基于等网损微增率原则的矿井无功补偿算法的研究.pdf

2 0 1 5 年第5 期煤矿机 电 4 9 朱晓莹 王彦文 基于等网损微增率原则的矿井无功补偿算法的研究 J 煤矿机电 2 0 1 5 5 4 9 5 1 d o i 1 0 1 6 5 4 5 j cn k i cm e t 2 0 1 5 0 5 0 1 3 基于等网损微增率原则的矿井无功补偿算法的研究 朱晓莹 王彦文 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院 北京1 0 0 0 8 3 摘要 根据煤矿自身的特点 提出一种将集中补偿与就地补偿相结合的 三级半 无功补偿方 式 基于等网损微增率原则 对煤矿供电系统进行了无功补偿的计算 用M a t la b 软件建立了 三级 半 无功补偿仿真模型 并对补偿后的结果加以仿真验证 这项研究对于节约煤炭企业的电能有 重大意义 关键词 无功补偿 等网损微增率原则 M a t la b 仿真 中图分类号 T M 7 1 4 3 文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 5 0 5 0 0 4 9 0 3 S t u d yo fM in eR e a ct iv eP o w e rC o m p e n s a t io nA lg o r it h mB a s e do n E q u a l N e t w o r kL o s sIn cr e a s eR a t ioL a w Z h uX ia o y in g W a n gY a n w e n S ch o o l o fM e ch a n ica lE le ct r ica la n dI n f o r m a t io nE n g in e e r in g C h in aU n iv e r s it yo fM in in ga n d T e ch n o lo g y B e ij in g B e ij in g1 0 0 0 8 3 C h in a A b s t r a ct A cco r d in g t ot h ech a r a ct e r is t icso fco a l m in e p r o p o s e s t h es ch e m eo fco m b in in gco n ce n t r a t e d co m p e n s a t io na n dco m p e n s a t io no n s p o tm o d eo fr e a ct iv ep o w e rco m p e n s a t io no f t h r e e s t e pa n dah a lf B a s e do n t h ep r in cip leo fe q u a ln e t w o r klo s sin cr e a s er a t io d o e st h er e a ct iv ep o w e rco m p e n s a t io nca lcu la t io nf o rco a lm in e p o w e rs u p p lys y s t e m U s e st h eM a t la bs o f t w a r et oe s t a b lis ht h e t h r e e s t e p a n dah a lf r e a ct iv ep o w e rco m p e n s a t io n s im u la t io nm o d e l a n dt h er e s u lt a f t e rco m p e n s a t io nh a sb e e np r o ce s s e db yt h es im u la t io nt e s t T h es t u d yiso fg r e a t s ig n if ica n cef o rs a v in ge le ct r icit yin co a l e n t e r p r is e s K e y w o r d s r e a ct iv ep o w e rco m p e n s a t io n e q u a ln e t w o r klo s sin cr e a s er a t iola w M a t la bs im u la t io n O 引言 荷的功率因数 已成为节约电能道路上的重要环节 煤炭在我国能源中占据着重要的地位 由于煤 炭采掘环境恶劣 井下采掘技术的自动化与机械化 也越来越受到关注 其大量大功率感性设备投入使 用并且频繁启停 使得煤矿供电系统中存在着大量 的无功功率 从而产生大量的损耗 不但供电系统的 功率因数下降 而且存在电压起伏过大等供电问题 煤矿安全规程 明确指出 煤矿供电系统中各个变 电所及其大功率设备 在高峰负荷时的功率因数大 小应不低于0 9 当自然功率冈数不满足要求时 可 依靠人工无功补偿来实现 对此 因地制宜地对矿 井供电系统补偿无功功率 提高供电质量和用电负 1 矿井无功补偿方式的分类与选择 1 1 矿井无功补偿的分类 2 无功补偿方式主要包括 集中补偿 分组补偿和 就地补偿 1 1 1 1 集中补偿 这种补偿方式是将无功补偿装置集中装设在变 电所首端的母线上 达到平衡该变电所供电范围内 的所有无功功率 该方法可使高压供电线路的无功 损耗显著减少 同时提高了变电所高压供电线路的 电压质量 但由于补偿装置装设在高压侧 其设备 的投资较大 5 0 煤矿机 电2 0 1 5 年第5 期 1 1 2 分组补偿 也称作分散补偿 即将无功补偿装置分散装设 在功率因数较低的变电所高压 低压母线上 该方 法与集中补偿具有相同的优点 且相比于集中补偿 效果更为显著 但补偿装置的安装地点较为分散 不利于管理与维护 且补偿装置的利用率也较低 1 1 3 就地补偿 