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摘 要 ： 基于煤矿电力系统中存在着大量的感性负荷,无功功率无法满足需求,本文提出使用FPGA进行无功功率的快速实时计算,采用改进的九区图作为无功的补偿策略,避免补偿设备的频繁投切,延长设备的使用年限.对无功进行快速动态补偿,改善系统功率因数,提高电网电压水平,对用电设备也起到了一定的保护作用.
Abstract： In the coal mine there are lots of perceptual load in power system. Reactive power can't meet the demand. This paper use FPGA for rapid real time calculation of reactive power, with the improved nine area chart as a reactive power pensation strategy, oid frequent for pensation equipment, prolong the service life of equipment. For fast dynamic reactive power pensation, improve system power factor, and improve the level of grid voltage. It also played a certain role in protecting the electrical equipment.
关 键 词 ： 无功补偿；FPGA；改进九区图
Key words： reactive power pensation；FPGA；improved nine area chart
中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）29-0045-02
0 引言
当前,煤炭资源在我国能源结构中仍然占有很大比重,所以煤炭资源的稳定生产关系极其重要.煤炭资源的开发和生产过程中所用到的大型设备如主、副井提升机、采煤机等都是以电能作为其动力能源的设备,因此一定要保证煤炭部门的正常用电.煤炭工业属于一级电力用户,但因地域环境等因素,不少煤矿距离大电网较远,使得用电电压较低,功率因数低于正常水平,无功功率不足,且广泛存在着三相异步电动机等大量的感性负荷,消耗大量无功,使得功率因数进一步降低,致使用电设备无法正常工作或损坏.
1.井下无功补偿设备与补偿方式
井下的无功补偿设备一般有以下几种静止电容器、静止补偿器与静止无功发生器等,常用的补偿方式有就地无功补偿、分散无功补偿和集中无功补偿等,这几种补偿设备和补偿方式各有各的优缺点,使用时根据井下电力系统的实际情况进行选择.并联电容器无功补偿技术是提高功率因数最直接、最经济的方式,且一般采用就地补偿的补偿方式,通过控制系统自动投切电容器,无功补偿的距离最短,减少无功在电力线路上的传输,节约电能.
2.无功补偿的基本原理
电力系统中的感性负荷需要消耗系统无功功率,使得系统无功减少,相应的功率因数降低,电压水平下降,而电容器等可产生无功功率的设备可以并联在感性负荷处,产生容性无功功率,以补偿感性设备消耗的无功,使功率因数增大,电压水平上升,起到补偿目的.
若系统的有功功率为P,我们假设有功功率P一定的情况下,感性负荷需要的无功功率为Q.没有进行补偿时系统无功功率为Q1,功率因数角为θ1,在此处进行无功补偿,补偿容量为Q2,则相应的功率因数角增大为θ2,功率因数值也相应增大,而复功率的有效值却减少了,提高了送电量,减少了无功在电力线路上的传播,节约了电能.另外,当系统无功不足时,产生的直接后果就是线路的电压过低,导致线路的电压损耗增大.
图2中系统的无功需求为QS,由电源提供的无功为QN,无功功率平衡后所决定的电压水平为正常电压水平UN,但当系统电源所提供的无功功率较少（图2中为QM）时,无功功率经过一定的条件也能达到平衡,但此时所决定的电压水平就会低于正常水平为U,使得一些设备因电压过低而被迫停机,所以当系统出现无功不足时需要及时进行合理的补偿,才可以有效避免这类情况的发生.
3.实现方法
在计算无功功率时需要对其进行快速傅里叶变换的复化计算,用以得到近乎瞬时的无功功率值,然后通过FPGA的相应的控制程序实现对并联电容器组地投切,起到补偿或减少无功的目的.系统电网中某次谐波的无功功率的计算式Qk等于（WukNik-NukWik）（1）
上式中的 Wuk、Nik、Nuk、Wik分别对应该次谐波下电压和电流信号的傅立叶变换系数.经FFT运算即可得到无功功率的表达式为
Qk等于{H2（k）+L2（S-k）-L2（k）-H2（S-k）}（2）
其中H、L为复数的实部和虚部两个数组,进行FFT时相应的蝶形运算的因子为D′s等于cos?兹-jsin?兹 ?兹等于r
计算得到无功功率值后需要进行相应的控制策略分析,得到并联电容器的动作方式.控制策略一般选取无功功率补偿常用到的九区图控制策略,但因其本身存在着振荡及装置频繁动作的缺陷,所以需对九区图进行一些优化.
即在原有九个区域的基础上,把其中2、4、6、8四个区域又各自分成两个小区域,其中ΔQ为分接头调节一档引起的无功最大变化量,ΔU为为投切一组电容器组引起的电压最大变化量.这样进行改进之后使得无功功率的判断更为准确,不会在边界线上来回振荡,造成并联电容器的频繁投切.在使用FPGA完成对电容器的投切控制操作时需要在软件中设置采集电压电流信号的硬件接口和控制并联电容器投切的硬件接口而且需要对软件系统进行优化,减少延时,以保证准确快速地实现无功功率的补偿.
4.结束语
对煤矿电网无功功率进行补偿,文中用FPGA实现对无功功率的实时动态补偿,且采用改进九区图进行补偿的控制策略设置,避免了设备的误动作与振荡现象的发生.改善了电网电压水平,提高了功率因数,极大地改善了煤矿电力系统的电能质量,具有很好的推广价值.