FC+SVG动态补偿

FC+SVG动态补偿（通用6篇）

FC+SVG动态补偿 篇1

摘要：煤矿的供电系统应用FC+SVG并联装置来控制无功功率和高次谐波的办法来动态的补偿滤波。这种技术的成功运用, 能够较快地随着矿井负担的无功电流所产生的变化来变化, 自动对电网系统需要的无功功率进行补偿, 实现了电网在无功功率上的非静态的补偿, 及时消除各个层次的谐波在高腰交流电网里受到污染, 能够高效消除主、副井绞车这种较大功率的变频技术污染电网谐波, 让交流电的供电系统变成有可变空间的动态供电系统。

关键词：煤矿供电,FC+SVG动态补偿,滤波装置

矿井主提升设备以及大型的空气压缩机、通风机、水泵、采煤机以及抽采装置等, 这些类型的设备单位功率均很大, 启动的次数多, 给供电的系统武功冲击的力度加大。在大型用电机器运作的过程中, 要耗费很多没用的功率建立和维系磁感电流对用电机器的供给。此外在煤矿井下供给配电的整个系统里有很多的感性负荷在里面, 这里的感性负荷需要耗费很多无功功率, 使供电的整个系统功率因数过低, 加大电路中电压的消耗以及电能的耗费。这时改变频率的机器以及能控制整体电流的装置来拖动应用在矿井升高机中, 运作的时候有很多高次谐波出现, 会危害整个供电系统中电能的质量。

1 煤矿的供电系统中应用FC+SVG动态补偿的可行性

淮南矿区几乎每一个矿井的供电系统都受到谐波影响, 许多矿曾经都发生过电压互感器烧坏, 电容器保险熔断, 乃至大型设备的电子监控系统出现故障而造成大面积停电事故的现象。几个专业的机构测试了谐波, 其中主要是5次、7次和11次。矿井在建设的时候设计安装的非动态FC, 非动态滤波的补偿装置, 是一种高通的滤波器, 它的组成是电容、阻尼电阻以及电感, 在技术方面是相对落后的, 没办法监控无功负荷的改变, 瞬间功率因数比较低, 供电的时候有很大损失和消耗, 对系统的经济和运行都产生很大影响。而且因为FC滤波旁边的电流无功率容量是相对比来说稳定的, 矿井升高机这些机械的负荷波动是很大的, 每一个矿都发生过过补偿的情况, 其原因就是大型机械设备停止运行, 导致投入5次滤波支路成为极限, 超过7次就无法使用。因此必须要综合性整治无功补偿以及谐波, 这一点毋庸置疑。有一个成本方面的问题需要考虑就是已安装的FC系统装置虽然在效果上是不好的, 但是成本低, SVG滤波补偿在效果上非常高效但是路线繁琐, 成本高, 在综合考虑之后, 对比经济性和可行性两方面, 应用FC和SVG的并联合用系统是最合适不过的, 既解决了无功补偿的问题和滤波的问题, 也在一定程度上节约了成本减少了资金的投入。

2 SVG动态补偿滤波装置在技术方面的先进性

SVG是依赖电力的一种电子设备, 它能够检测系统的谐波, 也可以产生和系统谐波振幅相同, 但具有不同方向相位的向量谐波, 这时系统的谐波就可以被抵消, 然后波形变成正弦。SVG不仅可以滤除谐波, 而且能够非静态的补偿无功功率, 再加上SVG有相当快的反应速度, 对谐波的滤除率能够超过95%, 相当细致的进行无功补偿。

SVG具有极高的可靠性, 在自身的运行方面。它对于所有阻止和抵抗的电网系统都是相适用的。谐振的现象不会出现, 在安全方面和可靠方面是绝对可以保证的。在SVG工作时, 不把IGBT的高频率开关所产生的高次谐波注入, SVG在补偿无功以及谐波的消除上会有更好的效果。补偿谐波的时候, 把与负载电流的基波无功分量反极性的成分加入到补偿电流的信号指令中去, 就能够达到使负担无功功率得到补偿的目的。此时, 负载的电流里谐波以及无功的成分和补偿的电流互相抵消掉了, 电源的电流相当于负载的电流中基础电波的有功分量。

补偿电流里面的谐波和无功这些电流的分量都能够运用SVG的控制系统经过指定的电流计算方式计算出来, 然后根据计算结果推出实际中补偿的电流, 补偿的电流和要接受补偿的谐波和无功等这些电流相抵消, 最后取得预期的电源中的电流, 从而达到滤除系统中谐波的目的。

经过了上述的分析表明, SVG拥有强大的技术支持和优势, 尤其应用上FC+SVG的补偿方案, 是SVG装置的容量大大减小, 使工程的成本和投资得到了最大程度上的减少, 而且SVG快速的运算速度也能够高效的解决滤除谐波以及无功补偿的问题, 能够实现对于实时补偿的各方面要求。

3 SVG在技术上的方案以及滤除谐波的补偿效果

以淮南矿业集团顾北煤矿的供电系统情况为例, 将他作为本次具体研究的对象, 将已有的FC系统和SVG装置进行最优化的结合, 准确算出无功补偿的容量以及谐波补偿的容量, 尤其是必须准确合理的计算出SVG容量, 解决各种高频率谐波带给矿区电网系统的危害, 增加系统功率因数。

最前沿的技术叫做拓扑结构和多电平PWM技术都应用在SVG装置中来进行递次谐波的抵消, 使电压和电流谐波产生畸形变异的概率低于0.03, 实现既不加大硬件的成本, 又达到了滤波的目的。应用可关的功率较大的电子器具组件组成自己更换的电路, 经过电抗器在电网上并联, 根据具体情况调节在电路的交流电一侧输出的电压幅度和相位, 或者直接对交流电一侧的电压电流进行控制, 这样就能够让这个电路把适合的无功电流进行吸收或者发射, 以此来实现动态的无功补偿。

