解决方案
安全可靠 能效提升丨新风光防爆SVG在煤矿井下供电系统中的应用与分析
一 引言
2007年7月，国家发展和改革委员会、国家环境保护总局在《煤矿工业节能减排工作意见的通知》中明确提出，煤矿井下应采用动态无功补偿与就地无功补偿策略，确保补偿后供电线路平均功率因数大于0.9。但我国目前现有的在产煤矿以及在建矿山的井下供电系统中的工作面的总装机容量会随采区生产的提高或者设备的更新换代而大幅增长，此外，在矿山开采设计阶段，供电线路过长，同时大量高负荷开采、运输设备的集中使用导致了无功功率在用电系统中的比例。在目前大多数不经设备补偿的井下工作面供电系统的平均功率因数通常不超过0.7，而在电机设备频繁启动的状态下，功率因数甚至可能降至0.4以下。
无功功率在井下供电系统的含量过高，不仅严重影响煤矿井下的电能质量，还为井下采煤及掘进工作面的供电线路设计带来了挑战。本文通过详细分析防爆SVG在煤矿井下不同工况下的应用方案及效果，探讨了该技术如何解决煤矿生产中长期存在的无功功率问题，并讨论配置防爆SVG装置在提升煤矿井下供电系统性能中的重要性和实用价值。
二 煤矿井下供电系统现状分析
2.1 井下电能质量问题
随着我国矿山开采技术的持续进步，井下采用大功率重型矿用设备已成常态，这一变化有效降低了大规模煤炭资源开采的难度。随着采煤和掘进设备与供电设备间的距离逐步延伸，以及变频设备使用比例的增加，煤矿生产企业的经济效益显著提升。然而，这些发展也伴随着井下供电系统电能质量的多种问题，具体表现为功率因数偏低、线路末端电压下降、电压突降、供电稳定性差、电压波动以及电压闪变等现象。
影响供电系统的无功功率往往由大功率设备分布集中的综采工作面用电系统中发出，同时矿山开采过程中负荷设备工作时间重叠，且多在工业用电的高峰期集中运行，导致昼夜间负荷差异显著。为了节能降耗，一般 6: 00 ～ 11: 30通常安排为设备的检修时段，此时负荷相对较低，一般仅达到正常工作负荷的20%。11: 30～15: 00 及 16: 00～24: 00 则为负荷高峰时段，期间生产设备全面投入使用。此外，矿井中800kW及以上大容量电机的间歇性的工作特性，更一步扩大峰谷负荷占用率的不均衡与波动
随着变频器、绞车、风钻、电机车等各类电子设备在煤矿的广泛应用，这些设备常常具备非线性冲击性和不平衡的特性。它们在运行过程中会产生大量的高次谐波，从而引起设备输入端电流和电压波形的畸变，进而影响设备启动困难。此外，高次谐波的存在不仅使得大型设备启动困难，增加了启动过程中设备的损耗，还可能导致设备频繁烧毁或跳闸。这些问题不仅增加了电气设备的运行成本，使设备过热、效率下降、安全性降低，还威胁到上级继电保护设备的可靠性，可能引发各类保护系统误动或拒动。除此之外谐波在一定程度上存在着引起系统局部谐振的可能，由此对电气设备正常运行产生干扰。这种干扰不仅降低了矿用设备的绝缘性能，增加了电气安全事故的风险，也严重影响了煤矿的安全运营和生产效率。
2.2 无功功率对井下长距离供电系统设计的影响
煤矿矿山电力系统的设计受限于开采地区地质特点、煤炭开采经济效益等因素的制约，所以电力供应系统的布置相对复杂。一般情况下，煤矿供电系统拓扑结构如图2，井上35(10)kV变电所经中央变电所，向采区变电所供电，再由采区变电所通过移动变电站变压至3.3kV/1.14kV供给采、掘工作面的临时配电点。在这套供电系统中，井下至末端的采区变电所最长的10(6)kV电缆长度达10km，且包含多个分支。最远的末端工作面配电点距离采区变电所可达5km，其末端电压下降超过额定电压的7%。
图2 煤矿矿山电力系统设计概览图
图3 工作面供电示意图
三 防爆SVG基本原理
3.1 防爆SVG主回路拓扑
防爆SVG 是通过利用大功率电力电子器件（IGBT）的高频开关来实现系统无功功率的变换，受限于目前行业内电力电子器件的容量上限，同时为了满足矿山井下供电线路对高电压大电流的无功补偿装置的需求，可通过对SVG功率单元进行串联（多电平）或并联（多重化）的方式来扩展其容量。
防爆SVG是基于链式H桥多电平拓扑结构的SVG装置，其中每一相都由多个独立的H桥模块串联组成，从而实现多电平的控制。H桥模块内的电力电子器件和电容承受相同的负荷，当输出电平数相同时，链式结构多电平电路相较于其他设计，所需的电力电子器件更少，且在器件开关频率相同的条件下，能够产生更低的谐波，从而提高了系统的整体效能和可靠性。
防爆SVG的拓扑优势在于，所有模块结构完全相同，意味着更高程度的模块化设计与工业化组装，另外单元模块节省了钳位二极管或平衡电容的使用，从而便于进行模块的多重组合、调试和安装。此外，该设计有效地解决了直流侧电压不稳定问题。在应对高电压和大容量的应用场景中，基于链式结构的多电平电路显示出了相较于传统多电平电路的显著优势。
图4 H桥级联SVG拓扑结构
3.2 无功补偿装置(SVG)无功补偿原理
防爆SVG实现无功补偿原理为：采用链式H桥多电平拓扑结构，通过功率器件IGBT的高频通断将直流侧电压转换成与交流侧电网同频率的输出电压。
