足够的无功功率时，负荷的电压就能维持在正常的水平上。如果无功电源容量不足，负荷的端电压就会降低。所以，我们要保证电力系统的电压质量，就必须先保证电力系统无功功率的平衡。电力系统网络中不仅大多数负荷要消耗无功功率，而且大多数网络组件也要消耗无功功率。煤矿供电系统因其工作的特殊性要求，除必须双回路供电外，还必须保证其供电系统稳定工作，因此，必须尽量抑制电压波动、最大限度地消除各种干扰。但煤矿又具有绞车这种短时重复工作制负荷且功率较大，使得电压波动问题更加突出。由于对节能和安全等方面性能的提高，电力电子器件组成的电器传动自动化装置被广泛应用于供电系统中且其容量在不断增加。这些电控系统会对供电系统造成较大的启动无功冲击并产生大量谐波，电能质量变差，功率因数降低，使机电设备的运行效率下降，企业用电损失增加，用电费用增加，企业经济效益下降。谐波电流会对供电系统中的电器设备产生损害，不仅造成企业检修费用提高，而且对供电系统的安全稳定运行埋下很大隐患8,1。基于以上分析，要求企业必须对供电系统存在的此类危害进行治理。无功功率补偿技术(SVC)是一种挖掘现有电力资源潜力、改善电能质量、消除此类事故隐患的行之有效的方法之一，对供电系统的安全稳定运行具有非常重大的意义。因此，本文选择矿井电力系统无功功率补偿技术的应用作为课题进行分析。1.2 无功功率的国内外研究现状目前，随着电力电子技术的迅速发展，由于工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，和大量非线性电力负载的存在，使供电系统产生大量无功，使系统功率因数下降，这就要求我们必须进行无功补偿。传统无功补偿方式是将网络感性负荷与电容器并联来消除无功，此类方法具有结构简单、经济投入较少的优点。但供电系统的阻抗是不变的，使用中不能随供电系统无功功率的变化而变化，因而不能实现系统无功的动态补偿。自二三十年代以来的几十年同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机，因而损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置，此后，各国厂家纷纷推出各自的产品，所以70年代以来同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置（Static Var Compensator，SVC）所取代。饱和电抗器和同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声也很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。随之电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，晶闸管的静止性无功补偿装置走上了电力系统无功功率控制的舞台。1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院（Electric Power Institute）支持下，西屋电气公司（Westing-house Electric Crop）制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进的数套这类装置。由于晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，在世界范围内其市场一直迅速而稳定的增长，并占据了静止无功补偿装置的主导地位。随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，一种更为先进的静止无功功率补偿装置出现了，这就是采用自换相变交流电路的静止无功补偿装置，称为静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）。从根本上讲，STATCOM的基本功能就是从电网中吸收或者向电网中输送连续可调的无功功率，以维持接入点的电压恒定，并有利于电网的无功功率平衡。随着大功率电力电子器件的日趋发展，STATCOM在电力系统中的应用也将越来越广泛。但由于电力系统的非线性及负荷参数多变等特点，围绕STATCOM的工程化还有很多问题没有得到很好地解决，还需做大量理论和工程应用研究4, 14。