靜止無功發生器（SVG）裝置在煤礦中的應用

摘 要：煤礦供電系統中礦井提升機無功的變化頻繁，產生電壓波動及諧波，造成電網功率因數低下，污染電網。文中概述了針對這一系列危害的治理方法——加裝靜止無功發生器（SVG）裝置。并以某煤礦為例，詳細介紹了SVG的原理及設計方法，并通過系統仿真進一步確認了該設計的正確性和可行性。

關鍵詞：靜止無功發生器；諧波；有源濾波；電壓波動；功率因數

1 SVG裝置的工作原理

1.1 一般電力系統用戶負荷吸收有功功率PL和無功功率QL

電源提供有功功率PS和無功功率QS（可能感性無功，也可能是容性無功），忽略變壓器和線路損耗，則有PS=PL，QS=QL。沒有無功吸收部分的電網存在以下幾個問題：

（1）電網從遠端傳送無功；（2）負荷的無功沖擊影響本地電網和上級電網的供電質量。

因此，電力系統一般都要求對用電負荷進行必要的無功補償，以提高電力系統的帶載能力，凈化電網，提高電網電能質量。

1.2 SVG裝置用于補償無功

假設負荷消耗感性無功（一般工業用戶都是如此）QL，此時控制SVG使其產生容性無功功率，并取QSVG=QL，這樣在負荷波動過程中，就可以保證：QS=QSVG-QL=0。

如果對電網等比較復雜的補償對象而言，當需要向電網提供感性無功時，可以通過對SVG的控制，使其產生感性無功功率，并取QSVG=QC，這樣在負荷波動過程中，仍然可以保證：QS=QSVG-QC=0。

此外，SVG在補償系統無功功率達同時，幾乎不產生諧波。更重要的是，SVG還可以對系統的諧波、不平衡等電能質量問題進行多功能綜合補償，實現有源濾波（APF）的功能。

1.3 SVG用于有源濾波

諧波源一般為非線性負荷，如整流器、帶有整流環節的變頻器及大量帶有開關器件的設備等，產生諧波電流Ih；供電系統一般為被保護對象，也即要達到最終流入或流出系統的電流是諧波含量極少的正弦波，有時還有功率因數要求；有源濾波裝置表現為流控電流源，它的作用是產生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反的補償電流-Ih，來達到消除諧波的目的。與無源濾波裝置相比，有源濾波器是一種主動型的補償裝置，具有較好的動態性能。

1.4 SVG的基本原理

所謂SVG（Static Var Generator），就是專指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。

2.2 功率因數

晶閘管電路的功率因數通常較低在0.75左右，需要進行無功補償。

2.3 諧波電流對電氣設備的危害

諧波電流會在電網阻抗上產生同頻率的諧波電壓，并疊加在電網正弦電壓上，使電網電壓發生畸變。畸變后的正弦電壓施加在所有電器設備端，會給這些設備的正常工作帶來危害，因為電氣設備均按正弦電壓設計制造，當電壓有畸變時，將會使設備發熱，力矩不穩，甚至損壞。主要表現為：

（1）諧波對旋轉電機的影響

諧波對旋轉電機的主要影響是產生附加損耗，其次產生機械振動，噪聲和諧波過電壓。

（2）諧波對供電變壓器的影響

諧波對供電變壓器的影響主要是產生附加損耗，溫升增加，出力下降，影響絕緣壽命。

（3）諧波對變流裝置的影響

交流電壓畸變可能引起不可逆變流設備控制角的時間間隔不等，并通過正反饋而放大系統的電壓畸變，使變流器工作不穩定，而對逆變器則可能發生換流失敗而無法工作，甚至損壞變流設備。

