SVC自動無功補償系統裝置的設計

毛海龍

（陽煤集團五礦機運區供電隊， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著煤礦井下采掘機械化的發展，煤礦變電站電器設備的總容量在增加，使用功率增大，供電距離加長。由于礦井用電設備多為電動機、水泵等感性負載，在運行中需要從電網吸收無功功率，造成了變電站功率因數較低，而系統電網要求用電單位功率因數不得低于0.9，否則在電費結算時將進行功率因數罰款，給企業造成經濟負擔。

為了避開高峰時期用電負荷，煤礦時常在用電高峰時間段進行停產檢修作業，利用夜間加速生產，造成全天供電電壓波動較大，電壓高時容易燒毀設備，電壓低時設備開不起來，每天需要調整變壓器分頭來調整輸出電壓，以滿足礦井生產電壓，在調整時，一是需要停電操作，二是調整完畢需做試驗，浪費停電時間及人力成本。另外，由于煤礦負荷主、副井提升及潛水泵房采用變頻軟啟動，而變頻設備的增加造成大量的諧波電流注入電網，影響電能質量，造成資源浪費。

因此，采用新型無功功率補償裝置提高變電站功率因數、消除諧波、改變無功調節方式，成為變電站提高供電質量的發展和選擇。陽煤五礦變電站在進行技術改造時，開始對靜置型動態無功補償裝置（SVC）的采用進行探索應用研究，并于2015年正式投入運行。靜置型動態無功補償裝置的應用有效提高了變電站功率因數，同時消除了諧波的危害。該裝置已成功在磁西副井變電站九龍變電站的建設中進行了推廣應用[1-2]。

1 SVC自動無功補償裝置的設計

1.1 SVC自動無功補償裝置的結構和工作原理

基于SVC自動無功補償裝置TCR型具有反應時間快、無級補償、運行可靠、能分相調節、適用范圍廣等優點，在陽煤五礦變電站中選擇TCR型結構的SVC系統。

TCR型SVC主要由TCR可調相控電抗器、FC濾波器和數字控制系統三大部分構成。該SVC裝置的主接線圖如圖1所示。

圖1 TCR型SVC主接線示意圖

從圖1中可知，該TCR型SVC裝置接在單母線上，5次、7次濾波器設計為等容量的兩組支路，與TCR支路共同接在10 kV母線上。

該TCR型SVC裝置的控制系統如圖2所示，控制系統主要是由A/D采集系統、DSP運算單元、TCR脈沖發生板、電光轉換裝置、晶閘管閥組、保護系統和工控機監測系統組成。

圖2 TCR型SVC控制系統結構示意圖

可調相控電抗器（TCR）產生連續變化感性無功的基本原理如下頁圖3-1所示，U為交流電壓，Th1、Th2為兩個反并聯可控硅，控制這兩個可控硅在一定范圍內導通，則可控制電抗器流過的電流i，i和u的基本波形如下頁圖3-2所示。α為Thl和Th2的觸發角，則有：i的基波電流有效值為：

式中：Um為相電壓峰值；V為相電壓有效值；ωL為電抗器的基波電抗，Ω。

因此，可以通過控制電抗器L上串聯的兩只反并聯可控硅的觸發角α來控制電抗器吸收的無功功率的值。對于不對稱負荷，采用STEIN-ME1Z分相調節理論，將負荷補償為純有功的三相平衡系統。

FC部分由電抗器和電容串聯而成，主要功能是濾波兼提供固定容性補償裝置。SVC主要用于補償用戶母線上的無功功率和濾除諧波。

圖3 TCR型SVC自動無功補償裝置原理圖

1.2 SVC自動無功補償系統內容

1）名稱：35 kV諧波抑制及動態無功補償SVC成套裝置。

2）數量：晶閘管控制線性電抗器+濾波器（TCR+FC）一套。

3）配套型式及主要基本參數：靜止型無功補償SVC裝置 /諧波抑制裝置（3、5、7、11次濾波支路）。

4）各濾波支路采用單調諧接線方式或高通接線方式，中性點通過避雷器接地，設置零序過電壓保護或中性點不平衡電流保護。

5）系統電壓：系統標稱電壓35 kV（變壓器副邊為35.5 kV），最高長期運行電壓36 kV，母線正常電壓偏差為-7%～+10%（正常偏遠范圍），額定頻率為50 Hz。

6）補償系統的11次濾波包括了11次及以上次數的諧波分量。

1.3 SVC的控制方式

采用開、閉環結合的控制方式。開環以滿足SVC控制器的響應時間，確保系統對電壓波動和閃變抑制的要求。閉環控制來調節被控TCR電流精度，以確保系統功率因數的穩定?？蓪崿F三相同時控制、分相控制和三相平衡化等多種控制方式[3-4]。

在電壓和無功控制調整目標下，使SVC各支路斷路器、冷卻系統、保護裝置和有關的安全系統協調運行，邏輯正確。

2 SVC自動無功補償裝置運用效果

在陽煤五礦變電站中選擇應用TCR型結構的SVC系統裝置后，變電站供電系統安全穩定。經測試，10 kV進線的各項指標都在國標允許范圍內，電壓總畸變率從未投SVC的6.659%降低到投運SVC后的2.888%；電壓波動很??；功率因數很高；諧波降到國標范圍內；進線電流大為降低，使變壓器、電纜、各種用電負荷得到了充分的保護。可見補償效果良好，SVC起到了至關重要的作用。同時該TCR型SVC系統操作簡單，維護量少，SVC系統在運行過程中只需在電腦控制器中將功率因數值及電壓設定值設定，即可實現自動調整功率因數及輸出電壓[5-7]。

3 運用該裝置后產生的經濟社會效益

3.1 經濟效益

改造前自然功率因數為0.85，改造完成后功率因數由0.85提高到0.96，按照供電局各欄目的計算依據如下：功率因數獎罰依據，功率因數每提高0.01個百分點按照電費總額的0.1%進行獎勵。35 kV電壓平段大工業用電電價按照0.617 1元/kW·h，陽煤五礦每小時用電量為1.3萬kW·h。

全天用電量為1.3萬kW·h×24 h=31.2萬kW·h；月用電量為（按照平均30天計算）：30 d×31.2萬kW·h/d=936萬kW·h；月電費支出為936萬kW·h×0.6171元/kW·h=577.61萬元；月功率因數由0.85提高到0.96獎勵費用為11×0.1%×577.61萬元=6.354萬元/月。年功率因數獎勵費用為6.354萬元/月×12月=76.25萬元。

3.2 社會效益

降低系統電壓波動，提高了供電可靠性。礦井避峰調荷的實施，造成變電站在白天和夜晚的電壓波動很大，很多變電站都超過了5%，在負荷低谷電壓過高，每天需頻繁地投切電容器組。采用SVC自動無功補償系統，減少了工人勞動強度和設備維護次數，降低了因人員操作帶來誤操作的風險。將先進性、安全性、經濟性和智能化融為一體，能有效降低變電站供電事故，提高礦井的安全生產水平。

消除了系統諧波，提高了供電質量。近年來，隨著電力電子技術在電氣設備中的廣泛應用，變頻啟動設備在電網中不斷增多，在節能降耗的同時，也在供電系統中產生了大量諧波，嚴重影響了供電質量。SVC系統中的FC濾波電容器組能有效地消除電網中的3、5、7、11次諧波，提高了電能質量，減少了用戶因電壓波動而造成設備停運的損失。