以基波频率状态下可将防爆型静止无功发生器（SVG）等效为一个输出电压幅值和相位均可调控的同频交流电压源设备，如图5所示等效模型中，电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量Us和UI表示，连接电抗X上的电压UL即为Us和UI的相量差，连接电抗的电流是由其电压控制即为防爆SVG从电网吸收的的电流I。
因此，通过改变防爆SVG交流侧输出电压UI的幅值及其相对于系统电压Us的相位，就能够调节连接电抗上的电压，进而精确控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，最终实现控制SVG吸收无功功率的性质和大小。
图5 SVG等效电路图
在图4所示的等效电路中电抗器视为纯电感，如果忽略其损耗及变流器的损耗，假设其不消耗有功功率。在此模型的前提下，需使UI于Us同相，通过改变UI的幅值大小可控制SVG从电网吸收的电流I为超前或是滞后90°，且能控制该电流的大小。如图6所示，当UI大于Us时，电流超前系统电压90°，SVG从系统吸收容性的无功功率；当UI小于Us时，电流滞后系统电压90°，SVG从系统吸收感性的无功功率。
图6 工作原理向量图
3.3 无功补偿装置(SVG)谐波补偿原理
采用直接电流控制的有源滤波型SVG的工作原理如图7所示。从图中可以得出式（1），即系统电流IS是负载电流IL和补偿电流IC的相量和。
图7 直接电流控制的静止无功发生器的工作原理
假设负载电流IL中含有基波正序电流（包括基波正序无功电流ILfq+和基波正序有功电流ILfp+）、基波负序电流ILf-和谐波电流IL如式（2）所示。
要使静止无功发生器对负载谐波进行抑制，需要使静止无功发生器输出电流IC满足式（3）
如果要使静止无功发生器对负载谐波抑制的同时还对系统进行补偿无功，需要使装置输出电流IC满足式（4）。
在实际井下供电系统的应用中，防爆SVG谐波检测算法能实时、准确地检测出系统中的谐波电流，在对井下供电系统进行谐波补偿时，能有效地吸收电网谐波，满足井下供电系统中电网对谐波指标要求。图8为防爆SVG补偿电网谐波前后对比。
图8 防爆SVG补偿电网谐波前后对比
四 新风光解决井下供电问题的方案
4.1 集中补偿解决方案
10kV/6kV大容量无功补偿装置，适用于配置在井下高压配电点中，可以对此配电点供电的多个用电工作面的所有负荷进行集中补偿，从整条供电系统层面有效提高用电工作面的电能质量和功率因数，同时滤除电网中的谐波，从而增强供电线路的传输能力和供电效率。此外，该补偿方案通过稳定电压，能显著提升远距离供电的稳定性和节能效果。这种技术配置不仅优化了电力系统的运行效率，还有助于降低运维成本，实现高效、稳定的电能供应。
图9 集中补偿解决方案
集中补偿解决方案可以有效补偿高压供电供电线路中的无功电流，通过降低线路无功电流损耗显著降低系统损耗；同时提高系统功率因数，根据用电设备精确选型无功补偿设备可将功率因数由0.5以下提升至0.99；此外，该技术还能滤除系统中存在的谐波，减少由谐波引起的用电设备故障，增强电气设备的运行稳定性。通过提高设备的可靠性，可以大幅度降低人力与物力成本，优化设备的维护与运营效率。这种技术的应用不仅改善了电能质量，还有助于延长设备寿命和提高整个供电系统的经济性及环境友好性。
4.2 分散及就地补偿解决方案
3.3kV/1.14kV防爆无功补偿装置，配置在工作面3.3kV/1.14kV供电线路中，可以针对某一生产工作面一个或几个负荷进行定向补偿，可有效提高供电支路因数，减少线缆电能损耗、提高上级移动变压器利用率降低变压器压降。达到延长采掘工作面供电的目的。
在目前煤矿开采生产工艺和用电工作面供电工艺下，终端开采负荷与上级移动变压器之间供电距离过长，且工作面大型设备在启动瞬间产生超高的无功冲击，造成线路终端电压跌落严重，达不到设备正常工作电压范围。为了解决这一问题，可以采取分布式就地无功补偿装置方案对开采工作面的个别存在无功冲击设备进行单独补偿，配置方式为，将防爆 SVG 配置在采煤、掘进工作面供电线路中部或接于负荷侧，通过快速跟进抵消设备启动瞬间产生的无功冲击，提高线路末端网压，稳定设备运行，节能降耗。采掘工作面长距离供电终端单独补偿方案拓扑如图10。
图10 分散及就地补偿方案
采、掘工作面长距离供电终端单独方案的优势在于充分利用防爆 SVG≤20ms的动态响应速度，实现负荷变化的实时跟踪，动态且平滑补偿无功功率。设备内部与电缆并联，保障了负荷的正常运作不受影响；投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无需放电即可再投；在额定电流的前提下，输出电流谐波（THD）≤3%；系统集成了过压、欠压、过流、单元过热和不均压等保护机制。显著提高了运行的可靠性。
分散及就地补偿解决方案是矿山开采长距离电力供应，超长供电距离设计，减少移动变电站的调动频率的重要设计环节，通过分路及就地补偿可以节约大量人力成本，有效提升采掘作业面的能源供应效率和安全性。
五 总结
综上所述，在煤矿供电系统中，部署无功补偿装置对优化井下供电系统具有重要意义。此举不仅可以改善供电系统的电能质量，还有助于通过补偿无功功率减少线路电流，从而延长工作面的供电距离。这种技术的应用能够解决现有井下供电系统面临的多种问题，实现节能降耗，并为我国实现碳达峰和碳中和目标提供支持。