（4）諧波對電纜及并聯電容器的影響

當產生諧波放大時，并聯電容器將因過電流及過電壓而損壞，嚴重時將危及整個供電系統的安全運行。

（5）諧波對通信產生干擾，使電度計量產生誤差。

（6）諧波對繼電保護自動裝置和計算機等也將產生不良影響。

為了保證所有電氣設備的正常工作，消除或減少電網污染，世界各國都開展了深入的諧波研究工作，并制定出了相應的規程標準。對于諧波問題，我國最初于1984年頒布了《電力系統諧波管理暫行規定》，規定了電網諧波的允許值。又于1993年頒布了諧波管理的國家標準《電能質量 公用電網諧波》GB/T14549-93。

3 設計依據

3.1 供電系統概況

3.2 主要諧波源

副井為混合井，裝備2套絞車，配1250kW和1600kW的直流電動機，反并聯的晶閘管整流器直流供電，采用純12脈動、全數字控制，磁場回路由6脈動晶閘管整流器直流供電。正常運行時12脈動，故障時6脈動可減半功率運行。

礦井副井提升機總負荷約2850kW，正常運行時全部放在變電所6kV I段母線上，另外還有11000kW功率因數為0.8的其他負荷。

4 SVG方案設計

晶閘管變流器直流供電的副井和矸石井絞車是6kV母線上的主要沖擊負荷。絞車重載提升起動時，以較大的起動轉矩拖動絞車電機從靜止狀態開始加速，產生最大的無功沖擊，使供電系統出現很大的電壓波動和幅值很大的諧波電流，此時功率因數很低僅0.1～0.2左右。在穩定運行階段無功負荷減少，功率因數提高：副井絞車為0.75左右。

4.1 副井絞車最大無功沖擊（感性）

副井絞車在重載提升起動時，起動轉矩（起動電流）約為電機額定轉矩（額定電流）的1.6倍。電動機額定功率為Pe=1600kW，參照同類設備的電機、供電變壓器參數，計算出副井絞車起動時最大視在功率為：

5 結束語

從本煤礦項目SVG投運后的效果看出，靜止無功發生器（SVG）裝置是一種節能設備，對礦井負荷產生的諧波電流、電壓波動等引起供電電能質量問題起到很好的治理效果。從企業效益及社會效益考慮，選擇技術成熟先進的靜止無功發生器（SVG）裝置，作為煤礦供電系統提高電能質量的手段是目前非常行之有效的方法。

參考文獻

[1]鋼鐵企業電力設計手冊[M].冶金工業出版社.

[2]GB/T14549-93.中華人民共和國國家標準.電能質量 公用電網諧波[S].

[3]GB12326-90.中華人民共和國國家標準.電能質量 電壓允許波動和閃變[S].

[4]吳競昌，孫樹勤，宋文南，等.電力系統諧波[Z].

作者簡介：王鈺博（1987，3-），男，畢業于英國約克大學電子工程專業，碩士學位，現在在大同煤礦集團同發東周窯礦工作，助理工程師。endprint

摘 要：煤礦供電系統中礦井提升機無功的變化頻繁，產生電壓波動及諧波，造成電網功率因數低下，污染電網。文中概述了針對這一系列危害的治理方法——加裝靜止無功發生器（SVG）裝置。并以某煤礦為例，詳細介紹了SVG的原理及設計方法，并通過系統仿真進一步確認了該設計的正確性和可行性。

關鍵詞：靜止無功發生器；諧波；有源濾波；電壓波動；功率因數

1 SVG裝置的工作原理

1.1 一般電力系統用戶負荷吸收有功功率PL和無功功率QL

電源提供有功功率PS和無功功率QS（可能感性無功，也可能是容性無功），忽略變壓器和線路損耗，則有PS=PL，QS=QL。沒有無功吸收部分的電網存在以下幾個問題：

（1）電網從遠端傳送無功；（2）負荷的無功沖擊影響本地電網和上級電網的供電質量。

因此，電力系統一般都要求對用電負荷進行必要的無功補償，以提高電力系統的帶載能力，凈化電網，提高電網電能質量。

1.2 SVG裝置用于補償無功

假設負荷消耗感性無功（一般工業用戶都是如此）QL，此時控制SVG使其產生容性無功功率，并取QSVG=QL，這樣在負荷波動過程中，就可以保證：QS=QSVG-QL=0。

