TCR+FC型无功补偿技术在矿井提升系统中的应用

林振烈+唐朝晖+杨赛强+肖津+桂卫华

收稿日期：2013-08-01

基金项目：国家自然科学重点基金项目（61290322）

作者简介：林振烈（1969—），男，广东澄海人，工程师，学士，研究方向：水电等工业过程控制。

文章编号：1003-6199(2014)02-0038-08

摘 要：提升机是采矿企业广泛使用的大功率、高耗能的生产设备之一，矿井提升系统普遍采用电力电子器件构成的整流装置对其直流电机进行供电和控制。提升机在采矿过程中需要频繁地启动、停机，对电网的无功冲击和谐波污染使供电系统的安全稳定性受到严重影响。本文以国内某铅锌矿盲主井提升系统为研究对象，提出晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactors，TCR)和固定电容器组(Fixed Capacitors，FC)相结合的无功补偿与谐波治理方法。针对提升机运行过程的特殊性和复杂性，给出无功补偿装置的具体电路设计、参数计算等的方法。提出的无功补偿与谐波治理技术对无功补偿装置的工程研究和开发提供一定的参考和指导，对提高电网的供电质量，保障矿井安全、稳定、高效生产具有十分重要的意义。

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关键词：矿井提升系统; 无功补偿; 谐波治理; TCR+FC

中图分类号：TP273文献标识码：A

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TCR+FC Type Reactive Power Compensation Technology in Mine Hoist System

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LIN Zhenlie1,TANG Zhaohui2,YANG Saiqiang2,XIAO Jin2,GUI Weihua2

(1. ShenZhen ZhongJin LingNan Nonfemet Co.Ltd FanKou LeadZinc Mine, Shaoguan,Guangdong 512325,China;

2. Academy of Information Science and Technology, Central South University, Changsha,Hunan 410083,China)

Abstract:Mine hoist is a high-power and high energy consuming facility which is widely used in many mining companies. Mine hoist system broadly employs the rectifier made of power electronic devices in managing the power supply of its DC motor. The constant opening and closing of the hoist in the process of mining often causes reactive power shock and harmonic pollution, which greatly affects the safety and stability of the power supply for the grid. The subject of this thesis is focusing on the hoist system of one Chinese lead and zinc mine and proposes a method combined with TCR(Thyristor Controlled Reactors) and FC(Fixed Capacitors) to deal with reactive power compensation and harmonic management. Focusing on the particularities and complexities of the mine hoist, this thesis comes up with a control calculating method based on the closed loop PI to realize controlling the reactive power device. The TCR+FC type reactive compensation technology in this thesis offers some reference and guidance for the project research and design of the reactive power compensation device to some degree and will benefits the task of energy saving and emission reduction for the mining company.



Key words:mine hoist system; reactive power compensation; power harmonics management; TCR+FCl

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1 引 言

在电力系统中同时存在感性负荷和容性负荷，所以系统中不仅有功功率，还有无功功率。无功功率是电能在传输和转换过程中建立磁场以及维持电力系统稳定性必不可少的条件之一。但是，无功功率会使电路损耗增加，末端电压下降，降低了电能的质量和电力系统的稳定性。重金属矿井提升机属于冲击性的大功率负载，在其运行过程需要频繁的启动和停机。给电网母线带来的无功冲击大、母线电压波动剧烈。由此使得供电系统功率因素低下，大量的电能极浪费，对整个电网及其相关用电设备所产生的不良影响是不容忽视的。

采矿行业所消耗的电能在我国电能消耗总量中所占的比重非常高。特别是我国现阶段采用的一些开采设备如提升机等，由于具有高效、控制相对简单、生产过程中安全性高等特点被广泛使用。然而，这些采矿设备中含有大量非线性的电力电子器件，容易导致电网电压、电流波形畸变和波动性增大，造成设备的使用效率和安全性降低，故障率升高。谐波还会使旋转电机和变压器等设备的附加损耗显著增加，故障率升高、寿命减短。电力系统中的谐波还会对测量和控制仪器以及工业现场的通讯系统产生干扰，谐波产生的高频噪声还会干扰电力载波通信的正常工作。

随着现代采矿企业生产规模的不断扩大，国家对节能减排工作的不断重视，矿井提升系统运行过程中对供用电系统所带来的不良影响也愈发凸显。从我国工业技术的发展现状来看，工业企业特别是采矿企业为背景进行相应的无功补偿技术研究，对含有大功率用电设备的供电线路实施就地的无功补偿和谐波治理是十分必要的。本文以我国某大型铅锌矿的盲主井提升系统作为研究对象，通过对提升机运行特性的分析，提出了针对矿井冲击性负荷的无功补偿技术和方法。对系统进行综合无功补偿和谐波治理，能够提高矿井供电系统的功率因素，大大减少注入电网中的特征谐波含量。能够为企业节约大量能源，提高供电系统的安全和可靠性并提高企业的生产效率，产生十分重要的经济效益和社会效益。