1.3 无功功率的的主要研究方法本文主要通过对矿井电力系统的功率因数的改善、无功功率的平衡与补偿、TCR动态无功补偿装置在矿井中的应用、矿井提升机供电系统的滤波器设计的研究，进行基于MATLAB电力系统的仿真软件，建立了 SVC 仿真模型并进行仿真与分析。2 矿井电力系统的功率因数的改善由于矿山企业采用大量的感应电动机和变压器等用电设备，特别是近年来大规模可控硅的应用，供电系统除供给有功功率外，还需供给要大量无功功率，是发电和输配电设备的能力不能充分利用。为此必须提高用户的功率因数，减少对电源系统的无功需求量。本章从无功补偿的基本原理出发，扼要介绍了有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的概念同时也介绍了功率因数的意义，并提出功率因数的改善方法。2.1 无功补偿的基本原理设在正弦交流电路中电源电压 u、电流 i 分别为：上式中为在正弦交流电路中电流滞后电压的角度，电流i被分解成与电压同相位的分量的ip和与电流同相位分量的iq 两个分量， iq比ip滞后 90。有功功率是保持用电设备正常运行的功率，也就是将电能转换为其他形式能量， 如机械能、热能或光能。其表达式如下： P=1202uidt=1202uip+uiqdt =12022Usint2Icossintdt -12022Usint2Isincostdt =12022UIcossin2tdt-12022UIsincost sintdt =1202UIcos-UIcos2tdt-1202UIsinsin2tdt =UIcos 由上式可以看出无功功率Q= UI sin就是上式中被积函数的第二项无功分量uiq的幅值，无功分量的平均值为零说明它只进行能量交换而不消耗功率，这种能量交换通常发生在电源和有储能元件的负载之间。国际电工委员会对无功功率的定义为：电压与无功电流的乘积为无功功率。其物理意义为：电路中的电感元件与电容元件活动所需要的功率交换称为无功功率。无功功率用来在电气设备中建立和维持磁场的功率。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。它不对外作功, 而是转变为其他形式的能量。在正弦交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示。在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cos = P/S其物理意义是线路上消耗的有功功率P在所供给的视在功率S中所占百分数。在电网运行中，功率因数越大越好，只有如此，电力线路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，降低无功功率的消耗。视在功率是正弦交流电路中电压与电流二者有效值的乘积的功率，视在功率不表示在交流电路中实际消耗的功率，只表示电路可能提供的最大功率或电路中可能消耗的最大有功功率。视在功率与有功功率和无功功率之间的关系为S = P2 + Q2 =UI实质上就是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路上, 能量在两种负荷之间相互交换。这样， 感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率来补偿。即把原来是由电网或者变压器提供的无功功率， 改为由交流电力电容器来提供。2.2 提高功率因数的意义提高功率因数对矿山企业和电力系统的好处如下：（1）提高电力系统的供电能力在发电和输配电设备的安装容量一定时，提高用户的功率因数相应减少无功功率的供给，则在同样设备条件下，电力系统输出的有功功率可以增加。（2）降低网络中的功率损耗由输电线路的有功功率损耗计算公式可知P=P2cos2Ue2R10-3=kcos2当线路额定电压Ue和输送的有功功率P均保持恒定时，则网络中的功率损耗与功率因数的平方成反比。（3）减少网络中的电压损失，提高供电质量由于用户功率因数的提高是网络中的电流减少。因此，网络的电压损失减少，网络末端用户设备的电压质量提高。（4）降低电能成本由于从发电厂发出的电能有一定的总成本，提高功率因数可以减少网络和变压器中的电能损耗，在发电设备容量不变的情况下，供给用户的电能就相应的增加了，每度电的总成本就会降低。有上述原因可知，提高用户功率因数具有重大意义。