4 FC+SVG动态补偿技术在应用时产生的综合效益

FC+SVG的使用给淮南电网带来了非常大的经济效益, 矿井的总功率因数在该技术实施稳定之后由87%提高到了97%, 在10000V的电压下, 侧电流能够大概减少200A, 从而使电能的损耗得到了一定的减少, 也使电费资金得到了节约。

成功应用FC+SVG技术, 使矿井每一个变电站的谐波问题得到了很好的解决。有效地让电压的波动不稳和瞬间变化这些问题受到了控制。5次和7次的谐波含量在实施项目之前每一个矿井中相对来说比较大, 造成了电力的设备损伤和生产过程中机器设备的损害, 实施FC+SVG装置之后就有效的滤除了谐波, 使电能的质量得到更好的保障, 保证了继电工作的正确性, 在电气机械设备的运行上也具备更高的可靠性以及安全性。

在矿井系统出现故障的时候, FC+SVG装置能够给予最及时最快速的判断, 从而开始武功调节功能, 震荡阻尼系统, 来行之有效的使线路中输电的容量变大, 让整个输电的系统稳定性得到提高, 高效的是受到负荷一侧的电压得到稳定的调节和维持, 确保了矿井中一些重要的部分能够得到既安全又稳妥的电能供给。

5 结束语

FC+SVG动态补偿滤波装置的应用, 有很快的响应速度, 很高的可靠性和安全性, 能够提高功率因数, 使供电系统稳定持续供电, 确保了全自动装置的动作准确性, 也保证了每一种电气机械设备的稳定安全运作。经过实际调查, 该技术应用在煤矿的供电系统中, 效果明显, 安全可靠, 经济运行;为矿井赢得了巨大的经济方面的利益以及安全方面的保障。该技术发展成熟之后能够被推广并且应用在其他相同类型的煤矿矿井中, 用以展现出更好的优势, 带来更大的社会经济安全效益。

参考文献

[1]冯文轶.FC+SVG动态补偿滤波装置在煤矿供电中的应用[J].煤矿机械, 2014, 35 (6) :173-175.

[2]吕贺伦.静止型动态无功补偿装置及其在煤矿中的应用[J].煤矿工程, 2012 (6) :64-66.

[3]吾布里·阿依丁, 季书文, 吾斯曼·托乎提.煤炭牵引供电系统无功动态谐波综合补偿技术分析[J].节能技术, 2012, 30 (3) :282-285.

FC+SVG动态补偿 篇2

目前, 国家电网公司正式发布了智能电网技术标准体系和智能电网关键设备研制规划, 将智能电网的发展列为未来的主要发展方向。《国家电网十二五规划》中明确提出动态无功补偿装置是国家电网未来新技术应用的发展方向, 无功补偿设备的智能化改造在智能电网发展规划和建设中已经成为势在必行的必然趋势。

电网现有的无功补偿方式多为固定电容器补偿, 是最早出现的静止型无功补偿, 因其结构简单等特点而得到了广泛应用。但一般的并联电容器组都是应用在负荷较为平稳的场合, 其每天投切次数有限, 且放电时间较长, 频繁投切对固定电容器的使用寿命及稳定性有直接影响。在电网无功变化较大时, 固定电容器无法平滑线性调节无功输出, 不具备调节系统电压的需求, 更不满足智能电网无功实时调节和设备智能化的基本要求[1,2]。

SVG动态无功补偿装置在平滑调节无功输出的同时, 对固定电容器可进行自动投切, 控制其投切次数, 保证电网电压稳定、治理系统谐波、解决电网三相不平衡、抑制闪变等功能, 同时设备自身能够直接通过IEC61850协议与监控层主站系统 (后台) 进行通讯, 满足电网一次设备智能化的要求。

1 国内外无功补偿装置研究水平简述

1.1 无功补偿装置的发展历程

无功补偿装置发展经历了从同步调相机、开关投切电容器、静止无功补偿器 (SVC) 、无功发生器 (SVG) 的过程。它们各自特点如下:

a) 同步调相机:响应速度慢, 噪音大, 损耗大, 技术陈旧, 属淘汰技术;

b) 开关投切电容器:慢响应补偿方式, 连续调节能力差, 并且电容器装置投入系统改变系统阻抗, 易与系统阻抗发生串、并联谐振[3];

c) 静止型动态无功补偿器 (SVC) :目前应用比较广泛, 但由于损耗大, 自身谐波较多, 占地面积较大;

d) 动态无功发生装置 (SVG) :作为SVC的换代产品, SVG具有响应速度快、稳定电压能力强、滤除谐波效果好、占地面积小、维护量小等优势, 目前已成为无功补偿技术的发展方向。

1.2 国内研究水平的现状和发展趋势

2000年国内首台大容量SVG由清华大学与河南电力工业局合作开发并成功运行, 容量为20 MVA。2001年国家电力公司南京自动化研究院研制了一台容量为500 kVA的装置。作为SVC的下一代产品, SVG具有响应速度快、稳定电压能力强、滤除谐波效果好、占地面积小、维护量小等优势。

2 静止型无功发生器 (SVG) 原理和结构介绍

2.1 SVG原理简述

SVG的基本原理就是将自换相的电力半导体桥式变流器串联连接电抗器后并联在电网上, 通过调节桥式变流器交流侧输出电压的幅值与电网侧的幅值进行比较, 在连接电抗器的作用下, 就可以使桥式变流器吸收或者发出无功, 实现动态无功补偿的目的。