2 无功补偿技术分类与特点

无功功率补偿技术按照其接线方式的不同大体上可以分为并联型补偿和串联型补偿两大类。并联补偿技术主要是利用电容器（电抗器）并联接入系统来进行无功功率的补偿；而串联补偿则主要是利用电容器（电抗器）串联接入系统进行无功功率的补偿。跟并联补偿方式相比，串联补偿方式其接线比较复杂，操作不方便，对系统可靠性和稳定性影响较大。这两种补偿方式的补偿容量是固定的，不能跟随电力系统中无功的水平发生变化，这两种方式都属于传统的静态无功补偿技术。

计算技术与自动化2014年6月

第33卷第2期林振烈等：TCR+FC型无功补偿技术在矿井提升系统中的应用

相应的如果其补偿容量不固定，能够实时跟踪被补偿系统无功功率的变化情况，从而动态的进行无功补偿的装置称之为动态无功补偿装置。对于动态无功补偿装置按照无功补偿装置本身是否拥有运动部件又可以分成静止型无功补偿装置和运动型无功补偿装置。运动型无功补偿装置因为拥有旋转部件而得名，同步电机在空载运行时专门向电网输送无功功率故称之为调相机，所以同步调相机属于运动型的无功补偿装置；由电力电子器件组成的静止无功功率补偿装置（SVC）主要有晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(Thyristor Switched Reactors，TSR)、晶闸管控制变压器(Thyristor Controlled Transformer，TCT)、可控饱和电抗器(SR)等，这类无功补偿方式的显著特点在于能够快速、平滑地调节容性至感性间的无功功率以实现对系统的动态无功补偿。在电力系统中主要应用的无功装置类型如图1所示：

图1 无功补偿装置的分类

3 矿井提升供电系统电能质量分析

该矿井提升系统的直流提升机采用串联型的双桥顺序控制变流器进行供电，整流器的类型属于12脉冲整流器，这是我国现阶段工矿企业应用最为广泛的整流器类型之一。通常在12脉冲整流器的基础上还可以组合成24、36脉冲等多种结构的整流器，在对这些整流器特性进行分析时可以以12脉冲整流器为基础进行相应的分析和研究。由于整流器中所用到的晶闸管等非线性电力电子器件会造成电网电压和电流波形的畸变，电能质量下降并影响矿区用电设备的正常运行。提升机的实际运行过程十分复杂，其直流电机在一个运行周期内要经历加速、稳定运行、减速停机等过程。由于采矿企业产量和生产的不确定性，在其运行期间负荷并不总是恒定的，这种情况导致电机的效率变得更低，电能得不到充分的利用。所以对提升机的整流器特性进行分析是研究矿井提升系统无功补偿技术的重要基础。

3.1 矿井提升系统12脉整流器特性

该铅锌矿盲主井提升系统由1100kW、440kW的两个直流提升电机组成，其电枢由两个6脉冲整流器进行供电，整流变压器的两个副边绕组的电压在相位上相差30°，变压器副边绕组的联结类型分别为Δ、Y型，两个三相桥式整流器向外输出12脉波头的电压和电流。该矿井提升机所采用的12脉冲整流电路原理如图2所示：

图2 提升系统整流器原理图

根据图2所示的12脉冲整流电路可知，将整流桥T1网侧的电流进行傅立叶级数展开后可得：

iT1=2×3π×Id(sin ωt－15sin 5ωt－

17sin 7ωt+111sin 11ωt+113sin 13ωt－

117sin 17ωt－119sin 19ωt+…)(1))

整流桥T2网侧线电压比整流桥T1网侧的线电压超前30°角，故其网侧线电流比桥T1侧的超前30°角，将整流桥T2网侧电流进行傅立叶级数展开后可得：

iT2=2×3π×Id(sin ωt+15sin 5ωt+

17sin 7ωt+111sin 11ωt+113sin 13ωt+

117sin 17ωt+119sin 19ωt+…)(2)

将整流桥T1、T2网侧电流进行合成即可得到12脉冲整流电路的电流输出为：

iT=iT1+iT2=4×3π×Id(sin ωt+

111sin 11ωt+113sin 13ωt+…)(3)

在直流调速系统中，其控制的触发角度理论上可以在90°～180°之间进行连续调节，但在实际工程应用过程中其触发角度并不具备如此大的调节范围。采用直流调速的电机其功率因素通常较低，而对于矿井提升系统的电机其功率因素一般为0.5～0.8之间。由公式(2)、(3)可知，相比6脉冲的整流器12脉冲整流器的整流桥T1、T2输出的5、7、17、19次谐波电流互相抵消，则其只产生11、13、23、25…12n±1（其中k为正整数）等高次谐波。在矿井中采用该类型的整流器能减少一定的谐波含量，但是在该矿井提升机的实际运行过程中，经过测算其12脉冲的整流器的11次和13次特征次谐波分量仍然超出电网谐波的国家标准，所以，对于12脉冲整流器在大功率的应用场合（如矿井提升系统、电弧炉等）必须加装谐波滤波装置以尽可能的消除谐波对电网的不良影响。

