高压动态无功补偿装置在煤矿上的应用

1 引言

在煤矿井下供配电系统中广泛存在大量的感性负荷，如三相异步电动机和变压器，这些感性负荷在配电系统中会消耗大量的无功功率，降低系统的功率因素，造成线路电压损失加大和电能损耗增加。此外，对于一些冲击性无功负荷，还会产生剧烈的电压波动，使电网的供电质量恶化，造成电机启动困难或频繁烧毁，特别是在大功率电动机使用上表现尤为明显。另外，因无功电流的增大会引起供电线路、用电设备绝缘下降，老化，易造成漏电、短路等故障。随着现代化矿井快速发展，机械化程度不断提升，大功率电机大量使用，普通应用电子原件产品，各种感性负荷及用电设备与地面电网供电电源之间必然循环着大量无功功率，同时产生各类谐波，造成供电质量恶化和电能严重浪费，直接影响电网及用电设备正常。

采用无功补偿后具有如下意义：

（1）降低无功损耗，减少电能浪费

采用补偿后，系统功率因数提高，使变压器及供电线路中电流下降，降低了无功损耗，达到节能降耗的目的。

（2）提高功率因数

用容性无功电流就近实时抵消负荷产生的感性无功电流，达到提高井下供电系统功率因数的目的。

（3）治理谐波，净化井下电网

各补偿支路具备限制涌流，治理谐波的功能，达到装置内电气元件安全运行和净化井下电网的目的。

（4）提高了供电系统的利用率

井下用电设备与地面电源之间存在大量往复循环的无功功率，这些无功功率必然占用供电系统许多容量，造成供电线路带负荷能力下降，井下变压器容量利用率下降，各级控制开关带载能力下降，加装无功补偿后，使井下变压器视在功率接近于有功功率，有效提高了视在功率利用率，供电线路及各级控制开关因减少了无功电流，大大提高了承载能力。

（5）稳定电网电压

井下感性负荷大量产生无功功率，必然导致供电系统电网电压波动。无功功率大，电网电压波动幅度大，无功量变化频率快，电网电压波动频率随之加快。安装使用无功补偿后，将大部分无功功率就近补偿，势必导致供电网无功功率显著减少，减小了电网电压及井下变压器二次电压波动范围。

（6）减少电气事故率，延长设备使用寿命。

变压器、供电线路、各级控制保护开关及供电系统所有主回路连接点的温升与流过该系统的视在电流成正比，视在电流大，必然导致温度升高快，温度超越绝缘强度后，势必引起老化、接地、放电、弧光短路等各类事故，甚至引起漏电伤人，导致设备寿命缩短，维修工作量加大，增加维修资金支出，缩短设备更新周期，增加设备投资费用。经无功补偿后，系统视在电流下降30％左右，所有电气设备承受实际电流减小，减少了因电流大造成各类电气事故的几率，事故率下降必然提高设备的开机率，减少事故处理时间必然增加正常生产时间。总之，安装补偿达到了减少费用，节约投资，减少事故，增产增效的目的。

2 静止无功发生器技术

无功补偿技术的发展经历了从同步调相机→开关投切固定电容→动态投切电容器（SVC）→无功发生器（SVG）的过程。静止无功补偿器（SVG，又称STATCOM)采用了全控型开关器件（如IGBT），所以其动态补偿效果是早期的同步调相机、电容器等无功补偿装置不能比拟的。静止无功发生器以其较低的谐波，较高的效率，较快速的动态响应，将成为输电系统中的重要设备。

传统补偿谐波和无功的一种方法是装设无源滤波器，通常由电力电容器、电抗器和电阻器串并联组合而成，该方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率。目前我国常用的无功调节设备仍为机械式并联电抗器、投切电容器，这些静止型调压手段，因调节不连续、响应速度慢，很难满足系统运行方式快速变化时的需求。另一种补偿装置SVC，响应速度相比电容器速度快，但对电网来说仍呈阻抗特性，在电压低时，无法提供系统所需的无功支持，应付电网异常的能力较弱；由于SVC会对系统中的某些特征谐波放大，有时必须装设滤波器，占地面积较大；过多的SVC装置容易引发系统振荡。高压动态无功补偿装置SVG则是较为有效的调压手段，它的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可从感性到容性全范围内连续调节。

3 新风光公司高压动态补偿系统(FGSVG)

FGSVG系列产品采用现代电力电子、自动化、微电子及网络通讯等技术，采用先进的瞬时无功功率理论和给予同步坐标变换的功率解耦算法，以设定的无功性质及大小、功率因数、电网电压为控制目标运行，动态的跟踪电网电能质量变化调节无功输出，并能实现曲线设定运行，提升电网质量。

3.1 FGSVG系列产品特点：

FGSVG系列产品为满足用户对提高输配电网络的功率因数、治理谐波、补偿负序电流的迫切需要，做出相应设计，具有以下特点：

（1）模块化设计，安装、调试、设定方便。

（2）动态响应速度快，响应时间≤5ms。

（3）在补偿容量足够的前提下，输出电流谐波(THD)≤3%。

（4）多种运行模式极大的满足用户需求，运行模式有：恒装置无功功率模式、恒考核点无功功率模式、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、恒考核点无功功率模式2,目标值可实时更改。