2.2 SVG的基本结构

静止型无功发生器 (链式SVG) 由三部分组成控制部分、功率部分、启动部分[4]。

控制部分主要由计算机、控制板卡、采样板卡、驱动板卡等组成, 通过采用板卡采样、控制芯片计算、驱动板卡触发信号使功率部分进行工作;功率部分是SVG的核心, 由电力半导体桥式变流器组成, 其基本电路结构为电压型桥式逆变电路。电压型桥式电逆变路主要由直流电容和逆变桥组成, 直流电容作为桥式变流器储能元件输出直流电压通过逆变桥将直流电压逆变为交流电压, 再通过启动部分的连接电抗器并入电网中, 其中连接电抗器起到防止过电流、滤除纹波和连接两个电压源的作用, 启动部分中还有启动电阻和旁路开关, 启动电阻是串联在整个回路中防止启动瞬间烧毁直流电容和功率器件;旁路开关与启动电阻并联, 由于设备启动柜后不需要启动电阻始终串联在电路中, 为降低有功损耗通过旁路开关进行旁路。

2.3 SVG的工作原理

SVG是迄今为止最先进的补偿型式, 它即可补偿无功, 也可以治理谐波, 在动态无功补偿领域得到广泛应用[5]。

2.3.1 SVG无功补偿原理

SVG功率部分是由电压源型逆变器组成, 所以SVG功率部分可以等效为一个可变的电压源, 电网也是一个无穷大的电源, 这样的两个电源经过连接电抗器进行连接, 当两端电压不同时, 在连接电抗器两段会产生压差, 进而产生电流, 这个电流就是SVG从电网吸收的电流。通过调节SVG功率部分电压幅值的大小, 就可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90?, 并且能控制该电流的大小。

当SVG电压高于电网电压时, SVG输出的无功电流滞后电网电压, SVG发出感性无功, 当SVG电压低于电网电压时, SVG输出的无功电流超前电网电压, SVG发出容性无功。

2.3.2 SVG治理谐波原理

SVG的滤波方式与以往的动态补偿装置方式不同, SVG不在采用电容和电抗组成的LC回路进行滤波, 而是采用桥式变流电路的PWM技术来进行滤波, 是发出与负荷谐波大小相同方向相反的谐波与之相抵消, 从而达到有源滤波的效果。SVG对于滤除2次~13次谐波效果较好, 对于更高次谐波也可以滤除, 只需调节开关器件的开关频率即可, 但会增加很大的设备损耗。目前行业中仅需要SVG滤波13次以下谐波即可。

从以上工作原理的可以看出, 如果需要SVG在补偿无功的同时还对负载谐波进行补偿, 只需SVG将需要补偿的无功电流和补偿的谐波电流叠加计算后输出相应的电流波形即可。因此, 可以说SVG即能实现补偿无功的同时也治理谐波电流的双重目标。

3 静止型无功发生器 (SVG) 应用的必要性及作用

3.1 采用SVG装置的必要性

3.1.1 技术先进

静止型无功发生器SVG属于第三代动态无功补偿技术。是迄今为止最先进的补偿型式, 它具备所有传统补偿的功能。不需要大容量的电容器和电抗器, 而是通过大功率电力电子器件的高频开关 (IGBT) 来实现动态无功补偿的作用。即可补偿容性无功也可以补偿感性能无功, 响应时间小于等于5 ms。

3.1.2 无功补偿特性好支持系统电压能力强

SVG补偿功能多样化, 可以单独补偿无功、治理谐波、治理电压和闪变、治理三相不平衡, 也可以综合起来进行补偿。

SVG输出电流不受母线电压影响, 在电网电压下降时, SVG仍可满电流输出, 可有效改善母线电压。而普通的电容器类补偿装置的输出与电网电压平方成正比, 在电网电压下降时, 需要电容器多输出一些来提高电压, 此时电容器输出越少起不到支撑系统电压, 影响了系统电压的安全稳定性。

3.1.3 运行损耗小可靠性高

SVG采用新型低损耗功率器件IGBT和小容量的电抗器, 所以成套装置损耗不大于0.8%, 而TCR型SVC其相控电抗器的损耗就大于1.5%以上, 整套设备损耗约为2.5%。

SVG没有大容量的电容和电抗, 所以SVG投入系统中后不会改变系统阻抗, 不会产生串、并联谐振, 使系统运行更加稳定可靠。

3.1.4 控制方式多

SVG具备多种控制方式:恒功率因数方式、恒无功方式、恒电压方式、无功和电压兼顾方式, 等, 不同行业用户可以选择不同的控制方式。对于煤炭类行业一般选择恒功率因数方式即可, 对于风电、光伏行业比较特殊, 需要SVG能稳定电压还需要在电压稳定的前提下提高功率因数, 这就需要选择无功和电压兼顾的方式。

3.1.5 占地面积小安装方式灵活

由于SVG没有了大容量的电容和电抗, 所以SVG的占地面积小, 是同容量TCR型SVC占地面积的1/5左右。SVG占地面积小可以做成集装箱型式放置在户外。对于工矿企业改造项目中, 解决了土地紧张和土建的问题。

3.2 采用SVG装置的作用

a) 提高供电质量;

b) 减少送变电过程的线路损耗。

4 SVG技术在国家电网以及各大企业的应用情况

依托国家电网以及国内各大高校、科研院校雄厚的技术力量, 2007年, 国内首台应用于牵引变流站的SVG投入运行。目前, 南方电网广东东莞500 kV变电站、贵州电网公司、云南电网玉溪四街变、唐山驿南府变电站、唐山虹桥变电站、青岛南京路变电站、辽宁省网多个地方变电站得到推广应用, 其它包括煤矿、电气化铁路、冶金、风电、光伏发电等行业也大量采用SVG动态无功补偿装置, 在网运行600百余套。其技术先进性和运行可靠性均得到了考验。