3.2 矿井提升系统电能质量分析

盲主井提升机主要用于井下矿石的提运，是采矿车间的主要生产设备之一。该设备长期在井下运行，工作环境十分恶劣。盲主井提升电机采用12脉冲整流器进行供电，在运行过程中产生大量的高次谐波，注入电网之后会造成一系列的不良影响。随着该矿井产能的进一步扩大提升电机的功率也相应的不断提高，其运行时间也进一步延长，提升机机运行过程中的启动和停机操作也变得更加频繁。由此带来的无功冲击大、功率因数低、谐波含量高的问题更加严重。根据近几年的提升系统的运行记录进行分析可知：在提升系统谐波含量过高的情况下提升机出现过停机和抖动的现象，另外其控制系统的相关电气设备如断路器等均出现过误动作的现象。由于启动瞬间无功冲击过大导致电网急剧下降，与提升机在同一供电线路上的风机和水泵出现了不能启动的现象。

在确定无功补偿装置的设计方案和相关参数的优化计算之前，对提升系统的各项电能指标进行有针对性地测试和分析是十分必要的。电能指标的测试结果可以为无功装置的系统结构、参数设计提供最基础同时也是最重要的依据。测试的过程中尽量选择了不同的时间段以及不同的运行工况来进行测试以获得最全面的数据，并且使获得的数据能够充分体现提升系统运行过程中的特点。经测试，该矿盲主井双斗（为了描述的方便性，将其两个提升斗分别命名为东斗、西斗）提升机输入输出功率和机组效率测试数据如表1所示：对于该矿井双斗提升机而言，随着提升机负荷的减小，其输入、输出功率相应的减少，效率逐渐下降，功率因素基本趋势也随负荷的减少而下降，整个运行期间功率因素比较低，基本在0.5左右进行波动，而在其功率因素最小时只有0.42。由于直流提升机整流装置所产生的谐波电流对电力系统的不良影响同样应该引起重视，通过对该矿井提升系统母线电流中特征次数谐波含量的准确测量能够使设计的无功补偿和滤波装置更具针对性，使其设计参数更加合理和准确从而减少设备的前期投资。同时，对谐波的相关数据进行精确分析是避免设计的滤波电容器组与其它电气设备发生谐振的重要保证。

表1 双斗提升机功率因素及效率测试数据

提升斗

输出功率(kW)

输入功

率(kW)

效率

(%)

功率

因素

东斗

598.0

667.20

86.15

0.491

东斗

403.3

476.40

82.19

0.526

东斗

376.4

432.87

81.25

0.513

东斗

132.9

193.10

71.94

0.428

西斗

564.4

667.20

84.59

0.511

西斗

389.7

476.40

81.83

0.474

西斗

344.0

432.87

79.51

0.472

由于该矿井提升系统采用12脉波的整流装置，故其特征谐波主要为12n±1次(n=1,2,3,4…)。根据整流装置的类型有针对性的对特征次谐波进行测试，可以减少测试的工作量并提高单次测量的精度。经测试，双斗提升机整流装置在6kV母线中产生的11次、13次电流谐波含量分布如表2所示：

表2 双斗提升机典型运行状态下母线处特征谐波含量

提升斗

提升

重量(t)

谐波

次数

谐波失

真度(r%)

电流有

效值(A)

东斗

6

11

23.7

33.10

东斗

6

13

23.4

33.73

东斗

4.6

11

24.1

32.36

东斗

4.6

13

23.9

32.86

西斗

6

11

24.1

32.01

西斗

6

13

24.5

31.50

西斗

4.6

11

24.1

31.98

西斗

4.6

13

24.1

32.23

对表2中的测试数据进行分析可知：双斗提升机在不同的负荷下其特征次谐波含量并不完全相同，负荷越大，其谐波电流越大。其11、13次谐波电流的有效值均超过了国家公布的谐波标准中的上限值。谐波失真度更是达到了23%左右。矿井提升机不同于一般的工业电机，它在提运矿石的过程中存在加速上升、平稳运行、减速停机等复杂过程，从提升系统的整个运行过程来看其负荷并不稳定，对电网的无功冲击非常大，导致供电系统母线的电压产生较大的波动。根据对本章现场测试结果的分析可知：提升系统稳定运行时的功率因素在0.5～0.6之间波动，而在启动和停机的过程中其功率因素更低，通常不足0.4。其整流器产生的谐波分量则以11次、13次最为突出。随着企业产能的扩大、用电设备的增多以及采矿现场变流设备容量的提高，该矿井提升供电系统的电能质量不断恶化，生产过程中由于功率因素低下造成了大量电能的浪费，企业电费的支出居高不下，由于谐波的影响使得提升机在运行过程中存在抖动甚至停机的情况，增加了矿井发生安全事故的风险，严重影响到采矿企业安全、高效、稳定的生产。

4 TCR+FC型无功补偿装置的系统设计

我国矿井供电系统的电能质量普遍不高，一方面是由于大量采用整流装置对直流电机进行供电，使得系统功率因素低下并且注入电网中的谐波含量严重超标，企业对提高电能质量的意识不够强；更重要的一方面是由于矿井提升机运行特性复杂多变，加之其所处的自然环境恶劣，一般的无功补偿装置在矿井供电系统的补偿效果不佳。在对矿井提升系统的供电特点和无功补偿的具体需求进行深入分析的基础上，对晶闸管控制电抗器与固定电容器组(TCR+FC)相结合的无功补偿及滤波装置的电路结构、系统参数的进行优化设计，对于推广和使用无功补偿改善我国矿井的用电环境并提高电能的质量具有重要的意义。