所以国家奖励企业用户提高功率因数，在按两部电价收费基础上，还规定了根据企业用户的功率因数高低另加奖或罚的附加电费。即低于规定的功率因数时，则增收电费；高于规定值，则少收电费。2.3 提高功率因数的方法功率因数为cos=PS=PP2+Q2=11+QP2 (2-1)当有功功率P一定时，若减少无功功率便能提高功率因数。交流用电设备、电动机、变压器等建立磁场需要激励无功功率Qic，同时还消耗漏磁无功功率Qlc。其所需的无功功率为 Q=Qic+Qlc其中Qic=km2fR=kBm2fV=kU2fV (2-2)Qlc=I 2Xlc (2-3)式中 m交流磁通最大值，Wb； Bm磁感应强度最大值，T； f 交流电的频率，Hz； 磁通的磁阻，1/H； 磁路的导磁系数，H/M； V 磁路的体积，m3； U 激励电压，V； I 负荷电流，A； Xic漏磁感抗，； k、k、k常数。由式（2-1）（2-2）和（2-3）可知，提高功率因数的方法如下：2.3.1 正确选择电气设备（1）选气隙小，磁阻R小的电气设备。如选电动机时，若没有调速和起动条件的限制，应尽量选择鼠笼式电动机。（2）同容量下选择磁路体积小的电气设备。如高速开启式电机，在同容量下，体积小于低速封闭式和隔爆型电机。（3）电机、变压器的容量选择要合适，尽量避免欠负载运行。因欠载时P和I减少，虽然Qlc=I2Qlc也减少，但总的来说由于P的减少，Q/P=（Qlc+Qic）/P仍然是增加的，从而使减少。（4）不需要调速，持续运行的大容量电机，如主编等，有条件时可选择同步电动机，使其过激运行，提供超前（-Q）无功功率进行补偿，使电网总的无功功率减小。2.3.2 电气设备运行合理（1）消除严重欠载运行的电机和变压器。对于负荷小于40%额定功率的感应电动机，在能满足起动、工作稳定性等要求条件下，应以小容量电机更换或将原为接法的绕组改为Y接法，降低激磁电压。对于变压器，当其平均负荷小于额定容量的30%时，应更换变压器或调整负荷。（2）合理调度安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。（3）提高维护检修质量，保证电机的电磁特性符合标准。（4）进行技术改造，降低总的无功消耗。如改造电磁开关使之无压运行，即电磁开关吸合后，电磁铁合闸电源切除仍能维持开关合闸状态，减少运行中无功消耗；绕线式感应电动机同步化，使之提高超前无功功率等。2.3.3 人工补偿无功功率矿山企业为了使功率因数达到规定值以上，一般地用并联电容器的方式进行人工补偿。电力电容器具有投资省，有功功率损耗小，运行维护方便，故障范围小等优点。电容器的缺点是当通风不良或因电网高次谐波造成电容器过负荷使运行温度过高时，易出现外壳鼓肚、漏油，甚至爆炸和引起火灾。因此，规定电容器组应独立设室。目前常用的电容器类型有YY型油浸纸介电容器，它有体积大、容量小的缺点。现在生产的YGM型聚丙烯薄膜和纸复合介质的浸苯甲基（硅油）型电容器及YW型软件十二烷基苯浸渍纸介电容器可供选用。它们体积小、容量大，比YY型优越。目前，为了便于管理维护，多采用集中固定补偿，即在矿井总降压变电所6kV母线上装设容器不变的电力电容器组。若补偿前功率因数为cos1，补偿后提高到cos2，则补偿所用的电力电容器容量应为Qc=Pptan1-tan2=kpfPmaxtan1-tan2 kvar (2-4)式中 Pp 全矿有功平均负荷，kW；Pmax全矿有功计算负荷，kW； kpf 平均负荷系数(Pp/Pmax)，一般取0.70.8。 上式是按全矿平均负荷计算的所需补偿电容量，过去也有按全矿最大负荷Pmax进行计算的。 如果按Pmax计算所需补偿的无功功率Qc，则当PPmax时，将出现过补偿现象。为了取得较好的补偿效果，按平均负荷计算是合适的，以免所选电容过多。 补偿电力电容器多接成三角形。因每个电容器的无功容量为Qcl=C1U2,当容量一定时，电压高电容可以小。只有当电容器额定电压低于网络电压时，才考虑接成星型。 电容器组还应单独装设控制、保护和放电设备。电容器组的放电设备必须保证在电容器与电网的联接断开时，放电一分钟后电容器组两端的残压在65V以下，以保证人身安全。一般1000V以上的电容器组用电压互感器作为放电设备。 为了使企业内部收到改善功率因数得更大效益，可考虑改变集中补偿为分组补偿，最好是自动补偿，也可以采用低压补偿。对于1000V以下的电容器组，可用电阻或白炽灯，作为放电设备。 