5 结语

随着无功补偿行业的发展, 动态无功补偿技术不断成熟, SVG以成为迄今位置最先进的补偿技术。它为煤炭、电网、冶金、化工、电铁、风电等行业的节能降耗和供电安全做出贡献。所以, SVG在各个行业电力系统中更加广泛地应用将指日可待。

摘要：从国内外无功补偿装置研究水平的简述、装置原理和结构介绍、应用的必要性及作用等多方面进行介绍, 得出动态无功补偿技术必将是今后的发展方向, 应用前景不可估量。

关键词：SVG,发展历史,原理和结构,应用情况

参考文献

[1]李亚平, 姚建国, 黄海峰, 等.SVC技术在电网调度自动化系统中的应用[J].电力系统自动化, 2005 (23) :1-3.

[2]田林静, 石新春.MSC+TSC型低压无功补偿装置的实现[J].大功率变流技术, 2008, 06:50-54.

[3]庄文柳, 张秀娟, 刘文华.静止无功发生器SVG原理及工程应用的若干问题[J].华东电力, 2009, 8 (37) :1295-1299.

[4]翁利民, 张莉.SVC与SVG的比较研究[J].冶金动力, 2005, 5 (111) :1-4.

FC+SVG动态补偿 篇3

关键词：谐波电流,静止型动态补偿,SVG,功率因数,快速调节,节能降耗

引言

随着煤矿企业原煤产量的大幅度提高, 井下采掘、运输等工作向机械化、自动化的方向发展, 机械化程度和机械设备的效能越来越高, 随之而来的变化是机械设备的装机功率也越来越大, 供电距离也越来越长。大多存在功率因数低、供电线路长, 损耗大、谐波问题、冲击电压降问题。

1、方案设计

1.1 工况分析

为了解决上述问题, 只有采取动态无功补偿及滤波装置, 可同时起到提高功率因数、治理谐波和稳定电压三方面的作用。早期使用的同步调相机作为动态无功补偿装置属于第一代静止无功补偿装置, 一般响应速度以秒计, 无法跟踪负荷无功电流的快速变化。第二代无功补偿装置, 主要以晶闸管投切电容器 (TSC) 和晶闸管控制电抗器 (TCR) 为代表。这类装置大大提高了无功调节的响应速度, 但TCR容易产生谐波振荡电压放大等严重问题。SVG属于第三代静止型无功补偿技术。具有以下特点:

(1) 它不再采用大容量的电容器、电抗器, 而是通过大功率电力电子器件 (IGBT) 的高频开关实现无功能量的变换, 无功动态补偿响应速度最快, 达到几个毫秒级。

(2) 提高功率因数, 降低线损, 节能降耗;

维持负荷端电压, 提高系统电压稳定性。

谐波动态补偿, 改善电能质量, 保证供电安全;

1.2 系统配置典型设计

在陈四楼变电站设计中, 根据井下负荷及现场实际情况, 动态无功补偿成套系统设计采用无功补偿与无源谐波吸收相结合的配置方案, 使系统具有滤波和无功补偿双重功能。该方案按照煤矿需要补偿的无功功率来选配SVG和电容器, 根据无功功率就地平衡的原则, 在6k V母线装设1套容量为±3MVar SVG静止型动态无功补偿成套装置和一组额定容量3Mvar无功补偿电容器。如图1所示。

SVG无功补偿装置的调节容量从感性3MVar到容性3MVar连续可调, 高压电容补偿装置的固定补偿容量为3MVar, 两部分并联构成的静止型动态无功补偿成套装置无功调节的范围为0~6Mvar, 基本能够满足陈四楼110/6k V变电站6k V侧动态无功补偿的要求, 能够在额定容量范围内进行连续自动调节, 有效提高电能质量。

2、技术优势

SVG可动态快速连续调节无功输出, 最大限度满足功率因数补偿要求, 任意时刻的功率因数达到0.98~1.0。相比TCR而言, SVG的补偿原理和具体实现方式都更为先进, 具备以下优势与特点:

(1) 补偿性能强:动态快速连续调节无功输出, 最大限度满足功率因数补偿要求, 任意时刻的功率因数接近1.0, 而且同容量的SVG型补偿效果比TCR型高1.2倍左右, 设备投资效益高。

(2) 谐波特性好:和TCR相比, SVG不产生谐波电流, 而且能有效滤除矿井提升机等产生的各次谐波电流, 很好的满足了煤矿无功补偿与谐波治理的综合需求。

(3) 占地面积小:由于自身没有谐波, 不需要滤波器组, 占地面积大大减小。只有TCR型补偿的一半以上。

(4) 运行损耗低, 效率高, 噪音低。

(5) 可靠性高, 维护量小:满足IGBT功率模块N+1运行方式, 一个模块故障可旁路继续运行, 可靠性大大提高。模块化设计, 安装、调试工作量小, 基本免维护。

3、运行状态和启动停机操作流程

装置分五个运行状态:待机, 充电, 并网, 放电和跳闸。

以陈四楼变电站投运SVG装置为例, 首先将SVG装置地刀拉开, 合上隔离刀闸;6211 (SVG滤波支路) 释能结束后, 手车打到工作位置;此时, 按下SVG装置上复位按钮, 装置处于待机状态, 就绪和闭锁灯亮;合上6211 (SVG滤波支路) 断路器后, SVG装置进入充电状态, 运行和闭锁灯亮;充电结束后, SVG装置达到并网状态, 装置上只有运行灯亮;停运顺序与此相反。停运过程中, 拉开6211 (SVG滤波支路) 断路器后, SVG装置进入放电状态, 闭锁和故障灯亮;事故跳闸时, SVG装置为跳闸状态, 闭锁、告警和故障灯亮。