4.1 TCR+FC型无功补偿装置基本原理

TCR型的SVC由反向并联的晶闸管与电抗器串联组成，它的主要原理是利用触发装置控制晶闸管的触发角度从而调节电抗器中的电流大小，实现对感性无功功率的实时、动态和连续的调节，提高供电系统的功率因数并提高电力系统的稳定性。TCR补偿器的原理如图3所示：

(a) 单相电路简化图(b) TCR补偿器电流-电压特性

图3 TCR原理图

触发电路的控制信号和延迟角度α以及晶闸管的导通角度φ之间均呈线性关系。在实际控制器的输出过程中，TCR支路等效的输出电纳值BTCR与触发角度α（晶闸管导通角φ）之间并不是线性的关系，TCR支路电流的基波分量ITCR1与其导通角φ之间的关系为：

ITCR1=φ－sin φπXLU （4）

式中U为系统的电压值，XL为TCR支路中与晶闸管串联的电抗器的感抗值。TCR支路等效电纳的最大值为Bmax =1/XL，则系统的等效电纳值BTCR为：BTCR=φ－sin φπBmax  （5）

根据公式(5)可知，TCR支路的等效电纳值与晶闸管导通角之间并非线性关系，其导通角与等效电纳之间的关系曲线如图4所示：

晶闸管触发角α有效的移相范围为α∈(90°,180°)，以保持其位移因数维持为0，从而使其基波电流全部为无功电流，当其触发角度α=90°时，TCR支路的晶闸管状态为完全导通，此时在理想状态下晶闸管可以近似的认为是导线，TCR支路上与晶闸管串接在电路中的电抗器相当于直接与电网连接，其吸收的基波电流为最大值，即吸收的无功功率最大；触发角α在(90°,180°)的区间内变化时，晶闸管的导通状态为部分导通，当其触发角度小于180°时，其电抗器中电流的基波分量随着角度的增大而逐渐减小，这种情况下相当于补偿器的等效电抗增大也就是其等效电纳相应减小，即TCR支路吸收的无功功率减少。图4 TCR等效电与导通角、触发延迟的关系曲线

在正常运行情况下，晶闸管的触发角在可调节的范围内变化，而不在两个极端情况下（α=90°全导通或α=180°全关断）。因此，TCR在运行过程中必然会由于晶闸管的开断而产生大量的谐波，从上面的分析可以知道，当α＞90°时，电抗器中电流波形不再是纯正弦波，对其进行傅立叶分解可以得到，其电流中含有大量的奇数次谐波，为了避免这些有害的谐波对电网产生不良影响，需要采取必要措施抑制其注入电网。

针对TCR产生的各次谐波采用特定的滤波器组也可以对谐波进行滤波，为了防止3次及3的倍数次谐波对交流系统造成影响，在本文中将三相TCR按照三角形连接，如果各相参数一致，三相平衡，此接法将使这类谐波经过三相电感环流而不流入交流系统，在工程实际应用过程中采用此方法来消除3次及3倍数次谐波。

4.2 TCR+FC无功补偿装置的主电路设计

在进行矿井提升系统无功补偿技术的设计时首先要充分考虑被补偿系统所处的电压等级以及和其它用电设备的电气联系。母线的电压等级决定了系统设计的电压等级并在后期的元器件参数计算和选择时应该将其作为参考值。根据对图2-1所示的该矿井提升供电系统的分析可知：双斗和单斗中母线通过母联开关相连，在矿井提升系统产量发生变化时可以根据需要分别控制双、单斗提升机的运行状态，在考虑对其进行无功补偿时，应该考虑其运行过程中存在的极端情况，即两台提升机同时运行并共用一条母线进行供电，这时母线中的谐波电流值最大且系统的功率因素也最低。为了保证无功补偿装置的稳定性和安全性在其参数设计时需要留有一定阈量。

综合考虑其供电系统特点和无功补偿应达到的目标，SVC安装在提升机所在的6kV母线处，根据负载谐波特性FC部分设置为11次和13次滤波支路。SVC装置由晶闸管控制电抗器（TCR）、FC滤波支路、控制系统及保护装置构成。为了减少无功补偿装置产生的3次谐波，其中TCR支路采用三角形连接，SVC装置的系统电路如图5所示：

图5TCR+FC型SVC主电路结构

对电力系统进行动态的无功补偿能够实现对负载功率因素的校正、减少母线电压的波动性、提高电力系统稳定性并减少电压电流的不平衡性等作用。这些无功补偿的目标和作用之间相互有所关联，在提高某一项电能指标的同时能够在一定程度上相应的提高其它指标，但是在这些指标的相互作用中也存在着相互制约的情况。所以在实际的控制过程中需要根据被补偿系统的特点有针对性的选择其中的一条或多条作为其直接控制目标，无功补偿系统的目标不一样其控制策略和装置的参数设计也往往大不相同。根据矿井提升机运行过程对电能质量的影响可知其对电网的无功冲击导致功率因素过低的情况最为严重，另外在启动、停机时还会使母线电压的波动增强。针对矿井设计的TCR+FC型无功补偿装置应该遵循以下原则：

1）6kV母线处的电压波动值应该在国家标准以内并在提升机启动、停机过程中尽量减小电压的波动性。

2）在提升系统出现功率因素过低时，应该实时跟踪补偿无功功率，维持功率因素在较高水平，特别是在提升系统启动、停机过程中尽量减小对电网的无功冲击，总体功率因素的目标值为0.95～1，确保提升系统运行过程中不会因为电能质量的下降而导致相邻的电气设备受到不良影响。

