浅谈静止型动态滤波补偿装置SVC在矿井中的应用

顾桥矿作为现代化大型矿井, 在供电方式中采用了很多可控硅变流装置, 导致大量的谐波注入矿井电网, 使矿井供电的电能质量被严重污染;在我矿供电中类似主井这类频繁启动的设备, 是整个矿井供电的主要谐波源, 谐波源除谐波含量高外, 负荷无功变化幅度大, 往往还引起供电电压的波动和闪变, 严重影响公用电网的电能质量。因此, 为确保整个矿井的供电质量, 我矿从矿井电网的谐波源处入手, 静止型动态滤波补偿装置对矿井电能质量进行综合的改善。

从实际运行效果运行看, 在矿井供电中对谐波源谐波的治理, 采用TCR型静止型动态滤波补偿装置 (SVC) 是一种经济先进实用改善供电质量的方法。在消除无功冲击, 滤除高次谐波, 平衡三相电网, 达到了非常高的实用水平, 取得了良好的效果。在上动补装置前, 矿井的功率因数一直在0.7～0.8左右徘徊, 供电电压的波动和闪变严重;在投入动补装置后, 改善了矿井供电品质, 提高功率因数由原来的0.7～0.8左右增加到0.95以上, 矿井10kV供电电压波动稳定在±3%, 保障了各类安全生产设备的正常运行, 特别是从节电降耗方面和矿井供电安全方面取得了显著地成绩。

1 SVC工作原理

SVC称为“静止型动态无功补偿器”, 主要用于补偿用户母线上的无功功率, 这是通过连续调节其自身无功功率来实现的。用QS表示系统总无功功率, QF为用户负荷的无功功率, QL为晶闸管控制电抗器 (以下简称TCR) 的无功功率, QC为电容器无功功率, 上述平衡过程可以用如下公式来表达:

如图2所示, A为系统工作点。负荷工作时产生感性无功QF, 补偿装置中的电容器组提供固定的容性无功QC, 一般情况下后者大于前者, 多余的容性无功由TCR平衡。当用户负荷QF变化时, SVC控制系统调节TCR电流从而改变QL值以跟踪, 实时抵消负荷无功, 动态维持系统的无功平衡。

TCR装置的组成和工作原理如下图所示。

TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联。晶闸管在电源电压的正负半周轮流工作, 当晶闸管的控制角α在90°到180°之间时, 晶闸管受控导通 (控制角为90°时完全导通, 180°时完全截至) 。在网压基本不变的前提下, 增大控制角将减小TCR电流, 减小装置的感性无功功率;反之减小控制角将增大TCR电流, 增大装置的感性无功。其电压-电流特性曲线如图2 (b) 所示, 每条曲线是TCR在导通角为某一特定角度下的伏安特性。就电流的基波分量而言, TCR装置相当于一个可调电纳。其等效电纳为:

其中α为晶闸管导通角, L为电抗器电感值, w为网压的角频率。

对于不对称负荷, 应采用分相调节。TCR分相调节的理论基础为STEINMETZ理论, 在此理论指导下, SVC能够将负荷补偿为纯有功的三相平衡系统。

STEINMETZ理论给出多种表达形式, 本控制器采用如下补偿电纳公式:

其中:

(1) Brab, Brbc, Brca分别为△形连接的补偿电抗器电纳值;

(2) V为系统网压有效值;

(3) Vab, Vbc, Vca为系统网压 (线电压) 瞬时值。

(4) ia (l) , ib (l) , ic (l) 为系统网流瞬时值。

(5) T为采样周期, 等于10ms。

三相平衡负荷的无功补偿通常采用平衡调节算法, 而三相不平衡负荷 (如电弧炉、电气化铁路等负载) 则广泛采用分相调节, 能够取得良好的电能质量治理效果。

2 效果检验

采用SVC后收到以下效果:

(1) SVC真正实现了无功补偿的连续性、精确性和快速性。

我们从附图二中看出, 矿井主要负荷由动补进行补偿后, 我们功率因数的变化很小, 功率因数更高, 对于供电系统电能的改善非常明显, 充分验证了动补进行补偿的连续性、精确性、快速性和可靠性。

(2) 明显改善了矿区整个供电系统的供电品质, 功率因数由原来的0.7～0.8左右增加到0.95以上, 减少负载总电流及电压降。

(3) 矿区的供电系统进一步完善, 由于两段母线都已安装了动补装置, 所以我们完全可以实现矿井重要负荷双电源的随时切换和检修, 供电安全性得到了进一步提高;并且由于检修时间的压缩, 矿井的生产能力得到进一步释放, 取得了良好的经济效益。

(4) 由于SVC新增了电压的各项目保护 (丢同步保护, 同步电压相移保护, 负序保护和频率保护) 和故障录波功能, 不仅装置的安全性得到巨大的提高, 而且对于事故的处理和查找。

(5) 减少电力损失, 一般依据不同的线路及负载情况, 矿区电力系统电力损耗约在3%～5%左右, 使用SVC提高功率因数后, 总电流降低, 降低供电端与用电端的电力损失。

(6) 延长设备寿命。改善功率因数后线路总电流减少, 使变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低, 因此可以降低温升增加寿命 (温度每降低10°C, 寿命可延长1倍) 。

(7) 由于SVC的无功补偿精确性和快速性的提高, 使我们的滤波装置可以更加完善可靠的投入 (11次滤波的投入) , 我们可以更加有效的滤去网内谐波, 对于矿内各种精密仪器和电子设备的使用和保养提供了更加干净的电能, 更加有利于矿井装备的技术升级和改进, 为现代化矿井的建设提供保证。

摘要：淮南矿业集团顾桥煤矿110KV变电所内10KV负载感性负荷大, 运行产生大量无功功率, 造成系统功率因数低, 部分大型固定设备启停频繁, 负荷波动较大, 重复周期时间短, 对整个矿井的供电系统冲击强, 引起电网电压波动, 影响带载设备的安全运行, 现就全矿井供电系统进行补偿治理。

关键词：无功补偿,治理