動態無功補償裝置在煤礦供電系統中的設計

劉 凱

（河南神火煤電有限公司新莊煤礦，河南 永城 476600）

隨著煤礦現代化程度的提高，井下采掘、運輸等工作向機械化、自動化的方向發展。煤礦供電系統存在著功率因數低、諧波含量大、沖擊壓降大和供電損耗大等問題。SVG本體部分、連接電抗器組成，具有動態快速跟隨負荷變化的特性，能有效地提高電網的電能品質、功率因數和節約電能，同時具有極高的可靠性。

1 工程概況

新莊煤礦35 kV變電站目前有SZ11-16000/35/10有載調壓變壓器2臺，運行方式為分段并列運行。10 kV兩段母線側，目前各有一套容量3 000 kVar TBB無功補償設備。所帶負荷有功功率今后將增至30 000 kVar。礦內主要用電負荷為：主副井提升機（2 500 kW、1 100 kW）、通風風機（2×630 kW）、水泵、絞車等。

2 SVG原理及技術優勢

SVG的基本原理，是將電壓源型逆變器，經過電抗器并聯在電網上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋兩個部分，其中逆變橋由可關斷的半導體器件IGBT組成。

圖1 SVG的技術實現原理圖

圖1為SVG的技術實現原理圖，將系統看作一個電壓源，SVG可以看作一個可控電壓源，連接電抗器或者可以等效成一個線形阻抗元件。

3 SVG方案設計

3.1 無功補償容量計算

（1）主變容量。

型號 SZ11-16000/35/10型三相兩卷有載調壓變壓器；

數量2臺；

容量16 MVA。

（2）無功補償容量。

系統負荷總有功功率P=3萬kW；

取自然功率因數為cos Φ1=0.83；

目標功率因數為cos Φ2=0.97。

所需補償無功容量為：

因此，本變電所所需補償無功功率容量取12 000 kVar。

3.2 無功設計

根據本礦供電系統對無功補償容量的技術要求和工程經驗，以及考慮投資性價比。決定分別在1#、2#兩段10 kV母線各安裝一套額定輸出容量為3.0 MVar的鏈式SVG型動態無功補償裝置+3.0 MVarFC的電容器固定補償裝置。

動態無功補償裝置，以進線無功功率及母線電壓作為控制目標，動態跟蹤電網電能品質變化，并根據變化情況動態調節無功輸出，實現變電站在任意負荷下的高功率因數運行。本裝置采用鏈式結構，滿足無功功率、電壓調節、功率因數等的技術要求，并達到以下技術指標：

（1）功率因數補償。在補償容量足夠前提下，PCC點的功率因數值大于0.95（無滯后、無過補）。

（2）輸出容量。本裝置分別10 kV母線電壓和進線電流，對10 kV的電壓和功率因數進行實時監測，實時動態跟蹤電網電能質量變化，調節逆變器的無功輸出，根據本變電所實際負荷情況，可滿足系統補償容量為：容性0 MVar至容性6.0 MVar連續調節。

（3）響應時間。本裝置采用的鏈式SVG響應速度快，采用瞬時無功補償算法和高速可關斷電力電子器件IGBT，在5 ms內即可完成額定感性無功到額定容性無功（額定容性無功到額定感性無功）的轉換，現場實測最快3 ms左右即可完成階躍響應（如圖2所示的階躍響應實測曲線），滿足以上要求動態響應時間10 ms以內。

圖2 響應時間實測曲線 （局部放大后3ms）

（4）諧波特性。成套裝置輸出諧波電流總畸變率（THD）小于3%，SVG具有有源濾波功能，達到輸出電壓諧波含量滿足國標要求。

3.3 濾波器設計

（1）根據濾波器設計原則，諧波電流分析，經上機多個方案仿真計算比較擇優，濾波器設計為5、7次兩組濾波通道。總安裝容量約9 000 kVar，基波補償容量約6 000 kVar，從濾波效果仿真結果分析，采用表1所示濾波器配置后，母線諧波電流全部滿足國標要求。

（2）濾波器安全性能校核公式如下：

表1 濾波器參數配置

其中，

Ic1為流過電容器的基波電流；

Icn為電容器的額定電流（A）。

UcN為電容器的額定電壓；

Uc1為濾波電容器承受的基波電壓。

Ucn為流過電容器的諧波電流在電容器兩端產生的諧波電壓；

n為諧波次數。

ΣUcn=（C為每相電容器的電容值），

Icn為流過電容器的所有諧波電流的均方根值。

校核結果，所有濾波支路能安全運行。

4 結束語

SVG是新一代靜止型動態無功補償裝置，通過對SVG成套裝置進行動態無功補償和諧波治理情況看出，SVG可以提高煤礦電網功率因數，治理諧波，抑制電壓波動，達到節能降耗和改善電能品質的效果，是一種經濟實用改善供電品質的方法。

[1]徐你俊，楊洪濤.礦井電網靜止型動態無功補償裝置的研制[J].煤礦機電，2009，（2）：44-46.

[2]李世林.無功補償裝置標準應用手冊[K].北京：中國標準出版社，2009.

[3]袁 亮.煤礦總工程師手冊[K].北京：煤炭工業出版社，2010.