电容器（柜）的数量N可按下式确定N=QcQclUUe2 式中 Qcl每个电容器（柜）的容量，kvar； U 电容器装射处的电网电压； Ue 电容器的额定电压。3 无功功率的补偿与平衡3.1 概述电力系统的无功功率平衡是保证电压质量的基本条件。无功功率平衡遵循的是分（电压）层和分（供电）区就地平衡的原则。为达到就地平衡必须分层分区进行无功功率补偿，合理的无功补偿和有效的电压控制，不仅可保证电压质量，而且将提高电力系统的稳定性、安全性和经济性。 配电网中常用的无功补偿方式包括：在高低压配电线路中分散安装并联电容器组；在配电变压器低压侧和车间配电屏间安装并联电容器以及在单台电动机附近安装并联电容器（就地补偿）等。目前，常采用的无功补偿方式就地无功补偿，分散无功补偿和集中无功补偿，就地无功补偿采用电容器直接装于用电设备附近，与电动机的供电回路相并联，常用于低压网路。它使用晶闸管或者机械开关作为投切开关，通过就地电压传感器控制而自动地投切电容器。运行时电机所需无功由电容器就地供给，能量交换距离最短，可以最大限度的降低线路的电流。在线路相同的条件下，线路损耗与电流的平方成正比，所以电容就地补偿，节电效果最好，投资也小。但是，工业现场环境相对较差，特别是冶金企业，金属粉尘含量高，维护、保养若不能定时进行往往最易损坏。分散无功补偿常采用高压电容器分组安装于电网的10kV、6kV配电线路的杆架上、公用配电变压器的低压侧、用户各车间的配电母线上，达到提高电网的功率因数，降低供电线路的电流，减少了线损的目的。集中无功补偿采用变电站或高压供电电力用户降压变电站母线上的高压电容器组；也包括集中装设于电力用户总配电高低压母线上的电容器组。其优点是有利于控制电压水平，且易于实现自动投切，利用率高，维护方便，能减少配电网、用户变压器及专供线路的无功负荷和电能损耗，但是不能减少电力用户内部各条配电线路的无功负荷和电能损耗。根据P = S，当功率因数 = 1时，有功功率P等于变压器的视在功率S，而当功率因数为0.60.7时，如不进行补偿，供电变压器的效率就很难提高。例如，1000kVA的变压器仅能带600700kW的有功功率。在采用无功自动补偿时，功率因数可控制到0.950.98，其增容效果非常显著。电容器的充、放电功能可以有效的稳定电压，提高供电质量。电容器的安装环境可以选择有利于日常维护、保养的地方，有利于延长电容器的使用寿命。特别是在380/220V低压网，应提倡采用分散自动无功补偿方式。电力系统的无功电源主要有同步发电机、同步调相机、同步电动机、并联电容器、高压架空线路和电缆线路的充电功率等。电力系统的无功负荷主要指异步电动机、变压器和输电线路的无功损耗，欠励磁状态下运行的同步发电机，同步调相机和同步电动机，并联电抗器等。电压的高低对无功负荷大小有着显著影响，华东电力设计院曾对上海地区负荷实测表明，电压每升高1%，用户吸收的无功负荷增加3.15%，一般可取2.5%。对于不同电压等级的网络，无功平衡与补偿的形式将有所不同。3.2 无功功率的平衡与补偿3.2.1 330kV级以上电网的无功平衡与补偿由于超高压线路充电功率具有较大的数值，而长距离输送无功功率将影响电压质量，导致线损增加。因此这类电网应遵循无功功率分层分区、就地平衡的原则，配置高、低压并联电抗器就地消耗掉超高压线路的充电功率。一般情况下，高、压并联电抗器的总容量应小于线路充电功率的90%。高、低压并联电容器容量的分配应按系统的条件和各自的特点全面研究决定5, 44。对于330kV级以上电网的受端系统应按输入有功容量相应配套安装无功补偿设备，其安装容量为输入有功容量的40%50%，并分别安装在由其供电的220kV及以下的变电所中。3.2.2 220kV及以下电网的无功平衡此类电网无功电源的安装总容量Q应大于电网的最大自然无功负荷QD一般取1.15倍。而最大无功负荷QD与其电网最大有功负荷PD之间存在一定的比例关系，它们的关系式为 Q = 1.15QD QD = KPD式中 K电网最大自然无功负荷系数。电网最大有功负荷PD为本网发电机有功功率与主网和邻网输入的有功功率代数和的最大值。K值与电网结构、变压级数、负荷特性等因素有关，应经实测或计算确定，也可用表3-1中列出的数值估算。表3-1 220kV及以下电网最大自然无功负荷系数K（kvar/kW）电压电网（kV）220110603510变压级数220/110/35/101.251.401.101.251.001.150.901.05220/110/101.151.301.101.250.901.05220/60/101.151.301.001.150.901.05注 本网发电机有功功率比重较大时，取较高值；主网和邻网输入的有功功率比重较大时，取较低值。