3）设置的电容器滤波组能够将注入母线中的各次特征谐波含量维持在国家标准以内。除了保证滤波效果的同时滤波器组还应该确保其参数设计的合理性，不会对其它次数的谐波进行放大，也不与电力系统中的其它设备发生并联谐振。

根据上述系统设计的原则和控制目标，TCR支路主电抗器的容量应当满足：

QTCR=Kd(Q0－Qmax －ΔUmax Sdmin ) （6）

式中QTCR(MVA)为TCR支路主电抗器的容量；Kd是在考虑了电抗器调节死区的调节系数，在工程实际设计过程中应该根据选用的电抗器参数适当的调节该系数，其电抗器的不同其值一般为1～1.1针对该矿井提升系统的参数以及实验性仿真该系数取1.03；Q0为系统所有负荷叠加后的基本无功，该矿井提升系统的大功率负荷主要为单、双单提升电机；Sdmin 为上一级母线在最小运行方式下的短路容量；Umax 为上一级母线电压允许的最大波动值，根据该矿井提升系统电压波动的记录数据以及造成的影响分析，其最大波动值控制在±2%；Qmax 为所有负载运行时系统的最大无功。

对于电网和矿井提升供电系统而言提升机运行过程中属于十分典型的冲击性负荷，其运行过程中对引起的母线电压波动，功率因素低下是矿井无功补偿技术需要重点解决的问题，公式(6)中包含了提升系统的无功、有功功率参数以及母线电压波动的百分比等电能指标参数，针对该矿井提升系统的无功补偿技术能够综合的解决功率因素、母线电压波动等问题。根据计算TCR支路容量为：

QTCR=1.1×(2.17－40×2%)=1.52MVar （7）

在工程设计过程中可控电抗器的短路电压并不完全相同，在设计过程应该根据可抗电抗器的参数说明合理的选择短路电压值，该矿井提升系统的无功补偿装置中采用的可抗电抗器短路电压Uk=75%，其额定电压与系统母线电压一致为6kV。由于TCR支路的晶闸管阀组采用三角形连接方式，所以其每相电流为TCR支路总电流的1/3：

I=1.52×1063×6×103A=84.5A （8）

理论上晶闸管的触发角度为90°~180°，在工程实际中其调节范围一般为105°~170°，该矿井无功补偿装置TCR支路采用两个晶闸管反向并联之后再与电抗器串联，则其每一相的阻抗值为：

Z≈XL=UI=6×10384.5=71.01Ω

L=XLωUk=71.01314×75%=0.17mH（9）

在实际工程应用过程中通常将电抗器分成两部分，分别在晶闸管阀组两侧串联一个电抗器从而可以避免电抗器短路时使管阀组产生过大的短路电流而损坏，相应的其每一边电抗器的电感值为：

L1,2=12×L=12×0.17=0.085mH （10）

单调谐波器设置原则主要是根据被补偿系统特征谐波的具体情况进行确定的，对于矿井提升系统的普遍使用的整流器而言其产生的谐波一般只有含量较大的奇数次谐波，其谐波的具体次数与整流器的脉波数量有很大的关联。根据电能测试数据的分析可知：该矿井提升系统的谐波主要为11、13次谐波，另外还有少量13次以上的高次谐波。单调谐滤波器的主要利用电路的谐振原理，当滤波支路发生谐振时会对某一特定次数的谐波电流形成低阻通路，使得大部分谐波电流通过电容器组而不会注入电力系统的母线。对于滤波支路的设计主要是确定每一条支路中的元器件的容量、参数和校验值等。

平均功率因素可以按照能耗计算法确定，该矿井无功补偿装置的功率因素目标为0.95～0.99,功率因素补偿装置的计算容量为：

Qc1=βPs(tan φ1－tan φ2) （11）

式中β为平均负荷系数，平均负荷系数是指平均负荷与供电设备的额定负荷之比，对于该矿井提升系统中的负荷其值取0.7～0.8，Ps为负荷计算的最大有功功率，φ1、φ2为系统无功补偿前后的功率因素角。在无功补偿装置运行期间其吸收的平均无功功率为其额定的0.6左右。故滤波器组的无功功率可按下式计算：