如果對電網等比較復雜的補償對象而言，當需要向電網提供感性無功時，可以通過對SVG的控制，使其產生感性無功功率，并取QSVG=QC，這樣在負荷波動過程中，仍然可以保證：QS=QSVG-QC=0。

此外，SVG在補償系統無功功率達同時，幾乎不產生諧波。更重要的是，SVG還可以對系統的諧波、不平衡等電能質量問題進行多功能綜合補償，實現有源濾波（APF）的功能。

1.3 SVG用于有源濾波

諧波源一般為非線性負荷，如整流器、帶有整流環節的變頻器及大量帶有開關器件的設備等，產生諧波電流Ih；供電系統一般為被保護對象，也即要達到最終流入或流出系統的電流是諧波含量極少的正弦波，有時還有功率因數要求；有源濾波裝置表現為流控電流源，它的作用是產生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反的補償電流-Ih，來達到消除諧波的目的。與無源濾波裝置相比，有源濾波器是一種主動型的補償裝置，具有較好的動態性能。

1.4 SVG的基本原理

所謂SVG（Static Var Generator），就是專指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。

2.2 功率因數

晶閘管電路的功率因數通常較低在0.75左右，需要進行無功補償。

2.3 諧波電流對電氣設備的危害

諧波電流會在電網阻抗上產生同頻率的諧波電壓，并疊加在電網正弦電壓上，使電網電壓發生畸變?；兒蟮恼译妷菏┘釉谒须娖髟O備端，會給這些設備的正常工作帶來危害，因為電氣設備均按正弦電壓設計制造，當電壓有畸變時，將會使設備發熱，力矩不穩，甚至損壞。主要表現為：

（1）諧波對旋轉電機的影響

諧波對旋轉電機的主要影響是產生附加損耗，其次產生機械振動，噪聲和諧波過電壓。

（2）諧波對供電變壓器的影響

諧波對供電變壓器的影響主要是產生附加損耗，溫升增加，出力下降，影響絕緣壽命。

（3）諧波對變流裝置的影響

交流電壓畸變可能引起不可逆變流設備控制角的時間間隔不等，并通過正反饋而放大系統的電壓畸變，使變流器工作不穩定，而對逆變器則可能發生換流失敗而無法工作，甚至損壞變流設備。

（4）諧波對電纜及并聯電容器的影響

當產生諧波放大時，并聯電容器將因過電流及過電壓而損壞，嚴重時將危及整個供電系統的安全運行。

（5）諧波對通信產生干擾，使電度計量產生誤差。

（6）諧波對繼電保護自動裝置和計算機等也將產生不良影響。

為了保證所有電氣設備的正常工作，消除或減少電網污染，世界各國都開展了深入的諧波研究工作，并制定出了相應的規程標準。對于諧波問題，我國最初于1984年頒布了《電力系統諧波管理暫行規定》，規定了電網諧波的允許值。又于1993年頒布了諧波管理的國家標準《電能質量 公用電網諧波》GB/T14549-93。

3 設計依據

3.1 供電系統概況

3.2 主要諧波源

副井為混合井，裝備2套絞車，配1250kW和1600kW的直流電動機，反并聯的晶閘管整流器直流供電，采用純12脈動、全數字控制，磁場回路由6脈動晶閘管整流器直流供電。正常運行時12脈動，故障時6脈動可減半功率運行。

礦井副井提升機總負荷約2850kW，正常運行時全部放在變電所6kV I段母線上，另外還有11000kW功率因數為0.8的其他負荷。

4 SVG方案設計

晶閘管變流器直流供電的副井和矸石井絞車是6kV母線上的主要沖擊負荷。絞車重載提升起動時，以較大的起動轉矩拖動絞車電機從靜止狀態開始加速，產生最大的無功沖擊，使供電系統出現很大的電壓波動和幅值很大的諧波電流，此時功率因數很低僅0.1～0.2左右。在穩定運行階段無功負荷減少，功率因數提高：副井絞車為0.75左右。