由此可得，220kV及以下电网需加装的容性无功补偿设备总容量QC为QC = Q QG QR QCL式中 QG本网发电机的无功容量； QR主网和邻网输入的无功功率； QCL线路充电功率。 粗略计算时，架空35kV及以下线路充电功率可忽略不计，110kV线为3.310-2Mvar/km，单导线220kV线路为1310-2Mvar/km，四分裂导线的500kV线路为10010-2 Mvar/km。电缆线路的电纳值有制造厂提供，因为10kV电缆线路的充电功率约为同样和长度10kV架空线路的几十倍，所以不能忽略。3.2.3 220kV及以下电网的无功补偿（1）变电所的无功补偿。此类电压等级的变电所一般均应配置可投切的无功补偿设备，其补偿容量一般为该变电所主变压器容量的10%30%。在主变压器最大负荷时，其二次侧功率因数不小于表3-2中所列数值，或者由电网供给的无功功率与有功功率比值不大于表3-2中所列数值。表3-2 220kV及以下变电所二次侧功率因数规定值电压等级（kV）22035110功率因数0.9510.911无功功率/有功功率0.3300.480在轻负荷时，对于110kV及以下电压等级变电所，当电缆线路回路较多，而且在切除并联电容器组后，仍出现向系统送无功功率时，应在变电所的中压、低压母线上装设并联电抗器；对于220kV变电所，在切除并联电容器组后，其一次母线上的功率因数仍高于0.98时，应装设并联电抗器。（2）10（6）kV配电线路的无功补偿。该线路上宜配置高压并联电容器，或者在配电变压器低压侧配置低压并联电容器。电容器的安装容量不宜过大，一般约为线路配电变压器总容量的5%10%，并且在线路最小负荷时，不应向变电所倒送无功。如配置容量过大，必须装设自动投切装置。（3）电力用户的无功补偿。所有电力用户均应按原电力工业部1996年发布施行的供电营业规则中有关规定装设无功补偿设备，用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：100kVA及以上高压供电的用户，功率因数为0.90以上；其它电力用户和大、中型电力排灌站，趸购转售电企业，功率因数0.85以上；农业用电，功率因数为0.80。3.3 无功补偿设备的选用（1）并联电容器和并联电抗器是电力系统无功补偿的重要设备，应优先选用。（2）为缩短电气距离，特别在远距离高压送电线路上可选用串联电容器，其补偿度不宜大于50%，并应防止次同步谐振。（3）当220kV550kV电网的受端系统短路容量不足和长距离送电线路中途缺乏电压支持时，为提高输送容量和稳定水平，经技术经济比较合理时，可采用调相机。（4）为提高系统稳定、防止电压崩溃、提高输送容量，经技术经济比较合理时，可在线路中点附近（震荡中心位置）或在线路沿线分几处安装静止补偿器；带有冲击负荷或负荷波动、不平衡严重的工业企业，也应采用静止补偿器。3.4 无功补偿装置电流谐波放大及其抑制措施在低压配电系统中，采用微机控制晶闸管投切电容器组，实现基波无功的跟踪补偿。当配电系统非线性用电负荷比重较大时，并联电容器组的投入，一方面由于电容器组的谐波阻抗小，注入电容器组的谐波电流大，使电容器过负荷，严重影响其使用寿命；另一方面，当电容器组的谐波阻抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起电容器谐波电流严重放大，其结果是电容器因过热而损坏，系统电压严重畸变，影响其他用电设备的安全运行。因此，应采取抗谐波措施以确保并补电容器组的安全运行。在低压配电系统中，当系统含有谐波电流和电压时，对谐波频率而言系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，将对系统，特别对电容器和与其串联的电抗器形成很大的威胁。在并联电容器组串联电抗器是抑制谐波电流放大的有效措施，其参数应根据实际存在谐波进行选择。并联电容器之所以能够引起谐波放大，是因为电容器回路在谐波频率范围内呈现出容性，若在电容器回路中串接电抗器，通过选择电抗值使电容器回路在最低次谐波频率下呈现出感性，就可消除谐波放大。为此，串联电容器的电抗值应满足下式fminXL-XCfmin0即XL = XC/f2min。