Qc=0.6QTCR （12）

根据系统特征次谐波设置的滤波器组为11次、13次和高通滤波支路，电容器组的容量的容量由三部分组成,其总的补偿容量为：

Qc=Qc1+Qc2+Qch

Qc=0.75×1.1×(0.952－0.52)+0.75×0.44×(0.952－0.452)+

0.6×1.52=1.68MVar（13） 

考虑系统无功补偿容量需要一定的裕量并能进行小范围的调节，由公式（13)的计算结果可将滤波器组的安装容量设定为1.7MVA。对于第n次滤波支路其基波无功容量为：

Qcn=Ih/h∑Imm×Qc （14）

根据公式(6)、(12)、(13)、(14)及表1、2中的该矿井提升系统的电能指标测试数据，补偿装置11次、13次、及高通滤波支路的安装容量为：

Qc11=26.2226.22+26.48+32.66×

1.7MVar=0.52MVar

Qc11=26.4826.22+26.48+32.66×

1.7MVar=0.53MVar

QcH=32.6626.22+26.48+32.66×

1.7MVar=0.65MVar（15） 

5 无功补偿装置的工程应用效果分析

为了验证该无功补偿装置的工程应用效果，特别是提高矿井供电系统的功率因素、稳定母线电压以及减少谐波电流的效果，能通过投运无功补偿装置前后系统6kV母线电压、功率因素、11次、13次谐波电流分量等电能指标的测试比较，验证了针对矿井提升系统的无功补偿装置主电路结构、参数以及控制方案的合理性和有效性。通过前后测试数据进一步分析了该无功补偿装置对于矿井供电系统安全、节能工作的重要意义，在我国的矿井供电系统具有广泛的应用前景。

5.1 提高、稳定母线电压效果分析

提升机提矿运行的周期大约为100秒左右，为了更加全面的比较无功补偿装置投运前后对稳定母线电压、减少电压波动的效果，对装置投运前后母线的三相电压各进行了10分钟的测试。其母线电电压测试结果如图6所示：由图5的母线三相电压波形可知：在提升系统母线未投运无功补偿装置时，母线电压偏低且其波动性较大，特别是在提升机加速启动和减速停机过程中电压的波动尤为明显。另外母线的三相电压存在一定不平衡。投入无功补偿装置后，系统电压在装置投入的瞬间有小幅的波动，但在短时间内快速达到相对稳定的值。从统计数据来看整个母线电压得以提高，其电压的波动性有所降低，特别是在提升机稳定运行时电压波动较小，本文设计开发的矿井无功补偿装置对于提高母线电压并且在提升机稳定运行阶段减小母线电压波动具有显著的效果。

图6 无功补装置投运前后母线电压波形



5.2 减小三相电流中11次、13次谐波含量效果分析

为了验证设计的11次、13次单调谐滤波器组对系统母线中的特征次谐波的滤波效果，对装置投运前后对三相母线中电流谐波分量各进行了10分钟的测试，三相母线电流11次、13次谐波分量的测试结果如图7、图8所示：

图7 装置投运前后11次电流谐波分量曲线

根据图7、图8以上测试结果分析可知：未投入电容滤波器组进行滤波时，三相电流中的11次和13次谐波电流分别在30A、25A左右，根据附录1中的国家电能质量标准可知其谐波含量超过国家标准。11次、13次谐波的畸变率分别达到了10%、9%以上，在经过滤波器组滤波之后，在提升机稳定运行时其11次和13次谐波电流有效值分别减少到2A～3A之间、2A左右其畸变率也分别降低到了1.2%、2%左右。其次，在滤波器组投入之前，在提升机加速启动和减速停机过程中其谐波电流的冲击比较强烈波动十分明显。投入滤波器组进行滤波之后，谐波电流的含量、波动性迅速减小，11次、13次谐波电流的畸变率完全达到国家标准，滤波效果十分显著。

图8 装置投运前后13次电流谐波分量曲线

5.3 提高系统功率因素效果分析

为了验证无功补偿装置对于提高系统功率因素的效果，对其投运前后系统的功率因素进行了长时间的测试比较，根据测试系统的功率因素曲线如图9所示。

图9 无功补偿装置投运前后功率因素曲线

在未投入无功补偿装置前系统的功率因素较低，其功率因素水平普遍在0.6左右，另外通过图8的功率因素曲线可知：其功率因素不稳定，波动性比较大。在投入无功补偿装置后，系统功率因素得到迅速提高，在提升机运行期间其功率因素始终能维持在0.99左右的水平，对提高该矿井提升供电系统的功率因素效果十分明显。

6 总 结

无功补偿和谐波治理技术在近年来得到不断重视和发展，随着电力电子技术以及控制技术的迅速发展，涌现了越来越多的结构简单、补偿效果优良的无功补偿方法。基于TCR+FC型的SVC无功补偿技术在柔性交流输电、工业企业、大型民用场合受到广泛关注和应用。通过投运前后电能指标的测试数据可知：本文中设计开发的补偿装置能够很好的补偿供电系统的无功功率，并且系统具有较快的响应速度和较高的控制精度。装置运行期间能够提高系统母线电压，使母线电压的闪变和波动性减小。对于提高提升系统的功率因素效果显著，从投运前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升机整个运行过程当中都能够维持较高的功率因素，能够很好的满足矿井提升系统对电能质量的要求。对于提高矿井供电系统的稳定性、安全性，提高电能质量以及节能减排工作具有十分重要的意义，在我国采矿企业中具有广泛的应用前景。

参考文献

［1］ 罗安．电网谐波治理和无功补偿技术及装备［M］.北京:中国电力出版社,2006:183-195.

［2］ 唐杰,罗安,范瑞祥,等.新型厂矿企业配电网谐波抑制和无功补偿方案［J］.电力自动化设备,2007,27(2):39-43.

［3］ 立军,安世超,廖黎明,等.国内外无功补偿研发现状与发展趋势［J］.高压电器,2008,44(5):463-465.

［4］ AYORDOMOJ G,IZZEDDINEM,ASENSIR. et al.Load and voltage balancing in harmonic power flows by means of static VAr compensators［J］.IEEE Transactions on Power Delivery, 2002,17(3):761-769.

