選煤廠配電系統(tǒng)電壓跌落問題研究

秦瑞軍，宋國偉

（1.華陽集團新景公司選煤廠，山西 陽泉 045000；2.東方博沃（北京）科技有限公司 北京 102200）

新景礦選煤廠配電系統(tǒng)面臨的主要問題為電壓跌落、無功功率低。其使用的電能質量治理裝置是接觸器投切電容器的方式進行無功補償和諧波治理，接觸器在啟動時電流會瞬間變大且做不到頻繁吸合和分段，會出現(xiàn)電壓波動現(xiàn)象，對電壓暫降問題，已經不能滿足現(xiàn)有工況的使用要求[1-2]。為解決現(xiàn)有新景選煤廠供電系統(tǒng)中的技術難題，擬采用SVG 型動態(tài)電壓調節(jié)裝置。該裝置可以提高電能治理的響應速度、降低設備故障率、提高運行可靠性、延長使用年限、減少維修量，同時把電能質量治理產品進一步全面化、智能化，具有顯著的社會經濟效益[3]。無功補償技術采用基于IGBT 電壓源逆變器構成電能質量調節(jié)裝置，通過大功率電力電子器件的高頻開關實現(xiàn)無功能量的變換，與原技術相比具有較好的優(yōu)越性。

1 電壓跌落成因分析

電壓跌落是指在某一時刻電壓的幅值突然偏離正常工作范圍，經很短的一段時間后又恢復到正常水平的現(xiàn)象。典型的電壓跌落持續(xù)時間一個周波到一秒鐘的時間，通常持續(xù)幾十毫秒至幾百毫秒。電壓跌落會造成煤礦供電系統(tǒng)因低電壓保護動作，切除正在運行中的一級負荷。同時，較低的供電電壓還會造成感應式電動機電流增大，導致過流或過載保護動作。就煤礦供電系統(tǒng)而言，電壓跌落的成因主要有[4]：①惡劣天氣造成的電壓跌落。②系統(tǒng)故障造成的電壓跌落。③大型感性式電動機突然啟動造成電壓跌落。

2 電壓跌落抑制方法

要想較好的消除電壓跌落對煤礦供電系統(tǒng)的影響，應從兩個方面入手：①要防患于未然，減少各個負荷對供電系統(tǒng)的安全隱患，增強供電系統(tǒng)的可靠性，主要包括[5]：a、在煤礦高壓輸電線路架設避雷線；b、降低桿塔接地電阻；c、采用中性點不接地系統(tǒng)；d、加強線路絕緣；e、裝設自動重合閘裝置；f、為大型感應式電動機加裝抑制啟動電流的軟啟動或變頻裝置。②當供電電壓跌落現(xiàn)象發(fā)生后積極采取補救措施，減少電壓跌落幅度，縮短電壓跌落時間。

目前常用的有以下幾種方法： ①新建專用變電站。②采用不間斷電源UPS。③采用飛輪、超導等儲能型動態(tài)補償裝置。④采用靜態(tài)轉換開關SSTS。⑤采用靜止無功發(fā)生器DSTATCOM 技術。DSTATCOM 裝置的電壓補償技術屬于新一代動態(tài)電壓補償技術，它具有無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內（額定電壓±10%）恒定，在電壓低時仍能提供較強的無功支持，并且可從感性到容性全范圍內連續(xù)調節(jié)，能實時跟蹤供電系統(tǒng)的電氣參數(shù)，提高電網電源質量，穩(wěn)定電網電壓，治理諧波污染，提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而達到節(jié)能降耗的目的，平均節(jié)能效率在10%以上。

DSTATCOM 裝置的無功補償技術主要采用基于IGBT 電壓源逆變器構成無功補償裝置，不再采用大容量的電容器、電抗器，通過大功率電力電子器件的高頻開關實現(xiàn)無功能量的變換[6-7]。就動態(tài)無功補償而言，比傳統(tǒng)SVG 在兩個方面更具優(yōu)勢：①它包含了傳統(tǒng)SVG 裝置的一切功能而性能更好，體積更小，響應速度更快，補償能力更強。②它不僅不產生諧波，還能動態(tài)補償諧波，這是傳統(tǒng)SVG 裝置所不具備的。

