SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波治理研究

陳鵬飛

（河南崤函電力供應(yīng)有限責(zé)任公司，河南 義馬 472300）

0 引 言

煤礦生產(chǎn)對(duì)供電系統(tǒng)的安全可靠性要求非常高。目前，煤礦生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，礦井用電量不斷增加，對(duì)供電系統(tǒng)的“節(jié)能”方面提出了更高要求。電力系統(tǒng)的電壓和無功，是保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、降低有功網(wǎng)損及提高電能質(zhì)量的重要部分。電壓是衡量電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，電壓質(zhì)量不僅影響電力用戶的正常用電，而且影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。無功不足將會(huì)導(dǎo)致電壓下降。供電系統(tǒng)中，電壓不穩(wěn)，經(jīng)常波動(dòng)，不僅對(duì)電氣設(shè)備性能造成較大影響，而且影響整個(gè)供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)系統(tǒng)崩潰，導(dǎo)致大范圍停電事故。供電系統(tǒng)的諧波電流也會(huì)影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，并嚴(yán)重影響礦區(qū)安全生產(chǎn)，可能造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，無功補(bǔ)償和諧波治理已經(jīng)成為目前供電系統(tǒng)中最為重要的任務(wù)[1]。

1 無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)

與晶閘管控制電抗器TCR和磁閥控制電抗器MCR相比，SVG具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

（1）由于SVG采用大功率可關(guān)斷電力電子器件（IGBT），可連續(xù)調(diào)節(jié)無功輸出，并做到快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，只要滿足補(bǔ)償容量要求，就能最大限度滿足功率因數(shù)補(bǔ)償要求，做到任意時(shí)刻功率因數(shù)均接近1.0，并且無過補(bǔ)償問題。

（2）對(duì)于補(bǔ)償容量，一般TCR型裝置和MCR型裝置需要配置與FC等容量的無功功率。例如，20 Mvar的FC回路需要配置20 Mvar的TCR裝置或MCR裝置，才能得到0～20 Mvar的無功調(diào)節(jié)范圍。但如果采用SVG補(bǔ)償方式，只需要配置10 Mvar的FC回路和10 Mvar的SVG裝置，就能得到同樣的調(diào)節(jié)范圍，所以SVG裝置的運(yùn)行損耗比TCR/MCR型裝置小一半。

（3）SVG裝置不含大容量高壓電容和電感等儲(chǔ)能元件，可進(jìn)一步降低裝置的運(yùn)行損耗，同時(shí)SVG裝置的占地面積要小于TCR/MCR型裝置，使運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提升。

（4）這種新型的電力電子器件IGBT，開通和關(guān)斷是在微秒數(shù)量級(jí)內(nèi)完成的，且關(guān)斷可控，因此它比相控晶閘管閥/可控磁控電抗器類補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度快，非常有利于抑制電壓波動(dòng)和閃變。

圖1為閃變改善率與補(bǔ)償率之間的關(guān)系曲線。

圖1 閃變改善率、補(bǔ)償率與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系曲線

（5）諧波治理功能。與MCR/TCR型SVC補(bǔ)償裝置相比，SVG裝置由于開通、關(guān)斷時(shí)間很短，裝置輸出電流接近正弦波，諧波含量低，本身運(yùn)行不需要配備濾波器。而TCR型SVC，它的無功輸出電流受觸發(fā)角α控制，諧波含量很高，特別是MCR型SVC運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的3次、5次及7次等諧波電流，必須配備濾波器組，以濾除諧波，增加了濾波器的成本。此外，SVG本身還具有13次以下諧波的濾波功能，只要容量合適，并與FC無源濾波器協(xié)調(diào)運(yùn)行，就可抑制負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，達(dá)到改善電網(wǎng)電壓的畸變率的目的。

（6）可靠性高，維護(hù)量小。滿足IGBT功率模塊N-1運(yùn)行方式（熱備用）。即串聯(lián)的、用IGBT功率模塊組成的SVG閥在每相有一處故障模塊時(shí)，可自動(dòng)切換旁路保持正常運(yùn)行，大大提高了SVG的可靠程度。同時(shí)IGBT功率模塊采取模塊化設(shè)計(jì)，減少了安裝和調(diào)試的工作量，基本達(dá)到免維護(hù)。

（7）MCR因?yàn)楣ぷ髟诖棚柡蛥^(qū)，噪音很大（70 dB）。

（8）SVG用于電壓控制時(shí)比MCR/TCR更有優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)電壓越低，越需要?jiǎng)討B(tài)無功支撐系統(tǒng)電壓。SVG輸出無功電流與系統(tǒng)電壓沒有關(guān)系，可以看作是一個(gè)可控恒流源；而系統(tǒng)電壓越低，TCR、MCR輸出無功電流的能力越下降。