4、注意事项

由于装置刚刚投入, 运行还不稳定, 需要工作人员加强维护和巡视。其中, 负载夜间变化快, 会引起功率模块驱动故障, 夜间应注意负荷变化和加强巡视。工作环境灰尘多, 也同样会引起功率模块驱动故障, 平时应注意清灰。一旦发生功率模块故障, 必须及时更换备用元件。巡视时, 注意风机运转和设备连接点温度, 风机停转, 也会引起跳闸。

该装置配备低电压保护, 过电压保护, 过流保护和电压不平衡保护。当系统欠压时, 低电压保护动作。

5、结束语

FC+SVG动态补偿 篇4

在三相交流电路中, 电源供给负载的功率有两种:一是有功功率;二是无功功率。如果电网中的无功功率供给不足, 用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场, 那么这些用电设备就不能维持在额定指标下工作, 用电设备的端电压就要下降, 从而影响用电设备的正常运行。

系统缺乏无功功率时会造成低功率因数运行, 使供电母线的电压产生波动, 降低了机电设备的运行效率。同时, 大量无功使系统功率因数较低, 造成大量能源浪费。变流设备的自然功率因数较低, 一般只有0.7左右, 促使供配电系统的电能损耗增加, 发配电设备的利用率下降, 企业的电费支出增加, 降低了企业的经济效益。此外, 无功电流在线路上的长途传送时, 在电阻上也造成了的电能损耗。

电网一般呈现电感性, 总电流滞后于电压。当有功功率不变, 感性无功功率就越大, 则损耗就越大。这样就要在电路上进行无功功率的容性补偿, 使电容和电感两个负荷之间形成互补状态, 从而减少无功负荷与电源之间的电能输送。

2 大功率交流变频设备对电网的影响

近几年, 随着电力电子技术的发展, 煤矿综合采煤机械化水平的提升, 矿井的采、掘、机、运、通等各个环节上大量使用了大功率交流变频设备。这些大功率变频设备和电力电子等非线性负荷大量接入电网, 致使此类用电设备产生的谐波电流注入电力系统, 使系统各处电压产生谐波分量。而且大型电力电子设备产生的谐波电流相当大, 直接造成10 k V电网高次谐波成分急剧增强, 给供电系统的安全运行和供电质量带来不良的影响。

2.1 谐波的危害

谐波对电力系统的污染, 随着非线性负荷的增加日益严重, 如不采取措施加以抑制, 将窜到电力系统给其他用户引起不良影响:①使电网的电压和电流波形发生畸变, 致使电能品质变坏。②使电介质加速老化, 绝缘寿命缩短。③影响二次设备装置的工作精度和可靠性。④使一些具有容性的电气设备、电气材料发生过热而损坏。⑤对弱电系统造成严重干扰, 甚至可能在某一高次谐波的作用下, 引起网络谐振, 造成设备损坏。因此, 必须掌握谐波发生的规律, 有针对性地采取交流滤波装置进行抑制。

2.2 电压波动的危害

电压波动是指在很短时间内, 某点电压的急剧变化, 如大型变频设备启动等引起的电压变化。电压波动对电气设备运行的危害, 有以下几个方面:①影响矿井大型提升机的工作效率, 使其不能正常出力。②电力电子传动时, 电压波动可能招致控制回路误动作。③在电压波动大的场合下, 带负荷分接头切换器会缩短切换寿命, 在切换分接头的过程中电压发生变换时, 将会产生振荡。

式中:Ut———电压波动值;△Q———负荷的无功功率变化率;Ss———负荷点的短路容量

由上式可知, 电压波动值与负荷的无功功率变化率成正比, 与负荷点的短路容量成反比。同时, 上式也说明了电网电压波动时, 由于负荷无功功率剧烈变动引起的静止电容器无法满足补偿要求, 因此, 采用动态无功补偿能有效地限制电网电压的波动。

3 SVG (STATCOM的缩写) 的构成及工作原理

3.1 SVG的构成

SVG即高压动态无功发生与滤波装置, 是呈现电流源特性的有源无功功率调节装置, 其兼具滤除谐波的功能 (见图1) 。SVG将整个系统看成一个电压源, SVG则可看成一个可控电压源, 连接电抗器或者可以等效成为一个线形阻抗元件。

3.2 SVG的运行原理及对电网实现的功能

SVG是将电压源型逆变器, 经过电抗器或变压器并联在电网上, 通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位, 或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位, 迅速吸收或者发出所需的无功功率, 实现快速动态调节无功的目的。也可为每相单独提供功率, 起动平衡三相电流的作用。

当采用直接电流控制时, 直接对交流侧电流进行控制, 该装置将谐波部分从信号中分离出来, 通过反相叠加, 使其返回电网, 这就起到了抑制谐波的作用, 从而使电网电流只包括纯粹的基波部分。

该装置不仅可以对谐波电流进行跟踪补偿, 而且可以跟踪补偿冲击型负荷。能够进行从感性到容性负荷的连续、动态、平滑的无功功率补偿。当补偿负荷快速增加时, 有源滤波器暂时将直流电容器中储存的功率反馈到电网中。负荷下降时, 有源滤波器将功率从电网送至直流环节。借助该原理, 电网侧的负荷变化被平抑, 闪变效应降低到无法感知的程度。此装置的三种运行方式见表1。

