煤矿电力系统电压无功补偿自动调节研究

魏言兵 1 许艳云 2 徐大勇 1 张振平 1

1. 兖矿能源集团股份有限公司济宁三号煤矿 山东 济宁272000

2. 2.兖矿能源集团股份有限公司信息化中心 山东 邹城 273500

摘要：本文研究在简要分析无功补偿自动调节原理的基础上，提出了针对于煤矿电力系统的无功补偿自动调节系统建设原则，并探讨了该技术的具体应用。

关键字： 煤矿电力系统，，无功补偿，自动调节

基于我国煤矿电力系统的建设，其主要包括电网系统和配电线路两部分，其中电网系统涵盖与用电装置相关的所有控制系统，配电线路主要是连接用电装置和供电设备之间的线路。针对于我国煤矿电力系统的限制情况，应用无功补偿自动调节技术，已成为提升生产效益降低能耗的重要手段。

1 无功补偿自动调节的原理

就电容器无功的输出情况而言，主要调节电容器相应端的电压来输出无功功率，即把电压调整设备接到供电体系之中，达到调整电容器的无功输出功率的目标。和以往的无功补偿途径相比，自动调节的核心在于采用的是自动电压调整设备，来达到供电体系实时无功补偿所需的目标，提升无功补偿的效率。此设备的设计原理在于经由电压的同步分级式调整来实现电容端电压控制的目的。

电容器无功输出的主要影响因素包括系统的工作频率，电容器的容量，电容器端的电压参数等。普遍的无功输出调节方式是控制电容器端的电压参量，具体的公式如下。

本文提出的煤矿电力系统电压无功补偿控制方案，将具有调节电压功能的设备接入到电力系统中，通过对电压系统的控制，实现电容端电压的调节，进而实现电容器无功补偿功率输出调节与控制。分析认为现阶段采用的电容器接入方式主要是固定式，电容器接入不存在放电问题，则无需对延时特性进行调节。采用同步或分级式电压调控，每一次调整过程对于电容器端电压的改变量影响不大。由于调控过程中电压的变化情况相对稳定，能够明显的改善电力系统内部器件的工作环境，设备的寿命得以延长，有利于降低整体的维护成本。

2 无功补偿自动调节系统建设原则及其构成

电力系统中实现电压无功补偿自动调节，关键在于控制系统，现阶段应用较为广泛的控制元器件是单片机，在控制系统中主要调节的因素是PT与PC输入的电流和电压，控制过程主要是计算功率指数。在设计之初应明确控制的目的，并事先确定应用的软件及编程原则，在此基础上根据总体参量调节具体的数值。在电压无功补偿自动控制中，需要同步实现系统电压和功率指标的调节，而两者存在明显的关联关系。研究表明，仅对功率指数或系统电压进行控制，无法实现自动控制的目的，据此将功率指数和系统电压依次设为X轴和Y轴，构建如下图所示的控制图示。

调控区域示意图

根据调控区示意图，通常将其分为9个分区，其中第9分区是无功补偿自动控制的核心区域，也是电力系统正常工作的区域。与此同时，在主要的控制元器件—单片机进行编程设计时，也应以上图所示的9个分区进行归类和分配。如当前的电力系统供电体系处于1区，表明功率因数和体系电压均比设定值低，此时的调节方案应是调高无功输出，辅助措施是调整体系电压。以不同情况下的调控模式为目标，开展单片机的编程工作，当电压体系出现明显变化时，通过智能控制软件实现自动、智能调节，实现无功补偿的自动调控。

针对于上述9区，调节原则分别为：当前工作区域为1区时，优先递增无功输出，以提升体系电压为辅助项目；当前工作区域为2区时，优先提升体系电压，以递增无功输出为辅助项目；当前工作区域为3区时，优先降低无功输出，以提升体系电压为辅助项目；当前工作区域为4区时，优先递增无功输出；当前工作区域为5区时，优先降低无功输出；当前工作区域为6区时，优先降低体系电压，以递增无功输出为辅助项目；当前工作区域为7区时，优先降低体系电压；当前工作区域为8区时，优先降低无功输出，以降低体系电压为辅助项目。