2 具體實(shí)施方案分析

崤函電力公司前身為義煤公司供電分公司，義煤供電系統(tǒng)是從20世紀(jì)60年代逐步發(fā)展和形成35 kV供電網(wǎng)絡(luò)。通過多年發(fā)展，共有110 kV變電站2座，35 kV變電站13座，35 kV供電線路28條，長(zhǎng)度約360 km，供電設(shè)備容量316 MVA。目前，義煤供電系統(tǒng)大致可分為中、東、西三個(gè)獨(dú)立供電網(wǎng)絡(luò)[2]。

2.1 中部供電網(wǎng)絡(luò)

中部供電區(qū)以110 kV中心站為中心，由35 kV礦區(qū)站、灣子站、西風(fēng)井站、耿村站、楊村站及燕溝站承擔(dān)著常村礦、躍進(jìn)礦、千秋礦、耿村礦及楊村礦等義煤公司主力礦井和義煤公司總部、總醫(yī)院及南車重機(jī)等重要部門的生產(chǎn)生活用電。其中，35 kV礦區(qū)站、灣子站、耿村站、楊村站及燕溝站使用的無功補(bǔ)償裝置是并聯(lián)電容器。35 kV西風(fēng)井站使用的是晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置，簡(jiǎn)稱SVC。

2.2 西部供電網(wǎng)絡(luò)

義煤西部電網(wǎng)由張村、觀音堂及石壕等3座35 kV變電站和觀音堂12+2×6 MW矸石電廠組成環(huán)網(wǎng)，通過杜觀線、Ⅰ杜張線及Ⅱ杜張線連接到杜家變電站，主供西部礦區(qū)的觀音堂、石壕礦以及義翔鋁業(yè)公司等單位用電。經(jīng)過近幾年的發(fā)展規(guī)劃，在35 kV石壕站增加了35 kV李石線間隔，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)來自不同系統(tǒng)的雙電源環(huán)網(wǎng)供電方式，基本滿足了目前義翔鋁業(yè)公司、觀音堂礦及石壕礦的用電。其中，35 kV張村站和35 kV觀音堂站使用的無功補(bǔ)償裝置是并聯(lián)電容器，35 kV石壕站使用的無功補(bǔ)償裝置是靜止無功發(fā)生器，即SVG。

2.3 東部供電網(wǎng)絡(luò)

東部供電區(qū)共有35 kV變電站4座，即新義站、新安站、孟津站及云夢(mèng)站，承擔(dān)著新義礦、新安礦及孟津礦的用電。35 kV的新義、新安、孟津及云夢(mèng)4站使用的是晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置，簡(jiǎn)稱SVC。

2.4 現(xiàn)有無功補(bǔ)償?shù)母聯(lián)Q代的緊迫性

隨著礦井生產(chǎn)能力的不斷提高，煤礦不斷對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，由于沒有整體規(guī)劃，致使煤礦電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不合理，存在不少安全隱患。各35 kV變電所中無功補(bǔ)償裝置主要采用固定式并聯(lián)電容補(bǔ)償，運(yùn)行中補(bǔ)償電容隨著負(fù)荷變化經(jīng)常出現(xiàn)過補(bǔ)、欠補(bǔ)現(xiàn)象，導(dǎo)致功率因數(shù)降低。變電站值班員就需要的投切電容器來控制功率因數(shù)，往往因?yàn)榻g車等高負(fù)荷設(shè)備啟停時(shí)不能線性跟蹤無功補(bǔ)償裝置，使得平均功率因數(shù)降低，且產(chǎn)生大量諧波。

SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和諧波治理裝置是繼固定電容器補(bǔ)償裝置（第一代）、TCR型和MCR型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（第二代）之后的第三代動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。本課題主要以35 kV石壕站為研究對(duì)象，從源頭治理負(fù)載運(yùn)行產(chǎn)生的諧波，全面提升35 kV石壕站整個(gè)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。以企業(yè)消除諧波危害、凈化電能污染、優(yōu)化電能質(zhì)量、降低電能消耗及確保節(jié)能增效為綜合目標(biāo)。