［5］ 陈璇,邵志兰,徐勇,等.TCR型动态无功静止补偿装置用于电力拖动［J］.高电压技术,2002,28(10):52-53.

［6］ 谢玉成.基于TCR+FC型电铁电能质量治理装置研究及应用［J］.电测与仪表,2010,47(2):45-47,51.

［7］ 张定华,桂卫华,王卫安,等.混合动态无功补偿装置及其应用研究［J］.电机与控制学报,2010,14(2):71-79.

提升机提矿运行的周期大约为100秒左右，为了更加全面的比较无功补偿装置投运前后对稳定母线电压、减少电压波动的效果，对装置投运前后母线的三相电压各进行了10分钟的测试。其母线电电压测试结果如图6所示：由图5的母线三相电压波形可知：在提升系统母线未投运无功补偿装置时，母线电压偏低且其波动性较大，特别是在提升机加速启动和减速停机过程中电压的波动尤为明显。另外母线的三相电压存在一定不平衡。投入无功补偿装置后，系统电压在装置投入的瞬间有小幅的波动，但在短时间内快速达到相对稳定的值。从统计数据来看整个母线电压得以提高，其电压的波动性有所降低，特别是在提升机稳定运行时电压波动较小，本文设计开发的矿井无功补偿装置对于提高母线电压并且在提升机稳定运行阶段减小母线电压波动具有显著的效果。

图6 无功补装置投运前后母线电压波形

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5.2 减小三相电流中11次、13次谐波含量效果分析

为了验证设计的11次、13次单调谐滤波器组对系统母线中的特征次谐波的滤波效果，对装置投运前后对三相母线中电流谐波分量各进行了10分钟的测试，三相母线电流11次、13次谐波分量的测试结果如图7、图8所示：

图7 装置投运前后11次电流谐波分量曲线

根据图7、图8以上测试结果分析可知：未投入电容滤波器组进行滤波时，三相电流中的11次和13次谐波电流分别在30A、25A左右，根据附录1中的国家电能质量标准可知其谐波含量超过国家标准。11次、13次谐波的畸变率分别达到了10%、9%以上，在经过滤波器组滤波之后，在提升机稳定运行时其11次和13次谐波电流有效值分别减少到2A～3A之间、2A左右其畸变率也分别降低到了1.2%、2%左右。其次，在滤波器组投入之前，在提升机加速启动和减速停机过程中其谐波电流的冲击比较强烈波动十分明显。投入滤波器组进行滤波之后，谐波电流的含量、波动性迅速减小，11次、13次谐波电流的畸变率完全达到国家标准，滤波效果十分显著。

图8 装置投运前后13次电流谐波分量曲线

5.3 提高系统功率因素效果分析

为了验证无功补偿装置对于提高系统功率因素的效果，对其投运前后系统的功率因素进行了长时间的测试比较，根据测试系统的功率因素曲线如图9所示。

图9 无功补偿装置投运前后功率因素曲线

在未投入无功补偿装置前系统的功率因素较低，其功率因素水平普遍在0.6左右，另外通过图8的功率因素曲线可知：其功率因素不稳定，波动性比较大。在投入无功补偿装置后，系统功率因素得到迅速提高，在提升机运行期间其功率因素始终能维持在0.99左右的水平，对提高该矿井提升供电系统的功率因素效果十分明显。

6 总 结

无功补偿和谐波治理技术在近年来得到不断重视和发展，随着电力电子技术以及控制技术的迅速发展，涌现了越来越多的结构简单、补偿效果优良的无功补偿方法。基于TCR+FC型的SVC无功补偿技术在柔性交流输电、工业企业、大型民用场合受到广泛关注和应用。通过投运前后电能指标的测试数据可知：本文中设计开发的补偿装置能够很好的补偿供电系统的无功功率，并且系统具有较快的响应速度和较高的控制精度。装置运行期间能够提高系统母线电压，使母线电压的闪变和波动性减小。对于提高提升系统的功率因素效果显著，从投运前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升机整个运行过程当中都能够维持较高的功率因素，能够很好的满足矿井提升系统对电能质量的要求。对于提高矿井供电系统的稳定性、安全性，提高电能质量以及节能减排工作具有十分重要的意义，在我国采矿企业中具有广泛的应用前景。

参考文献

［1］ 罗安．电网谐波治理和无功补偿技术及装备［M］.北京:中国电力出版社,2006:183-195.

［2］ 唐杰,罗安,范瑞祥,等.新型厂矿企业配电网谐波抑制和无功补偿方案［J］.电力自动化设备,2007,27(2):39-43.

［3］ 立军,安世超,廖黎明,等.国内外无功补偿研发现状与发展趋势［J］.高压电器,2008,44(5):463-465.

［4］ AYORDOMOJ G,IZZEDDINEM,ASENSIR. et al.Load and voltage balancing in harmonic power flows by means of static VAr compensators［J］.IEEE Transactions on Power Delivery, 2002,17(3):761-769.

［5］ 陈璇,邵志兰,徐勇,等.TCR型动态无功静止补偿装置用于电力拖动［J］.高电压技术,2002,28(10):52-53.