4.1 副井絞車最大無功沖擊（感性）

副井絞車在重載提升起動時，起動轉矩（起動電流）約為電機額定轉矩（額定電流）的1.6倍。電動機額定功率為Pe=1600kW，參照同類設備的電機、供電變壓器參數，計算出副井絞車起動時最大視在功率為：

5 結束語

從本煤礦項目SVG投運后的效果看出，靜止無功發生器（SVG）裝置是一種節能設備，對礦井負荷產生的諧波電流、電壓波動等引起供電電能質量問題起到很好的治理效果。從企業效益及社會效益考慮，選擇技術成熟先進的靜止無功發生器（SVG）裝置，作為煤礦供電系統提高電能質量的手段是目前非常行之有效的方法。

參考文獻

[1]鋼鐵企業電力設計手冊[M].冶金工業出版社.

[2]GB/T14549-93.中華人民共和國國家標準.電能質量 公用電網諧波[S].

[3]GB12326-90.中華人民共和國國家標準.電能質量 電壓允許波動和閃變[S].

[4]吳競昌，孫樹勤，宋文南，等.電力系統諧波[Z].

作者簡介：王鈺博（1987，3-），男，畢業于英國約克大學電子工程專業，碩士學位，現在在大同煤礦集團同發東周窯礦工作，助理工程師。endprint

摘 要：煤礦供電系統中礦井提升機無功的變化頻繁，產生電壓波動及諧波，造成電網功率因數低下，污染電網。文中概述了針對這一系列危害的治理方法——加裝靜止無功發生器（SVG）裝置。并以某煤礦為例，詳細介紹了SVG的原理及設計方法，并通過系統仿真進一步確認了該設計的正確性和可行性。

關鍵詞：靜止無功發生器；諧波；有源濾波；電壓波動；功率因數

1 SVG裝置的工作原理

1.1 一般電力系統用戶負荷吸收有功功率PL和無功功率QL

電源提供有功功率PS和無功功率QS（可能感性無功，也可能是容性無功），忽略變壓器和線路損耗，則有PS=PL，QS=QL。沒有無功吸收部分的電網存在以下幾個問題：

（1）電網從遠端傳送無功；（2）負荷的無功沖擊影響本地電網和上級電網的供電質量。

因此，電力系統一般都要求對用電負荷進行必要的無功補償，以提高電力系統的帶載能力，凈化電網，提高電網電能質量。

1.2 SVG裝置用于補償無功

假設負荷消耗感性無功（一般工業用戶都是如此）QL，此時控制SVG使其產生容性無功功率，并取QSVG=QL，這樣在負荷波動過程中，就可以保證：QS=QSVG-QL=0。

如果對電網等比較復雜的補償對象而言，當需要向電網提供感性無功時，可以通過對SVG的控制，使其產生感性無功功率，并取QSVG=QC，這樣在負荷波動過程中，仍然可以保證：QS=QSVG-QC=0。

此外，SVG在補償系統無功功率達同時，幾乎不產生諧波。更重要的是，SVG還可以對系統的諧波、不平衡等電能質量問題進行多功能綜合補償，實現有源濾波（APF）的功能。

1.3 SVG用于有源濾波

諧波源一般為非線性負荷，如整流器、帶有整流環節的變頻器及大量帶有開關器件的設備等，產生諧波電流Ih；供電系統一般為被保護對象，也即要達到最終流入或流出系統的電流是諧波含量極少的正弦波，有時還有功率因數要求；有源濾波裝置表現為流控電流源，它的作用是產生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反的補償電流-Ih，來達到消除諧波的目的。與無源濾波裝置相比，有源濾波器是一種主動型的補償裝置，具有較好的動態性能。

1.4 SVG的基本原理

所謂SVG（Static Var Generator），就是專指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。