考虑到电抗器和电容器的制造误差，通常取XL = （1.31.5）XC/f2min目前，国内并联电容器配置的电抗器的电抗率主要由以下四种类型：小于0.5%、4.5%、6%和12%。配置小于0.5%电抗率的电抗器的主要目的是限制电容器的合闸涌流；当基波感抗为容抗的4.5%或6%的串联电抗器时，可抑制5次以上的谐波电流；当采用基波感抗为容抗的12%的串联电抗器时，可抑制3次以上的谐波电流。4 TCR动态无功补偿装置在煤矿中的应用随着半导体电力电子技术的发展与进步，各种变流变频装置广泛应用于煤矿中。矿井提升机普遍采用晶闸管供电的直流拖动，即提升机晶闸管电控系统。晶闸管装置基本相当于一个感性负载，在工作时其基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，同时产生大量的谐波电流，造成电网系统功率因数低、电压波形严重畸变等，因此无功补偿势在必行。所谓无功补偿，就是借助于无功补偿装置为用电系统或设备提供一定的无功功率，以提高用电设备乃至整个系统的功率因数。无功补偿的方法很多，煤矿中常用的法是电容器与网络感性负联来补偿无功功率，具有结构简单、经济方便的优点，但其阻抗是固定的，故不能实现对无功功率的动态补偿。另外补偿电容器对谐波具有放大作用，容易导电容器过载、过热，增加损耗，长期运行会造成外壳膨胀和放炮，直至破坏。为了解决这些问题，目前矿井中引入了晶闸管控制电抗器( TCR)动态无功补偿装置。4.1 TCR动态无功补偿装置的配置方案在煤矿中，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，补偿容量既考虑了晶闸管变流设备部分运行时产生的无功功率，又包括母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。在各个串联支路中，某特定次谐波时的感抗与容抗相等，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5 7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，达到了综合提高线路功率因数和抑制电压波动的目的。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4-1所示。图4-1 TRC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。4.2 TCR动态无功补偿控制系统的组成 TCR控制系统应能检测系统的有关变量，并根据检测量的大小以及给定(参考)输入量的大小，产生相应的晶闸管触发延迟角，以调节补偿器吸收的无功功率。整个控制系统由测量单元、计算单元、处理单元、触发单元和同步单元组成，如图4-2所示。图4-2 TCR动态无功补偿控制系统图（1）测量单元测量提升电流、补偿回路电流、控制器电流、6kV或10kV线电压。电流电压信号采用三相输入。虽然对于三相对称负荷，采用单相测量方法比较简单经济，但由于对输入信号进行滤波而使测量值具有惯性。因此，为了保证调节速度，需采取三相全信号输入。( 2) 6. 3 kV电压测量 通过6300/ 100V电压互感器得到100V交流电压，然后在降至7.07 V输入电子电路。交流输入信号经三相全波整流器整流滤波，放大为直流10 V，相当于交流6.3 kV。( 3)电流测量 提升机回路、补偿回路和电抗器电流控制器回路均采用10/5A电流互感器，然后再经5/ 0.1A中间电流互感器将信号输入电子回路。( 4)计算单元 计算单元根据输入信号计算出各回路的有功功率和无功功率。有功和无功功率的100Hz成分经电路中的加法电路后可以消除，再经过低通滤波器滤去剩余的谐波，计算单元的输出提供处理单元使用的直流信号。( 5)处理单元 处理单元包括电压及功率因数调节器、电流调节器、线性化环节和触发单元。 TCR控制系统包括电压波动调节和功率因数调节。对电压波动实行快速调节；对功率因数实行平均值调节，即慢速调节，在规定时间范围内实行给定功率因数的无偏调节。( 6)同步单元 同步单元的作用是使触发脉冲与电网交流电压同步，以保证晶闸管触发正确。同步单元由锁相环及锯齿波形发生器组成。锁相环产生一个跟随电网频率及相应的时钟信号，并使锯齿波发生器产生与电网交流电源同步的锯齿波。触发脉冲产生电路将锯齿波电压与控制电压进行比较，当锯齿波电压大于控制电压时，产生触发脉冲。