3.3 SVG投入运行后对电网的改善效果

1) 电网达到实时功率因数数值≥0.95, 降低线损、节能降耗, 改善电能质量。

2) 成套装置具有短时过载能力。

3) 输电系统稳定控制, 提高线路输电能力。

4) 系统响应时间<5 ms。

5) 实现从感性到容性的连续、平滑的无功功率补偿, 任何时候都可进行自由投切, 达到了投无涌流, 切无过电压。

6) 实现了故障时提供报警信息, 严重故障时封锁SVG驱动脉冲, 同时装置退出运行。

7) 实现电网不对称平衡补偿。

8) SVG是电压源型装置, 主动式跟踪补偿所需无功, 从机理上避免了大容量电容、电抗元器件并联在电网中可能发生的谐振现象, 在电网薄弱的末端使用, 安全性比阻抗型装置更高。

4 SVG的经济效益评估

4.1 提高了功率因数

在电网中, 有功功率、无功功率和视在功率之间的关系如下式:,

式中:S为视在功率;P为有功功率;Q为无功功率, 且功率因数cosφ=P/S, 因此, 当电力系统进行无功补偿时, 系统中的无功功率就越小, 有功功率就相应增大, 系统的功率因数也就相应提高。譬如:某煤矿35 k V变电站, 装机容量为25000KVA×2, 正常运行方式为一投一备, 由于该矿综合采煤采用的是大功率设备及变频技术, 投运初期10 k V用户侧有功负荷为12 259 k W, 无功负荷为9240 k W, 在没有配置无功补偿时, 此侧功率因数cosφ仅为0.8左右, 连续4个月累计发生力率电费44.86万元。通过安装了SVG高压静止无功发生与滤波装置 (容量5 500 kvar) , 实时地对无功功率负荷进行了补偿。

补偿后的功率因数cosφ'为:cosφ'=cos[arctg (Q1-QC) /P]=cos[arctg (9240-5500) /12259]=0.957

上式表明, 该变电站经过SVG改造后, 功率因数由0.8提高到0.95, 该站10 k V出线到末端用户电压由9.92 k V提高到9.94 k V, 无功功率得到了充分的补偿, 改善了用户的电能质量。

4.2 降低了电能损耗

据以上计算分析得出, 经过安装SVG后, 功率因数得到补偿, 节能降损取得显著成效。如输送的有功P为定值, 因为P=UIcosφ, 负荷电流I与cosφ成反比, 又由于P=I2R, 线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosφ升高, 负荷电流I降低, 线路有功损耗就成倍降低。所以可得出, 通过电网安装SVG后, 功率因数从cosφ提高到cosφ', 有功负载损耗降低百分率为:

ΔP%= (1-cosφ/cosφ') ×100= (1-cosφ37/cosφ18) ×100=[1-0.8/0.95]×100=21%

由上可知, 该变电站投入运行SVG后, 使功率因数提高了15%, 有功负载损耗降低了21%, 每年可减少电能损耗2.1×107k W·h。

4.3 减少用户电费支出

通过采取无功补偿措施, 不仅使功率因数由0.8提高到0.95, 达到了电网力率考核标准。每年还可以减少电能损耗2.1×107k W·h, 两项折合经济效益为1 200万元, 给企业带来了良好的经济效益。

5 结语

综上所述, 可以看到SVG技术在煤矿安全供电、经济运行中起到了很大的促进作用, 具有高度的可靠性, 显著地提高了供电系统的利用率, 加强了电网一次、二次系统的效能, 对电网安全、稳定、经济运行具有重大的意义。

参考文献

[1]王兆安, 杨君, 刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[2]何仰赞, 温增银.电力系统分析[M].武汉:华中科技大学出版社, 2002.

[3]金铭.最新电力行业线损及降损措施手册[M].北京:中国电力出版社, 2007.

FC+SVG动态补偿 篇5

近年来我国煤矿工作面单产能力不断提高,设备容量也不断增加。以兖矿集团有限公司本部矿井为例,年产300万t综放工作面的设备装机总容量一般为5 000 kW,运行功率为3 500 kW左右;年产500万t综放工作面的装机容量接近7 000 kW,运行功率为5 000 kW左右。井下远端供电距离约为10 km。长距离供电、大容量感应电动机集中使用和频繁启动、变频器等变流设备普及应用等原因造成工作面供电系统电压波动大,功率因数低,线路损耗大,设备启动困难,影响生产。因此,在大型综采工作面实现动态就地无功补偿对煤矿企业保证生产、稳定产量、节能降耗具有重要意义[1]。

1 技术路线选择

1.1 国内外无功动态补偿技术现状分析

目前,性能可靠、应用较广泛的无功补偿技术主要有同步调相机(SC)、机械式分组投切电容器(MSC)、静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器(SVG)等。SC一般用于电力系统枢纽变电站集中补偿,响应速度慢,造价高,运行维护复杂,且不易制造成防爆电器,不适用于煤矿井下。SVC一般有晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)、磁阀式可控电抗器(MCR)、晶闸管控制电抗器(TCR)等几种形式,其中TCR+固定电容器组(FC)型SVC最为普遍,性能最优。它是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路,通过调节电路交流侧输出电压的幅值和相位或者直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的[2]。但该类SVC只能提供容性无功,电压支撑能力较差,TCR产生较大谐波,必须配备相应滤波电路,结构较复杂[3]。

MSC技术采用分级固定容量补偿方法,无法动态跟踪负载无功变化,不适应煤矿生产装备启停频繁、负荷变化大的特点。另外,有触点开关的频繁投切电抗器和电容器容易产生电火花,不易满足防爆要求。

