煤礦供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC）的應(yīng)用研究

張承汗

（大同煤礦集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037007）

引言

虎龍溝煤業(yè)公司35 kV 變電所有2 臺(tái)變壓器，1 臺(tái)運(yùn)行，1 臺(tái)備用，2 臺(tái)主變壓器容量均為12 500 kVA，型號(hào)SZ9-12500/35、35/6.3 kV，兩臺(tái)主變分列運(yùn)行，擔(dān)負(fù)著全礦供電的任務(wù)。主變?cè)捎么笕萘繜o功補(bǔ)償裝置FC，從實(shí)踐情況來看，該礦供電系統(tǒng)采煤設(shè)備電負(fù)荷功率嚴(yán)重偏低，在生產(chǎn)過程消耗大量的無功功率，不僅造成額外的電能損耗、降低配電設(shè)備的利用率，還產(chǎn)生了大量的諧波，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，威脅電力設(shè)備的安全運(yùn)行。選擇合理的無功功率補(bǔ)償裝置，成為了該礦供電系統(tǒng)必須確定的一個(gè)課題。本文通過采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC）應(yīng)用于虎龍溝煤業(yè)公司35 kV 供電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了無功功率的自動(dòng)補(bǔ)償，效果理想[1-2]。

1 35 kV 供電系統(tǒng)原補(bǔ)償應(yīng)用情況分析

該煤礦35 kV 變電所主變?cè)捎么笕萘繜o功補(bǔ)償裝置FC，在運(yùn)行中暴露出其不足，出現(xiàn)向上級(jí)電網(wǎng)無功倒送、在輕負(fù)荷時(shí)抬高系統(tǒng)電壓等問題，且FC 頻繁投切電容器組，縮短了電容器使用壽命，故障率升髙，維護(hù)成本也越來越高，已很難保證井下煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量。以下對(duì)在FC 工況下35 kV系統(tǒng)采集分析及無功補(bǔ)償容量QTCR 的計(jì)算。

對(duì)35 kV 系統(tǒng)工況進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試，測(cè)試采用三相四線制，PT、CT 信號(hào)取自進(jìn)線柜。測(cè)試時(shí)煤礦各采煤設(shè)備正常運(yùn)行，原FC 補(bǔ)償裝置H2、H3 投入運(yùn)行，H4 通道損壞，H5 自動(dòng)投切。從35 kV 母線的功率因數(shù)、三相有功、三相無功和各主要諧波次數(shù)的波形曲線數(shù)據(jù)可知，35 kV 母線三相有功功率變化范圍在5.09 kW～7 070 MW 之間波動(dòng)；三相無功功率變化范圍在-30.19～57.81 MVar 之間波動(dòng)。從無功功率曲線數(shù)據(jù)可以看出該系統(tǒng)無功缺口很大，且在輕負(fù)荷時(shí)無功倒送嚴(yán)重；三相功率因數(shù)變化范圍在-0.44～0.42 之間根據(jù)。計(jì)算35 kV 母線諧波電流的允許限值，通過在線監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)中諧波能量，取得35 kV 母線2～8 次諧波電流實(shí)測(cè)95%概率大值。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可知，2 次、3 次、5 次諧波電流遠(yuǎn)大于電網(wǎng)對(duì)注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值，其中2 次諧波電流為允許值的1.34 倍，3 次諧波電流為允許值的1.85 倍，5 次諧波電流為允許值的1.09 倍[3]。

觀察測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，該礦35 kV系統(tǒng)存在以下問題：由于負(fù)荷性質(zhì)決定的無功沖擊較大，無功缺口嚴(yán)重（最大達(dá)40 MVar 左右），經(jīng)常出現(xiàn)無功倒送的情況，功率因數(shù)很低，且2、3、5 次諧波超標(biāo)嚴(yán)重，嚴(yán)重危及系統(tǒng)安全[4-5]。