3 電壓補償方案設計

3.1 容量設計

為解決新景選煤廠配電系統(tǒng)電壓跌落問題，對SVG 補償濾波裝置容量設計，其中基于改善功率因數(shù)的補償容量確定，可由式（1）表示：

式中：QC1為基波補償容量，kvar；P1為基波平均有功功率，kW；cosφ1為補償前基波平均功率因數(shù)；cosφ2補償后基波平均功率因數(shù)。

補償容量對運行電壓的影響計算，補償后電壓變化近似為式（2）以及式（3）[8]：

系統(tǒng)電壓的變動可表示為式（4）：

式中：UP為濾波裝置接入系統(tǒng)處的額定電壓，kV；UN為濾波裝置接入系統(tǒng)處的實際運行電壓，kV；QC1為系統(tǒng)最小短路容量，Mva；Q1min為負載基波最大無功功率，Mvar；Q1max為負載基波最小無功功率，Mvar；SSCmax當負載基波無功最小時，補償后存在的最大電壓正偏差；SSCmin為當負載基波無功最大時，補償后存在的最大電壓負偏差。

3.2 外形設計

根據在新景礦選煤廠測試數(shù)據顯示功率因數(shù)偏低，5 次7 次諧波超出國家要求的合理范圍，結合現(xiàn)場運行電流情況，供配電系統(tǒng)無功損耗的綜合計算，31#配電室需要安裝3 套無功補償裝置，42#配電室需要安裝2 套無功補償裝置。兩個配電室共計需要補償5 套無功補償裝置。

根據現(xiàn)場實際情況，31#配電室有3 面配電柜可以進行改造，每個柜體內可以安裝2 臺SVG 模塊有源補償裝置，共計3 套。在42#配電室有2 面配電柜可以進行改造，每個柜體內可以安裝2 臺SVG 模塊有源補償裝置，共計2 套。合計總補償容量1 500 kvar；補償變壓器低壓側的無功功率，提高功率因數(shù)可達0.95 以上，治理電壓跌落、降低損耗，采用觸摸式智能型監(jiān)控終端監(jiān)控。改造后單臺SVG 裝置外形如圖1所示。

圖1 改造后單臺SVG 裝置外形

4 工業(yè)試驗

在新景礦選煤廠0.66 kV 母線側安裝SVG補償裝置5 套 （31#配電室3 套，42#配電室2 套），每套為2 臺SVG 模塊。采用進口HIOKI 3196 電力諧波分析儀，該儀器能夠監(jiān)測及記錄電力質量，當問題出現(xiàn)時分析它產生的原因，是電力質量故障診斷功能最全面的儀器； 可以測量功率因數(shù)的突升、突降和閃變；可進行諧波分析、高頻瞬態(tài)測量，檢測及波形顯示；可檢測的電流、電壓通道數(shù)為4。補償前后負載電壓、電流波形如圖2、圖3所示。補償前后諧波電壓總畸變率數(shù)據如圖4、圖5所示。

圖2 補償前電壓、電流波形

圖3 補償后電壓、電流波形

圖4 補償前諧波電壓總畸變率數(shù)據分析

圖5 補償后諧波電壓總畸變率數(shù)據分析

從圖2中可以看出，補償前，負載的電壓、電流波形發(fā)生嚴重畸變。從圖3中可以看出，補償后，負載的電壓、電流波形畸變得到明顯改善。

由圖4可知補償前，負載諧波電壓，總諧波電壓畸變率為1.42%，未超出國家2%的標準。由圖5可知補償后，負載5 次、7 次諧波電壓得到改善，總諧波電壓畸變率降為1.00%，未超出國家2%的標準。

通過以上統(tǒng)計數(shù)據可以看出，補償前，低壓側0.66 kV 供電系統(tǒng)無功功率大、功率因數(shù)較低，諧波含量也較為突出；SVG 設備投運補償后，電流波形得到了明顯改善，補償后功率因數(shù)達到0.96 以上，諧波電流得到了抑制，總畸變率滿足國家標準的要求，降低了電網諧波的危害。

5 結語

將10 套SVG 有源補償裝置并聯(lián)安裝在新景礦選煤廠新景礦選煤廠31#配電室和42#配電室的低壓母線上，以低壓母線功率電壓作為控制目標，并根據變化情況動態(tài)調節(jié)輸出，實現(xiàn)變電站在任意負荷下的電壓波動、電壓跌落達到目標值。改造后的新景礦選煤廠配電系統(tǒng)能夠實現(xiàn)動態(tài)電能質量調節(jié)，使用戶電壓跌落控制在標準值以內；能夠抑制電壓波動，提高供電電壓的電能質量；能夠有效支撐負荷端電壓，加強系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；能夠通過動態(tài)補償，消除不平衡現(xiàn)象，穩(wěn)定母線電壓；能夠動態(tài)快速連續(xù)調節(jié)無功輸出，最大限度滿足功率因數(shù)補償要求，確保功率因數(shù)保持在0.95 以上。