由于锯齿波与电网交流电压是同步的，所以触发脉冲与电网电压也能保持同步。4.3 TCR动态无功补偿的意义与不足TCR动态补偿装置以广发应用于煤矿中并取得了明显的节能及提高电网电压质量的效果，具有良好的经济及技术效益。主要有以下优点：（1）提高功率利用率；（2）提高电压质量，减少电费开支；（3）减少损耗，提高主变压器利用率；（4）调控运行，防止过补。尽管TCR动态补偿装置日趋成熟，但仍存在着不足。当要求其补偿范围能延伸到容性和感性无功功率两个区域时，电抗器的容量必须大于固定电容器的容量。比如当希望补偿器吸收无功功率的能力从1倍的容性无功到1倍的感性无功功率，则电抗器的容量必须为电容器的2倍。此外，补偿器和电容器中实际上都吸收了很大的无功功率，有很大的电流通过，只是相互抵消而已。这些都是此类补偿装置的缺陷。 根据TCR动态补偿装置的以上特性，在煤矿中应用其进行无功补偿时应注意以下问题：进行补偿前要对系统进行现场实测，以计算出较适宜的补偿量，既达到较好的补偿效果，又防止过补偿；电动机仍在运转并产生相当大的反电势时不宜再启动；切忌过补偿；尽可能避免安装在反复开、点动的设停、备上，如天车等；补偿装置不宜安装在有腐蚀性气体、污染严重、温度较高，以及易燃易爆的场所；安装补偿装置时，要选择那些功率因数低、负载率低、运行时间长的设备，这样，补偿后的节电效益更明显。目前，国内煤矿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，对电网会造成系统功率因数低、 电压波动严重畸变等不利影响。晶闸管控制电抗器（TCR）动态无功补偿装置的引入有效地改善了电网的质量，提高了系统的功率因数，抑制了电压波动的不良影响。尽管TCR动态补偿装置存在着一定的不足，但其作为一种可靠的高技术设备，在煤矿电网中具有广阔的应用前景。5 提升机供电系统的滤波器设计在交流传动系统和直流传动系统中，由于大功率电力传动装置及其非线性特性存在，将会产生谐波电压和谐波电流，它们对系统本身以及各大用户都会造成巨大的危害和影响，更为严重的是会影响人身安全并造成巨大的经济损失。因此，考虑到上述严重性，在供配电系统中设置适当的滤波装置来消除谐波的影响，提高功率因数，具有一定的现实意义。在80年代以前，滤波器的设计通常根据最小电容容量和一定的滤波器调谐锐度范围，经过适当的试凑使滤波器兼顾滤波和经济性两方面的要求，这种设计方法相当浪费时间，而且只适用于一些简单的滤波器结构。因此，希望设计并采用一种优化的滤波器结构方法，使之能根据实际情况解决一些现场的谐波问题。本章针对矿井配电系统谐波源特性，设计了适用于矿井电力系统的滤波装置，它是抑制供电系统中的谐波并提高无功功率补偿的新方法。该方法的优点是在容量分配上以滤波器容量和谐振点作为设计参数，同时考虑了温度、频率的变化对系统的影响。同时根据煤矿的实际情况，对该矿老井供电系统的滤波器参数进行计算。5.1 滤波器设计的要求和步骤5.1.1 滤波器设计要求滤波器的设计应满足两个基本要求：(l)以最小的投资使谐波源注入系统的谐波减小到国家标准规定的水平。(2)满足基波无功补偿的要求。在满足以上两个基本要求的前提下，滤波装置的设计涉及到以下指标：(l)技术指标，包括滤波器构成、谐波电压、谐波电流、无功补偿容量。(2)安全指标，包括电容器的过电压、过电流、容量平衡。(3)经济指标，如投资、损耗等。5.1.2 滤波器设计步骤5.1.2.1 准备设计的原始资料为了设计滤波装置参数，应首先了解和掌握以下资料：(l)供电系统的主接线方式及设备参数(主变压器、电缆、限流电抗器等)。(2)系统最大和最小短路容量。(3)电网运行参数(电压、频率的变化、电压的不对称程度等)。(4)系统的谐波水平。(5)无功功率补偿的要求。(6)上级供电系统及供电线路参数。上述需要掌握的资料中前3项可由煤矿供电部门提供，无功功率补偿的要求可根据原系统并联电容器的容量确定；了解上级供电系统及供电线路参数是为了建立系统的电路模型。目前，除了一部分新建煤矿外，我国大部分煤矿提升机的谐波治理大多是在已运行的系统上进行的，因此，上述参数中的系统谐波水平可以通过被治理对象的供电系统进行实测得到10, 38。谐波测试数据是滤波器设计的重要依据，因此测试工作要全面、细致。需要进行以下几个方面：(l)提升机工作和提升机停止两种状态下的测试，以了解外部供电系统送入电能的质量和提升机变流器产生谐波的程度。(2)提升机