2.2 功率因數

晶閘管電路的功率因數通常較低在0.75左右，需要進行無功補償。

2.3 諧波電流對電氣設備的危害

諧波電流會在電網阻抗上產生同頻率的諧波電壓，并疊加在電網正弦電壓上，使電網電壓發生畸變?；兒蟮恼译妷菏┘釉谒须娖髟O備端，會給這些設備的正常工作帶來危害，因為電氣設備均按正弦電壓設計制造，當電壓有畸變時，將會使設備發熱，力矩不穩，甚至損壞。主要表現為：

（1）諧波對旋轉電機的影響

諧波對旋轉電機的主要影響是產生附加損耗，其次產生機械振動，噪聲和諧波過電壓。

（2）諧波對供電變壓器的影響

諧波對供電變壓器的影響主要是產生附加損耗，溫升增加，出力下降，影響絕緣壽命。

（3）諧波對變流裝置的影響

交流電壓畸變可能引起不可逆變流設備控制角的時間間隔不等，并通過正反饋而放大系統的電壓畸變，使變流器工作不穩定，而對逆變器則可能發生換流失敗而無法工作，甚至損壞變流設備。

（4）諧波對電纜及并聯電容器的影響

當產生諧波放大時，并聯電容器將因過電流及過電壓而損壞，嚴重時將危及整個供電系統的安全運行。

（5）諧波對通信產生干擾，使電度計量產生誤差。

（6）諧波對繼電保護自動裝置和計算機等也將產生不良影響。

為了保證所有電氣設備的正常工作，消除或減少電網污染，世界各國都開展了深入的諧波研究工作，并制定出了相應的規程標準。對于諧波問題，我國最初于1984年頒布了《電力系統諧波管理暫行規定》，規定了電網諧波的允許值。又于1993年頒布了諧波管理的國家標準《電能質量 公用電網諧波》GB/T14549-93。

3 設計依據

3.1 供電系統概況

3.2 主要諧波源

副井為混合井，裝備2套絞車，配1250kW和1600kW的直流電動機，反并聯的晶閘管整流器直流供電，采用純12脈動、全數字控制，磁場回路由6脈動晶閘管整流器直流供電。正常運行時12脈動，故障時6脈動可減半功率運行。

礦井副井提升機總負荷約2850kW，正常運行時全部放在變電所6kV I段母線上，另外還有11000kW功率因數為0.8的其他負荷。

4 SVG方案設計

晶閘管變流器直流供電的副井和矸石井絞車是6kV母線上的主要沖擊負荷。絞車重載提升起動時，以較大的起動轉矩拖動絞車電機從靜止狀態開始加速，產生最大的無功沖擊，使供電系統出現很大的電壓波動和幅值很大的諧波電流，此時功率因數很低僅0.1～0.2左右。在穩定運行階段無功負荷減少，功率因數提高：副井絞車為0.75左右。

4.1 副井絞車最大無功沖擊（感性）

副井絞車在重載提升起動時，起動轉矩（起動電流）約為電機額定轉矩（額定電流）的1.6倍。電動機額定功率為Pe=1600kW，參照同類設備的電機、供電變壓器參數，計算出副井絞車起動時最大視在功率為：

5 結束語

從本煤礦項目SVG投運后的效果看出，靜止無功發生器（SVG）裝置是一種節能設備，對礦井負荷產生的諧波電流、電壓波動等引起供電電能質量問題起到很好的治理效果。從企業效益及社會效益考慮，選擇技術成熟先進的靜止無功發生器（SVG）裝置，作為煤礦供電系統提高電能質量的手段是目前非常行之有效的方法。

參考文獻

[1]鋼鐵企業電力設計手冊[M].冶金工業出版社.

[2]GB/T14549-93.中華人民共和國國家標準.電能質量 公用電網諧波[S].

[3]GB12326-90.中華人民共和國國家標準.電能質量 電壓允許波動和閃變[S].

[4]吳競昌，孫樹勤，宋文南，等.電力系統諧波[Z].

作者簡介：王鈺博（1987，3-），男，畢業于英國約克大學電子工程專業，碩士學位，現在在大同煤礦集團同發東周窯礦工作，助理工程師。endprint