3 电压无功补偿自动调节在煤矿电力系统中的应用

3.1 煤矿电力系统特征分析

电压无功补偿自动调节技术在诸多领域已有应用，其在煤矿电力系统中的应用，需首先深入探究煤矿电力系统的特征，找出其存在的问题，制定自动调节方案。煤矿生产对于电能的质量有着较高的要求，需重点考虑供能的稳定性，无功补偿过程中电网的冲击，及主要电气设备的受损情况。由于煤矿生产的需要，在电力系统中存在着较多的非线性电子组件，非线性电子组件在搭建智能化系统时，会出现明显的谐波现象，谐波问题会降低供电系统的功率因数，对于电能的稳定性产生不良影响。

更为重要的是，引入了电压无功补偿自动控制后会导致电网系统的波动，在一定程度上增大了供电系统中无用功所占的比例，引起电能的损失，对于大规模生产的煤矿系统导致安全隐患。供电系统中如存在谐波，必然会引起电网中变频器、电机和变压器工作状态的异常，对于煤矿井下作业也会产生信号干扰，影响继电保护器的正常工作。

3.2 无功补偿自动调节方案设计

在工业工程领域无功补偿自动调节，主要包括以下两种技术类型。（1）随线无功补偿。此种无功补偿方案通过将并联的电容分散的连接到高压配电线路中，以此补偿电路中的无功功率，最终的目的是提升电网系统的功率因数，降低系统损耗，提升电压。主要适用于功率因数低，整体负载轻，公变线路少的长配型单线路。随线无功补偿技术方案的最主要优势是建设成本低，补偿率高，回收快速。主要的缺点在于后期维护难度高，工程量大，受安装环境和保护配套装置的影响较高，在实际煤矿电力系统中应用不多。（2）低压无功补偿。低压无功补偿根据性质又可分为低压分散式补偿和低压集中式补偿两种。其中低压型集中式补偿，主要是将智能化无功补偿装置作为整体的保护控制设备，并在低压母线侧安装电容组，以此实现补偿低压配电线路无功损耗的目的。该种补偿技术在农村地区广泛应用，主要受制于管理和维护两方面因素，存在安全隐患，使用面较窄。低压型分散式无功补偿，在密集的无功负载低压线路中应用较多，该种方案主要针对于用电装置和线路的损耗导致的无功功率。相比较于低压型集中式无功补偿，分散式无功补偿在提升电能，优化电压质量，降低损耗方面优势更加明显。

3.3 智能化控制应用探讨

本文提出的智能化无功功率自动补偿方案借助于控制器实现，结构图如下所示。

智能化无功功率自动补偿方案

人机交互主要通过键盘和液晶显示器实现，可在其上完成定值的设置，主要包括PT与CT变化比率，功率因数的上下限等。对于交流输入型的电力系统，可在控制PT与CT输出的同时，优化样品采集频率。开关量对应输出电路可应用于无功输出功率电压等级调节，主要的输出渠道是继电器。如使用光耦输入技术，则在开关量对应的输入电路中，建议使用电压分接开关和监控调压器。为了优化通信信号，建议通信线路设置在远离动力系统的位置，并搭配智能化、综合式的传输体系。网络接口建议使用CAN或RS485接口，微控器那至少选择12位的外围型芯片。

4 结语

我国的煤矿生产存在较多的井下作业环节，电力系统与井下作业的效率和安全性直接相关，一方面煤矿电力系统提供井下作业的动力，照明，通风等能源来源，另一方面如果发生电力系统故障，则必然导致井下作业停止或者发生事故。由此可见，开展煤矿电力系统的研究与应用，对于保障井下供电环境，提升作业的安全性和可靠性具有重要意义。

参考文献：

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