35 kV石壕站共有兩臺(tái)型號(hào)容量為SZ11-8 000/35，高低壓變比分別為400/5、2 000/5的動(dòng)力變壓器，負(fù)載負(fù)荷主要為石壕煤礦井下風(fēng)機(jī)、絞車及潛水泵等。由于啟動(dòng)電流較大，礦井為節(jié)約成本均使用較為普遍的變頻設(shè)備啟動(dòng)。變頻設(shè)備為典型的諧波源負(fù)載，正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的諧波匯入35 kV石壕站6 kV配電系統(tǒng)，經(jīng)過疊加后進(jìn)一步進(jìn)入35 kV高壓母線，對(duì)電力設(shè)備產(chǎn)生危害。2012年5月11日石壕站35 kV北PT B相爆裂，2013年2月5日石壕站35 kV南PT燒毀一支，2013年10月11日石壕站35 kV北PT B相和C相分別爆裂和燒毀。西風(fēng)井站35 kV電壓互感器也頻繁發(fā)生燒毀和爆裂等故障。因此，隨著諧波總畸變率超標(biāo)，電力電子元件故障率也隨之加大。

為了保證礦井供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，崤函電力公司在35 kV石壕站安裝了兩套SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。該裝置能動(dòng)態(tài)跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出，實(shí)現(xiàn)變電站在任意負(fù)荷下的高功率因數(shù)運(yùn)行。

3 效益分析

3.1 線損節(jié)約收益分析

有功電能或無功電能都是靠不同電壓等級(jí)的線路輸送的。輸送電能的過程中，線路上都有功率損耗。配網(wǎng)的無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，節(jié)能降損潛力巨大。由于無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)效益分析涉及內(nèi)容多，計(jì)算復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算程序，采用無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)當(dāng)量來計(jì)算無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益，即每安裝1 kvar的補(bǔ)償電容，相當(dāng)于降低了多少千瓦的有功損耗。查詢有關(guān)資料可知，各種電壓等級(jí)的無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)當(dāng)量和該用戶補(bǔ)償后的降損功率如表1所示。

表1 各電壓等級(jí)下的無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)當(dāng)量

本項(xiàng)目中無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取0.090（6 kV）。則補(bǔ)償設(shè)備SVG投運(yùn)后相當(dāng)于減少的無功總量為6 Mvar=6 000 kvar。

實(shí)際負(fù)荷運(yùn)行的無功需求為波動(dòng)狀態(tài)，且不可能時(shí)刻處于滿負(fù)荷狀態(tài)，無功補(bǔ)償平均系數(shù)按50%計(jì)算。折合成補(bǔ)償相對(duì)于節(jié)省的有功能量為6 000 kvar×50%×0.090 kW/kvar=270 kW。

6 kV補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償SVG，可起到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男Ч?，跟蹤系統(tǒng)無功變化，使功率因數(shù)穩(wěn)定在0.95以上。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備始終投運(yùn)在電力系統(tǒng)中，每年投運(yùn)時(shí)間為24 h/d×30 d/m×12 m/y×1y= 8 640 h。

檢修時(shí)間，每年按照50天計(jì)算，為1 200 h；則實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為T=8 640 h-1 200 h=7 440 h。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)投運(yùn)后，每年可減少損耗為7 440h×270 kW=2 008 800 kW·h。

按照一般大工業(yè)用電費(fèi)率0.61元/kW·h計(jì)算，每年在損耗這一方面可減少的經(jīng)濟(jì)損失為2 008 800 kW·h×0.61元/kW·h=1 225 368元=125.37萬元。

即通過動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，預(yù)計(jì)每年線損節(jié)約收益不低于125萬元。

3.2 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益

35 kV石壕站帶石壕煤礦負(fù)荷，總有功為6 000 kW。通過投用SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，考核點(diǎn)的功率因數(shù)從0.87提高到0.97，若石壕煤礦主、副井連續(xù)生產(chǎn)，每年扣除50天的檢修時(shí)間，則節(jié)省用電罰款為7 440 h×6 000 kW×0.61元/KW·h×2.5%=68.08萬元。用電獎(jiǎng)勵(lì)為7 440 h×6 000 kW×0.61元/KW·h×0.75%=20.42萬元

按以上工程估算，使用電罰款變?yōu)橛秒姫?jiǎng)勵(lì)，減去各類不可預(yù)見損耗，每年直接經(jīng)濟(jì)收益應(yīng)不少于90萬元。

4 結(jié) 論

根據(jù)煤礦負(fù)荷波動(dòng)范圍大、背景諧波大及安全性要求高等特點(diǎn)，6 kV系統(tǒng)的基于鏈?zhǔn)絊VG的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，完美滿足了煤礦變電站的無功補(bǔ)償需要，即解決了煤礦供電系統(tǒng)功率因數(shù)低和電壓波動(dòng)大等電能質(zhì)量問題，又很好地改善了電網(wǎng)諧波對(duì)設(shè)備的影響。裝置具有運(yùn)行安全可靠性高、諧波特性好及占地面積小等突出優(yōu)點(diǎn)，是煤礦用電系統(tǒng)無功補(bǔ)償與諧波治理的最佳選擇。