2 SVC 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置及其冷卻系統(tǒng)性能對(duì)比

通過技術(shù)調(diào)研可知，有源濾波采用IGBT 可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的，通過改變?cè)O(shè)置實(shí)現(xiàn)諧波濾除和無功功率補(bǔ)償。但由于該項(xiàng)技術(shù)投入使用時(shí)間不長，目前主要應(yīng)用于低壓系統(tǒng)中，高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例較少，其安全可靠性有待考證，且其目前的投資費(fèi)用也較高。綜合考慮上述因素，最終確定采用已經(jīng)過多年實(shí)踐應(yīng)用的TCR+FC 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVC。補(bǔ)償容量確定后的另一個(gè)關(guān)鍵問題就是閥組冷卻方式的選擇，由于TCR 大量使用了晶閘管，其在通過大電流時(shí)將產(chǎn)生大量熱量，必須采取有效措施進(jìn)行冷卻，目前較為普遍的是采用是熱管冷卻與純水冷卻方式。該兩種冷卻方式各有特點(diǎn)，熱管冷卻方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、本身可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但需要配專用工業(yè)空調(diào)，當(dāng)設(shè)備容量大到一定程度，運(yùn)行成本將大大提高；純水冷卻系統(tǒng)則具有散熱效率高，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其由于管線接頭較多，有滲水的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)運(yùn)行維護(hù)水平要求較高。經(jīng)過充分討論對(duì)比，由于本裝置容量較大，發(fā)熱量較高，綜合考慮確定純水系統(tǒng)更符合我們的需要，只是需加強(qiáng)后期的運(yùn)行維護(hù)工作。

3 SVC 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置組成及原理

3.1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

SVC 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要是由控制柜、脈沖柜、功率單元組成?？刂乒癫杉F(xiàn)場的電壓、電流信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖，同時(shí)監(jiān)測(cè)品閘管運(yùn)行狀況；脈沖柜將觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換為符合要求的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)；功率單元由品閘管、阻容吸收、熱管散熱器、脈沖變壓器、BUD 板以及擊穿檢測(cè)板等組成，串入電抗器回路，在脈沖信號(hào)控制下操縱品閘管通斷，使電抗器流過預(yù)期的補(bǔ)償電流。同時(shí)在設(shè)備側(cè)工控機(jī)和監(jiān)控室側(cè)PC 機(jī)上安裝有SVC 監(jiān)控軟件，可以實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和各部分性能狀況。

圖1 SVC 裝置控制系統(tǒng)組成示意圖

3.2 工作原理

SVC 裝置是通過控制品閘管的導(dǎo)通角來連續(xù)調(diào)節(jié)其自身無功功率，不斷調(diào)節(jié)負(fù)荷功率因數(shù)，使之穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓，消除流向系統(tǒng)的高次諧波電流以及平衡三相負(fù)荷等作用，達(dá)到補(bǔ)償用戶母線上的無功功率，補(bǔ)償原理如圖2 所示。圖中平衡過程為：

圖2 無功補(bǔ)償原理示意圖

4 實(shí)踐應(yīng)用效果

將SVC 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在虎龍溝煤業(yè)公司35 kV 主變投入運(yùn)行，其變電所主接線如圖3 所示。

圖3 虎龍溝煤業(yè)公司變電所SVC 主接線圖

SVC 裝置投入運(yùn)行后，對(duì)35 kV 母線經(jīng)補(bǔ)償后的功率因數(shù)、諧波電壓總畸變率、諧波電流允許值、電壓波動(dòng)、三相電壓不平衡度均進(jìn)行了現(xiàn)場測(cè)量。SVC 投運(yùn)后進(jìn)行了現(xiàn)場測(cè)試，期間煤礦生產(chǎn)設(shè)備均正常生產(chǎn)運(yùn)行，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下：35 kV 母線平均功率因數(shù)為0.95；從A 相諧波電壓總畸變率數(shù)據(jù)可知，其95%的概率大值為1.98%；補(bǔ)償后2、3、5 次諧波電流實(shí)測(cè)95%概率大值與補(bǔ)償前實(shí)測(cè)值、折算后的允許限值對(duì)比均滿足要求；從A 相基波電壓變化數(shù)據(jù)可知，最高電壓20.55 kV，最低電壓為19.67 kV，滿足電壓波動(dòng)≤2%要求；從電壓三相不平衡度變化數(shù)據(jù)可知，最大值為1.25%，最小值為0.05%，95%的概率大值為0.36%，低于2.0%的國標(biāo)限值。以上測(cè)試數(shù)據(jù)表明，SVC 投運(yùn)后35 kV 母線各項(xiàng)電能指標(biāo)均符合國際標(biāo)準(zhǔn)。