也称作个别补偿或单独补偿 这种补偿方式将 无功补偿装置直接装设在电感性用电设备或异步电 动机附近 就地对其进行补偿 该方法不仅可提高 用电设备所在供电线路的功率因数 同时提高了用 电设备的电压质量 尤其是低压电网中 长期运行的 大容量电动机 但该方法缺点是设备投资大 补偿 装设地点分散 难以管理维护 1 2 三级半 无功补偿配置方式 典型煤矿供电系统主要分为矿井地面变电所 井下中央变电所和井下采区变电所这三部分 井下 采区变电所中 采煤机 刮板输送机等大型感性负荷 称为矿井中的重要负荷 如果这些大型感性负荷长 时间以较低的功率因数运行 会增大系统网损 从而 影响供电质量 基于煤矿供电系统自身的特点 提 出一种 三级半 无功补偿配置方法 即将煤矿供电 系统的无功补偿分为一 二 三级和一个半级 一级 主要针对井下主要的大功率用电设备进行补偿 二 级 主要针对矿井采区变 配 电所进行补偿 三级 主要对矿井中央变 配 电所进行补偿 三级半 主 要对矿井地面变电所进行补偿 通过矿井供电系统 分级后 可对每一级分别集中补偿 这种分级集中 补偿与就地补偿结合的方式可集中补偿设备的装置 地点 降低成本 节约能源 该方法适用于补偿现代 大型煤矿企业的供电系统 一级补偿的补偿对象为矿井主要的大功率用电 设备 i级半 j 级 二级中高压用电设备也包含在 内 如地面变电所 三级半 中的提升机 通风机 井 下中央变 配 电所 三级 中的水泵 采区变 配 电所 二级 中的采煤机 刮板输送机等 一级无功 补偿为这些大型高压用电设备提供了无功源 从而 保证其以稳定的 较好的性能工作 以达到节能效 果 要提高整个矿井供电系统的功率因数 必须提 高电路末端的大功率电动机的功率因数 国家标准 G B1 2 4 9 7 9 0 j 相异步电动机经济运行 中规定 对于5 0k W 及以上电动机在安全允许的条件下应 进行无功就地补偿 因此 矿井供电系统采用集中 补偿与就地补偿相结合的方式 即对变电所集中补 偿的同时 分别对5 0k W 及以上的电动机采用就地 补偿 2 矿井无功补偿的算法 2 1 等网损微增率原则 网损微增率的物理意义是指在其它发电机发出 的有功和无功不变的条件下 某台发电机发出的有 功或无功发生变化时 全网的有功损耗变化量 2 网损微增率是无量纲和数 与网络的结构参数和各 类变量均有关系 它是一个相对值 无功补偿的目 的在于降低网损 故本文以总网损 R 最小作为目 标函数 以无功补偿装置的注入的无功功率为控制 变量 在忽略节点电压的上下界约束 线路功率 变 压器的变比时 等网损微增率的表述式为 目标函数 A P 八Q 将无功功率必须保持的平衡条件设为约束条 件 Q 一 Q 一 Q 0 不等式约束条件 Q Q Q U U U 式中 P 为网络等效负荷引起的有功损耗 n 为无 功补偿设备数量 Q 俯为无功补偿设备注入的无功 Q 为i节点的无功负荷 Q 为全网无功功率总损 耗 Q 汹 Q 为节点i的无功上下限 构造拉格朗日函数 L P A Q 一 Q 一 Q 由极值的必要条件可推出以下式子 蔫 筹州 一鬟 i 1 2 n 石O L2 蚤Q c 一荟Q 扩A Q t 0 上式可改写为 些 一一 a Q G O A Q L 卜j 瓦 这样 可得无功补偿最优解 O A P A 一面o Q r i 1 a Q c 2 0 1 5 年第5 期煤矿机 电 5 1 Q 饼一 Q 一 Q 0 式中 O A P E o Q a 为当i节点注入的无功变化时有功 损耗的微增率 a A Q o Q 为当i节点注入的无功变 化时无功损耗的微增率 I 1 一O A Q o Q 为无功 功率的网损修正系数 式 1 即为等网损微增率原则 利用其原则 可 得网损微增率 O A P O t y K a Q G 卢丁 式中 d 为折旧维修率 通常取为1 0 y 为投资回 收率 通常取为1 2 口为单位电能损耗价格 通常取 0 6 形 k W h K 为单位容量补偿设备的投资 通 常取1 1 0 元 k v a r T 为全网负荷年运行小时数 3 算例分析 山西某煤矿有3 5k V 6k V 地面变电所1 座 6 k V 配出线路5 条 供电线路全长1 0k m 6k V 配网 上有2 台主变压器 容量分别为1 25 0 0k V 和80 0 0 k V 3 5k V 母线最小短路容量为10 0 0M V A 该煤 矿供电系统的各变电所母线和大功率负荷补偿前后 的实时数据如表1 所示 表1各变电所母线及负荷补偿前后数据表 按照等网损微增率公式Q Q 警 瓦U 2 计 算各补偿点补偿容量 其 取 1 0 卢取0 6 元 k W h y 取1 1 0 元 k v a r 丁 取87 6 0h 按照上表顺序 补偿容量 k v a r 分别为 9 7 5 0 2 2 1 0 4 3 2 073 7 3 372 7 0 074 8 2 1j8 i0 8 0 7 0 2 1 2 2 5 7 1 5 2 0 2 2 7 3 2 6 0 3 通过补偿容量 计算出补偿后各补偿点的数据见表2 表2补偿前后全网总损耗数据对比表 4 结语 1 本文提出的 三级半 无功补偿的配置 可 使无功补偿装置点由分散变为集中 减少了使用补 偿装置的数量 节约了成本 2 矿井供电系统进行了无功补偿 不仅提高了 功率因数 而且减低企业的年电能损耗 进而降低了 成本 通过算例分析 验证了其有效性 参考文献 1 史建刚 减少配电网无功损耗的研究 D 合肥 合肥T k 大 学 2 0 0 3 2 Z h o uJ ia n g u o S u nQ iu y e Z h a n gH u a g u a n g Z h a oY a n L o a d B a la n cin ga n dR e a ct iv eP o w e rC o m p e n s a t io nb a s e d o nC a p a it o r B a n k sS h u n tC o m p e n s a t io ninL o wV o lt a g eD is t