本文介绍了掘进机SVG无功补偿器的基本原理，并详细的介绍了其控制方法，最后以1140V/200k var 掘进机SVG无功补偿器进行了仿真。

一、掘进机无功补偿的意义

随着煤矿向高产高效的集约化方向发展，采掘设备的大型化、重型化已经成为发展的必然趋势。掘进机械的装机容量不断上升，而矿井的特殊环境使得井下电网容量非常有限，在这种供电条件下，大功率掘进机电机的起停对电网产生很大的冲击，造成电网电压瞬时大幅跌落、功率因数下降、输电损耗增加等。而掘进机受电端电压的降低，引起电机输出转矩减小、设备出力不足，电机长期处于过流过热状态，使电机绝缘老化加速，直到烧坏，设备故障率增加，设备服务年限下降。尤其在供电距离比较长的情况下，这种现象更为严重，无功功率引起线路压降和线路损耗使得掘进机启动比较困难。

为解决这个难题，本文提出对掘进机实施动态无功补偿方案。既在掘进机的供电环节中加设先进的SVG动态无功补偿装置，实现掘进机柔性输电(FACTS)。动态无功补偿的效果可以提高和稳定掘进机受电端电压、保证供电线路功率因数近似等于一；可以提升掘进机性能的发挥，延长供电距离；减少电网投资、降低线路损耗以达到节能目的；为掘进机变频改造提供可行的技术支持。

二、SVG无功补偿的优点

动态无功补偿有SVG（静止无功发生器）和SVC(主要指晶闸管或接触器投切电容电抗器)两种类型，但它们的特性功能却存在着较大的差异。具体说来，SVG和SVC相比有下列优越性：

a SVG输出电流不依赖于电压，表现为恒流源特性，具有更宽的运行范围。而SVC本质是阻抗型补偿，输出电流和电压成线性关系。因此系统电压变低时，同容量SVG可以比SVC提供更大的补偿容量。

b SVG比SVC具有更快的响应速度，因而更适合抑制电压闪变，SVG响应时间在10ms以内，而国内SVC响应时间一般在20~100ms。SVG从额定容性无功功率变为额定感性无功功率(或相反)可在l ms之内完成，这种响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

c SVG采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度。而SVC本身要产生一定量的谐波，如TCR型的5、7次特征次谐波量比较大，占基波值的5%一8%;其他如SR，TCT等也产生3、5、7、11等次的高次谐波，这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难。由于国家标准的相继出台，SVC在井下使用受到较大限制。

d 在故障条件下，SVG比SVC具有更好的控制稳定性。SVC使用了大量电容器、电抗器，当外部系统容量与补偿装置的容量可比时，SVC会产生不稳定性。SVG对外部系统运行条件和结构变化不敏感。

e 同容量SVG体积小于SVC。由于SVG使用直流电容器储能，因而可以减小电容器体积，且不需要并联电抗器即可以控制无功功率平滑变化，因此安装尺寸大大减小。

f SVG能够在一定范围内提供有功功率，减少有功功率冲击。SVC只能提供无功功率，不具备提供有功功率的功能。

g 通过仿真研究表明，暂态稳定问题中为使得电压恢复效果相同，安装SVG容量要比SVC节约20%左右。SVC发展历史相对于SVG来说要久远，因此其技术实现比较成熟，同时它还具有结构简单、控制算法容易实现、成本较低的优势，

三、掘进机SVG无功补偿器的工作原理

掘进机SVG无功补偿的工作是建立在一个静止的同步电压源的基础上的，如图1所示。该电压源由一个IGBT电压型变流器构成，经由串联电抗与掘进机供电电网相联。由于SVG正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，SVG可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的电压源。

图1 SVG主电路结基本构图

SVG的工作原理可以用如图2所示的单相等效电路说明。设电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量U_s和U_I表示，则连接电抗X上的电压U_L即为U_s和U_I的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的的电流I。因此，改变SVG交流侧输出电压U_I的幅值及其相对于系统电压U_s的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。

图2 等效电路

在图2所示的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗及变流器的损耗，因此不必考虑从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使U_I于U_s同相，仅改变U_I的幅值大小即可控制SVG从电网吸收的电流I是超前还是滞后90^o，并且能控制该电流的大小。如图3所示，当U_I大于U_s时，电流超前系统电压90^o ,SVG从系统吸收容性的无功功率；当U_I小于U_s时，电流滞后系统电压90^o，SVG从系统吸收感性的无功功率。

图3 相量图

四、掘进机无功电流的检测方式

三相电路瞬时无功功率理论首先有赤木泰文于1983年提出，此后逐渐完善，并在有源滤波和SVG的谐波和无功电流检测中得到了广泛的应用.其优点是实时性好，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。

在检测掘进机无功电流时，采用了基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测方法，这种方法对电网的电压畸变不敏感，能够比较准确的检测出掘进机的无功电流，从而使SVG能够准确的补偿掘进机的基波无功电流。图4为无功电流的检测流程示意图。

图4 无功电流检测示意图

五、 掘进机SVG无功电流的控制方式

电流直接控制用电流瞬时值与瞬时无功参考电流指令比较，比较结果控制逆变器功率器的开关状态。电流直接控制有滞环比较、恒频三角波比较以及空间电压矢量等几种控制方式。该无功补偿器采用空间电压矢量控制方式。电流直接控制较间接控制有许多优点，具体讲主要表现在如下三个方面：

(1) 系统具有快速的瞬态响应：由于瞬时反馈的引入，控制系统对直流侧电压和交流侧电网电压波动迅速作出反应，保持输出电流跟随参考值；

(2) 系统稳定性较高：电感的电流控制环是一阶系统，无条件稳定；

(3) 可抑制负序引起的不良影响：电网负序电压存在时，因为无功电流指令是先用abc-dq0变换到瞬时I_q，再通过dq0-abc逆变换为三相瞬时电流，此时无功电流指令实际上是三相无功电流的平均值，因此，输出三相电流无功电流对称，流入直流侧电流脉动小，电压也比较平稳。图5为基于SVPWM调制的dq轴下的瞬时控制示意图：

图5 基于SVPWM调制的dq轴下的瞬时控制示意图

六、 掘进机SVG动态无功补偿器的仿真结果

为验证掘进机SVG动态无功补偿器原理的正确性，针对120掘进机(装机功率大约200kW，功率因数0.7)设计了1140V/200kvar的SVG无功补偿器进行了仿真，其仿真图如图6：

图6 SVG系统仿真图

SVG仿真结果如图7：

图7 SVG无功补偿器电压电流波形图

七、结论

本文着重介绍了掘进机SVG无功补偿器的控制原理，并在Simulink环境下做了仿真分析，从仿真结果看，SVG符合掘进机无功补偿的要求，为以后的设计奠定了良好的基础。

（本文选编自《电气技术》，作者为金江、张胜达。）