SVG是无功补偿的重要发展方向,从本质上讲,SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器,是当前技术条件下最为理想的无功补偿形式。

1.2 SVG技术特点与煤矿井下适应性分析

与SVC相比,SVG技术具有以下适应于煤矿井下的工况特点:

(1) 能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿, 响应时间为5～10 ms,适于跟踪冲击负荷。

(2) 自身几乎不产生谐波,且能够对谐波进行宽幅有源滤波,还可抑制谐振,安全性与稳定性好。

(3) 电压闪变抑制能力强,可以达到5∶1甚至更高。

(4) 具备较强的短时过载能力,无功补偿能力不受母线电压的影响,特别是当母线电压因无功冲击引起电压快速下降时,能迅速支撑电压,满足大功率负荷启动时的无功需求。

(5) 体积小,单位体积功率密度高,方便移动。SVG不是采用大容量电抗器、电容器组成补偿和滤波元件,而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量交换,适合煤矿井下使用。

(6) 运行损耗小,仅为同容量TCR型SVC的25%左右,温升低,对环境影响小,易于防爆。

经过技术比较,本文重点对SVG技术在矿井的应用进行研究。

2补偿装置的设计

2.1 补偿装置总体方案

经过负荷分析,本文重点要解决采煤机、运输机等大容量负载的无功就地补偿问题;补偿位置设在工作面配电中心移变二次侧,以减少变压器的阻抗影响,提高补偿效果;采用SVG+FC模式以降低成本,SVG支路容量为-1 200～+1 200 kVar。

2.2 补偿装置结构设计

基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置结构如图1所示。该装置采用4个隔爆箱体(启动箱、功率单元箱、电抗器箱和电容器箱)组合的结构设计,FC支路容量为300 kVar、600 kVar、900 kVar、1 200 kVar可选,容量调整简单灵活。

2.3 功率单元结构及其工作原理

功率单元采用链式结构,多个两电平H桥电路串联起来,以达到电压叠加的目的。在3.3 kV系统应用时,每相连接多个两电平逆变器模块。SVG由连接电抗器、逆变器组成,每相电路通过IGBT变流模块级联,经过连接电抗器直接接入3.3 kV电网。SVG首先通过充电电阻对直流侧电容充电至预定值,之后充电接触器闭合以短接充电电阻,充电过程结束,补偿装置并入电网开始工作;并网一段时间后,将FC投入,主控制器根据母线侧电压、电流信号计算得出需补偿的谐波电流或无功电流,并生成逆变器所需的IGBT驱动信号,控制逆变器产生与负载谐波电流或无功电流幅值相等、相位相反的补偿电流,从而实现滤除谐波或补偿无功的目的。

2.4 散热结构设计

散热设计是矿用补偿装置安全稳定运行的关键因素之一。对小容量IGBT模块的散热采用热管和强制风冷相结合的方式。IGBT模块固定在装置后部的散热基板上;温度继电器安装在每个热管的基板上,紧靠IGBT,以便有效地保护IGBT。散热机制分后部强制风冷和热管结合散热、顶部散热片散热和内部风机的均衡热量。对大容量IGBT模块可采用水冷散热方式。本文设计的补偿装置采用热管风冷技术。

2.5 主要元器件选型

为保证补偿装置的稳定性和可靠性,其主要元器件均采用国际顶级优质器件,如英飞凌公司生产的IGBT模块、西门子S7-200系列PLC、加拿大EACO公司生产的IGBT专用薄膜电容、士林电机的内熔丝高压电力电容、康拓工控的主控制器等。

3 实验室调试和工业性实验

3.1 工厂实验室调试

基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置配有3.3 kV全功率补偿试验平台。实测样机的无功功率输出范围为-1 000～1 700 kVar无级可调;对5次/7次/11次/13次谐波的补偿能力达到100 A/70 A/45 A/38 A;控制响应时间≤5 ms;投切时无暂态冲击,无合闸涌流,无电弧重燃;通过了欧洲标准的电磁兼容试验。

3.2 综采面工业运行和测试

基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置在东滩煤矿14310综采面运顺电站投入工业运行试验。

图2、图3分别为装置投运前后,后部运输机机头电动机(700/350 kW)在启动和运行2种工况下3.3 kV母线的功率因数,表1～4为实测数据。从中可看出,该装置显著提高了工作面设备启动和运行时的功率因数,使得3.3 kV母线的无功功率由213 kVar 降为20 kVar,功率因数提高到0.96;缩短了启动时间,电压、电流突变时间降至1.9 s左右;降低了启动和运行电流,使运行电流降为20～30 A;能够稳定启动和运行电压;能够有效抑制谐波,显著改善了工作面电能质量。

4 结语

基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置体积较小,移动灵活,具有友好的人机界面和自诊断功能以及Modbus串行通信功能,可实现无人值守、远程控制。工业性测试结果表明,该补偿装置响应速度快,补偿平滑准确,显著提高了工作面设备启动和运行时的功率因数,缩短了启动时间,提高了启动和运行电压的稳定性,有效抑制了谐波,并具有显著的节能效果。该装置投入运行后,按每年工作300 d、每天工作20 h计算,单电动机每年可减少有功电度约30万kW·h,经济和社会效益明显。

参考文献

[1]张学松.煤矿电能质量分析与控制[J].工矿自动化,2009(9):71-73.

[2]田广青.静止无功补偿技术与应用——第二讲静止补偿装置的类型及其工作特性(之二)[J].电工技术,1996(3):32-35.