［6］ 谢玉成.基于TCR+FC型电铁电能质量治理装置研究及应用［J］.电测与仪表,2010,47(2):45-47,51.

［7］ 张定华,桂卫华,王卫安,等.混合动态无功补偿装置及其应用研究［J］.电机与控制学报,2010,14(2):71-79.

提升机提矿运行的周期大约为100秒左右，为了更加全面的比较无功补偿装置投运前后对稳定母线电压、减少电压波动的效果，对装置投运前后母线的三相电压各进行了10分钟的测试。其母线电电压测试结果如图6所示：由图5的母线三相电压波形可知：在提升系统母线未投运无功补偿装置时，母线电压偏低且其波动性较大，特别是在提升机加速启动和减速停机过程中电压的波动尤为明显。另外母线的三相电压存在一定不平衡。投入无功补偿装置后，系统电压在装置投入的瞬间有小幅的波动，但在短时间内快速达到相对稳定的值。从统计数据来看整个母线电压得以提高，其电压的波动性有所降低，特别是在提升机稳定运行时电压波动较小，本文设计开发的矿井无功补偿装置对于提高母线电压并且在提升机稳定运行阶段减小母线电压波动具有显著的效果。

图6 无功补装置投运前后母线电压波形

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5.2 减小三相电流中11次、13次谐波含量效果分析

为了验证设计的11次、13次单调谐滤波器组对系统母线中的特征次谐波的滤波效果，对装置投运前后对三相母线中电流谐波分量各进行了10分钟的测试，三相母线电流11次、13次谐波分量的测试结果如图7、图8所示：

图7 装置投运前后11次电流谐波分量曲线

根据图7、图8以上测试结果分析可知：未投入电容滤波器组进行滤波时，三相电流中的11次和13次谐波电流分别在30A、25A左右，根据附录1中的国家电能质量标准可知其谐波含量超过国家标准。11次、13次谐波的畸变率分别达到了10%、9%以上，在经过滤波器组滤波之后，在提升机稳定运行时其11次和13次谐波电流有效值分别减少到2A～3A之间、2A左右其畸变率也分别降低到了1.2%、2%左右。其次，在滤波器组投入之前，在提升机加速启动和减速停机过程中其谐波电流的冲击比较强烈波动十分明显。投入滤波器组进行滤波之后，谐波电流的含量、波动性迅速减小，11次、13次谐波电流的畸变率完全达到国家标准，滤波效果十分显著。

图8 装置投运前后13次电流谐波分量曲线

5.3 提高系统功率因素效果分析

为了验证无功补偿装置对于提高系统功率因素的效果，对其投运前后系统的功率因素进行了长时间的测试比较，根据测试系统的功率因素曲线如图9所示。

图9 无功补偿装置投运前后功率因素曲线

在未投入无功补偿装置前系统的功率因素较低，其功率因素水平普遍在0.6左右，另外通过图8的功率因素曲线可知：其功率因素不稳定，波动性比较大。在投入无功补偿装置后，系统功率因素得到迅速提高，在提升机运行期间其功率因素始终能维持在0.99左右的水平，对提高该矿井提升供电系统的功率因素效果十分明显。

6 总 结

无功补偿和谐波治理技术在近年来得到不断重视和发展，随着电力电子技术以及控制技术的迅速发展，涌现了越来越多的结构简单、补偿效果优良的无功补偿方法。基于TCR+FC型的SVC无功补偿技术在柔性交流输电、工业企业、大型民用场合受到广泛关注和应用。通过投运前后电能指标的测试数据可知：本文中设计开发的补偿装置能够很好的补偿供电系统的无功功率，并且系统具有较快的响应速度和较高的控制精度。装置运行期间能够提高系统母线电压，使母线电压的闪变和波动性减小。对于提高提升系统的功率因素效果显著，从投运前的0.6左右可以迅速提高到0.99左右，并且在提升机整个运行过程当中都能够维持较高的功率因素，能够很好的满足矿井提升系统对电能质量的要求。对于提高矿井供电系统的稳定性、安全性，提高电能质量以及节能减排工作具有十分重要的意义，在我国采矿企业中具有广泛的应用前景。

参考文献

［1］ 罗安．电网谐波治理和无功补偿技术及装备［M］.北京:中国电力出版社,2006:183-195.

［2］ 唐杰,罗安,范瑞祥,等.新型厂矿企业配电网谐波抑制和无功补偿方案［J］.电力自动化设备,2007,27(2):39-43.

［3］ 立军,安世超,廖黎明,等.国内外无功补偿研发现状与发展趋势［J］.高压电器,2008,44(5):463-465.

［4］ AYORDOMOJ G,IZZEDDINEM,ASENSIR. et al.Load and voltage balancing in harmonic power flows by means of static VAr compensators［J］.IEEE Transactions on Power Delivery, 2002,17(3):761-769.

［5］ 陈璇,邵志兰,徐勇,等.TCR型动态无功静止补偿装置用于电力拖动［J］.高电压技术,2002,28(10):52-53.

［6］ 谢玉成.基于TCR+FC型电铁电能质量治理装置研究及应用［J］.电测与仪表,2010,47(2):45-47,51.

［7］ 张定华,桂卫华,王卫安,等.混合动态无功补偿装置及其应用研究［J］.电机与控制学报,2010,14(2):71-79.