（5）实时跟踪负荷变化，动态连续平滑补偿无功功率，提高系统的功率因数，实时治理谐波，补偿负序电流，提高电网供电质量。

（6）抑制电压闪变，改善电压质量，稳定系统电压。

（7）FGSVG电路参数精心设计，发热量小，效率高，运行成本低。

（8）设备结构紧凑，占地面积小。

（9）主电路采用IGBT组成的H桥功率单元串联结构，每组由多个相同的功率单元组成，整机输出由PWM波形叠加而成的阶梯波，逼近正弦，经输出电抗器滤波后正弦度好。

（10）FGSVG采用冗余性设计和模块化设计，满足系统高可靠性的要求。

（11）功率电路模块化设计，维护简单，互换性好。

（12）保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、光纤通讯故障、单元过热、不均压等保护，并能实现故障瞬间的波形录制，便于确定故障点，易维护，运行可靠性高。

（13）人机界面友好显示，对外通讯提供了RS485、以太网等接口，采用标准MODBUS通讯协议。除具有实时数字量及模拟量的显示、运行历史事件记录、历史曲线记录查询、单元状态监控、系统信息查询、历史故障查询等功能外，还具有送电后系统自检、一键开停机、分时控制、示波器（AD通道强制录波）、故障瞬间电压/电流波形记录等特色功能。

（14）FGSVG设计包含与FC配合使用的接口，实现定补和动补的有效结合，为用户提供更经济、更灵活的方案。

（15）投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无电弧重燃，无需放电即可再投。

（16）与系统连接时，不需要考虑交流系统相序，连接方便。

（17）可并联安装，极易扩展容量。并机运行使用光纤通讯，通讯速度快，能够完好的满足实时补偿的要求。

3.2 FGSVG原理

在交流电路中，电压和电流的相位有三种情况，当负载是纯电阻特性时，电压和电流相位相同；当负载是（或含有）电感特性时，电压相位超前电流相位；当负载是（或含有）容性特性时，电压相位滞后电流相位。

图1 原理示意图

如图1所示，基本原理就是将自换相桥式电路通过变压器或者电抗器并联在电网上，适当地调节桥式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就可以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，如表1所示。

表1SVG运行模式原理示意图

3.3 系统结构

FGSVG系统主电路结构如图2所示:

图2系统主电路结构图

4 煤矿应用案例

某煤矿矿井供电系统采用10kV双回路供电，主供线路来自新玉35kV变电站10kV出线，备用线路来自自备电厂35kV直供站10kV直新线。井下中央变电所安装KBSG-630/10变压器两台，供电电压660V，其供电系统如图3所示。

图3某煤矿供电系统

为了对电网进行无功补偿，该煤矿采用新风光公司生产的2套FGSVG-C3.0/10，其中一套挂在1号电容柜，取玉基线和直新线的CT电流信号并在10kV一段母线进行无功补偿；另外一套挂在2号电容柜，取玉矿线电流信号并于10kV母线2段进行无功补偿。

该SVG工程成功投运之后效果明显，采集装机前后的数据记录如图4所示。

图4

图4为记录的玉矿线SVG投运前功率因数，有图4可以看出未投运SVG，功率因数为0.83左右，对电网的稳定性不利。

图5

图5左半部分为SVG投运后玉矿线功率因数曲线，可以看出投运无功补偿后功率因数达到1，右半部分是SVG未投运功率因数曲线，可以看出退出SVG无功补偿装置后，功率因数仅为0.84，由此可以看出SVG对改善功率因数有很好的效果。

图6

图6是记录10kV2段玉矿线进线柜的无功值，有图6可以看出进线上无功值可以达到450kvar，且波动较大，此时无功值较大会增加线路的损耗，降低线路的供电能力。

图7

图7左半部分为SVG未投运时系统无功值，最大可以到0.45Mvar，且波动较大，右半部分为SVG投运后系统无功值，可以看出无功补偿投运后系统的无功值近乎为0，且波动较小，由此可以看出SVG对补偿系统无功，提高线路供电能力有显著地效果。

图8

图8是记录的10kv1段直新线上的SVG投运前后系统的功率因数曲线，左半部分是投运前，可以看出功率因数较低，波动较大；右半部分为SVG投运后的功率因数，可以看出功率因数为1，可见SVG对改善功率因数效果显著。

图9

图9是记录的10kV1段直新线SVG投运前后系统的无功值，左半部分为SVG未投运时系统的无功值，可以看出系统无功值波动较大，且最大值到了1.25Mvar；右半部分是SVG投运后系统的无功值，可以看出无功值近乎为0，较小，且波动较小，由此可以看出SVG对补偿系统无功效果显著。

以上图片及说明为记录10kV1段（直新线）（玉基线维修，未投运，未测量）、10kV2段SVG投运前后系统上的无功值与功率因数，有以上可以看出SVG并在1段、2段电网，对改善系统功率因数、补偿系统无功、提高线路供电质量有显著的效果，值得推广。

5 结论

新风光公司高压动态无功补偿装置（SVG）作为高压动态无功补偿领域的最新技术与其他无功补偿装置相比具有调节速度快、运行范围宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低、所用电容器和电抗器容量和体积大为降低等优点。

该装置对煤矿功率因数的改善起到了明显的作用。能够长时间稳定无自身故障的运行也体现了该SVG对煤矿电网的强适应力。同时可以看到SVG装置对于改善煤矿电网特性，提高电网稳定性发挥了积极的作用，值得在电力系统大力推广。