FC+SVG动态补偿 篇6

显德汪矿随着大量大容量感性设备的投入, 功率因数远低于国家功率因数调整电费办法中0.90以上的规定, 月平均增交39.8万元无功罚款。其大功率提升设备等频繁启动引起无功冲击, 造成了电网电压波动与闪变。同时电子设备整流装置使用中产生的谐波, 造成了配电网继电保护拒动和误动以及检测、监控系统误测、误报。使配电网电能质量进一步恶化, 供电的可靠性、安全性降低。无功没有就地补偿, 大量无功功率在电网中的流动, 增加了线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。因此, 如何提高功率因数, 改善供电质量。安全供电, 经济供电成为我矿急待解决的问题。

2 调研与选型设计

为了达到较好的无功补偿效果, 保证电网供电质量。考虑系统谐波、电压波动与闪变达到国标要求, 并保证系统总功率因数达标并且系统轻载时不过补。针对无功变化较快的情况, 在现有治理方案中, 以S V G为最佳方案。S V G系统响应时间≤10 ms, 可以快速跟踪负荷的变化, 追补无功尖峰, 实现理想的实时补偿。而本身不产生谐波, 同时对电网谐波与背景谐波具备治理能力。是当今无功补偿领域较为先进的补偿装置, 技术成熟。经多方调研、论证, 决定与山东泰开电力电子有限公司合作, 对6 kV系统进行基于柔性技术的SVG静止同步动态无功集中补偿改造。

我矿35 kV变电站6 kV供电系统, 是双回路、双母线分段加联络开关辐射供电方式。正常运行方式, 合母线联络开关, 一回路运行, 一回路备用。经测算6 kV母线平均功率因数0.51, 功率因数提高到0.98需要无功功率3.4Mvar, 最终确定无功补偿容量为3.7 Mvar。为保证补偿的连续性、不间断性, 故选用SVG-6/3.7 Mvar静止动态无功补偿装置两套, 6 kV母线Ⅰ、Ⅱ段各安装一套。正常时一套运行, 一套备用。

3 SVG的工作原理

SVG-3.7 Mvar静止同步动态无功补偿装置主要由连接电抗器、控制屏、启动柜和功率柜等组成。它以三相大功率电压源型变流器为核心, 其输出电压通过电抗器接入6kv系统, 与系统侧电压保持同频、同相, 通过调节桥式电路其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量。当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功, 小于时输出感性无功。串联电抗器的主要作用是将SVG与电网连接起来, 实现能量的缓冲, 同时减少SVG输出电流的谐波含量。

4 应用效果

两套SVG-3.7Mvar静止同步动态无功补偿装置, 于2011年8月安装调试运行, 正常运行状态下补偿效果较好, 功率因数达0.98以上, 电网谐波、电压波动与闪变等电能质量经测试均符合标准要求。使用中发现存在如下几个问题, 需进一步改进。

(1) 功率柜中功率单元控制板故障率较高, 停机维护次数多, 时间长。

(2) 整套装置发热量大而通风散热效果不佳, 夏季超温停机频繁。对此我们在室内安装空调解决了此问题。

(3) 功率柜内各功率单元的IGBT工作中发热量较大, 散热采用柜顶安装大功率抽风机通过风道排出室外。由于风机抽风的原因, 将大量灰尘吸入室内和SVG功率柜, 因此, 定期更换功率柜门的防尘过滤棉, 定期清扫功率柜内功率单元上的灰尘, 经常打扫动态无功补偿室成为一项准常态工作。否则超温停机, 建议改进散热方式。

5 经济与社会效益

(1) 减少电能损失。

高压6 kV母线无功就地补偿, 降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗, 其中:主供365线路年节约线路损耗电费:补偿后流过线路电流减少量ΔI= (P/√3×U×cosφ1) - (P/√3×U×cosφ2) =8000/1.732×35×0.51-8000/1.732×35×0.98=124.1 A。线路损耗有功功率减少P损=3I2R=3×128.652×0.2345Ω/km×7.8 km/1000=90.8 kw。年节约电费:90.8×24小时×365天×0.7元/kwh=55.68万元。

(2) 减少矿电费支出。

未补偿前, 电力设备从电网吸取过多的无功电力, 没有达到无功就地平衡, 按供电局颁发《功率因数调整电费办法》, 月平均增收无功罚款39.8万元。安装无功补偿装置后每月不仅无罚款, 而且还奖励0.95~1.2万元。

(3) 减少主变压器增容投资。

我矿主变容量12500 kVA, 用电高峰期经常出现满负荷运行, 计划增容改造。无功就地补偿后, 功率因数提高, 视在功率S值相应下降。也即主供变压器实际使用容量减少, 相对容量增加了ΔS=S1-S2=P (1/cosφ1-1/cosφ2) 。变压器潜力得到充分挖掘, 节约了变压器增容一次性资金投入。同时节约了每月支付给电业部门按变压器容量收取的增容部分基本电费。

(4) 改善电压质量。

无功就地补偿平衡, 可较大幅度地减少整个网络的线路损耗压降, 改善整个网络的电压质量, 提高了电气设备的工作效率和使用寿命。对国家和矿电网经济、安全、可靠运行, 供用电设备高效运转, 节能降耗起到了重要的作用, 具有重大的社会意义和推广价值。

摘要：为了提高功率因数改善供电质量, 我矿变电站6 kV母线Ⅰ、Ⅱ段各安装一套SVG-3.7Mvar静止同步动态无功补偿装置。该装置能够提供从感性到容性连续、平滑、快速的进行无功功率补偿, 响应速度快, 不产生谐波, 而且能在补偿无功功率的同时动态补偿谐波。抑制电压波动和闪变, 平衡和稳定了电网电压。实际应用效果较好, 但存在硬件质量等问题有待进一步改进。该装置对改善配电网的电压质量, 经济供用电, 节能降耗具有重要的现实意义。