SVC自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)

毛海龍

（陽(yáng)煤集團(tuán)五礦機(jī)運(yùn)區(qū)供電隊(duì)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

隨著煤礦井下采掘機(jī)械化的發(fā)展，煤礦變電站電器設(shè)備的總?cè)萘吭谠黾?，使用功率增大，供電距離加長(zhǎng)。由于礦井用電設(shè)備多為電動(dòng)機(jī)、水泵等感性負(fù)載，在運(yùn)行中需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，造成了變電站功率因數(shù)較低，而系統(tǒng)電網(wǎng)要求用電單位功率因數(shù)不得低于0.9，否則在電費(fèi)結(jié)算時(shí)將進(jìn)行功率因數(shù)罰款，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

為了避開(kāi)高峰時(shí)期用電負(fù)荷，煤礦時(shí)常在用電高峰時(shí)間段進(jìn)行停產(chǎn)檢修作業(yè)，利用夜間加速生產(chǎn)，造成全天供電電壓波動(dòng)較大，電壓高時(shí)容易燒毀設(shè)備，電壓低時(shí)設(shè)備開(kāi)不起來(lái)，每天需要調(diào)整變壓器分頭來(lái)調(diào)整輸出電壓，以滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)電壓，在調(diào)整時(shí)，一是需要停電操作，二是調(diào)整完畢需做試驗(yàn)，浪費(fèi)停電時(shí)間及人力成本。另外，由于煤礦負(fù)荷主、副井提升及潛水泵房采用變頻軟啟動(dòng)，而變頻設(shè)備的增加造成大量的諧波電流注入電網(wǎng)，影響電能質(zhì)量，造成資源浪費(fèi)。

因此，采用新型無(wú)功功率補(bǔ)償裝置提高變電站功率因數(shù)、消除諧波、改變無(wú)功調(diào)節(jié)方式，成為變電站提高供電質(zhì)量的發(fā)展和選擇。陽(yáng)煤五礦變電站在進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，開(kāi)始對(duì)靜置型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）的采用進(jìn)行探索應(yīng)用研究，并于2015年正式投入運(yùn)行。靜置型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用有效提高了變電站功率因數(shù)，同時(shí)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(shè)中進(jìn)行了推廣應(yīng)用[1-2]。

1 SVC自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

1.1 SVC自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

基于SVC自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置TCR型具有反應(yīng)時(shí)間快、無(wú)級(jí)補(bǔ)償、運(yùn)行可靠、能分相調(diào)節(jié)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在陽(yáng)煤五礦變電站中選擇TCR型結(jié)構(gòu)的SVC系統(tǒng)。

TCR型SVC主要由TCR可調(diào)相控電抗器、FC濾波器和數(shù)字控制系統(tǒng)三大部分構(gòu)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(shè)計(jì)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(tǒng)如圖2所示，控制系統(tǒng)主要是由A/D采集系統(tǒng)、DSP運(yùn)算單元、TCR脈沖發(fā)生板、電光轉(zhuǎn)換裝置、晶閘管閥組、保護(hù)系統(tǒng)和工控機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

圖2 TCR型SVC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

可調(diào)相控電抗器（TCR）產(chǎn)生連續(xù)變化感性無(wú)功的基本原理如下頁(yè)圖3-1所示，U為交流電壓，Th1、Th2為兩個(gè)反并聯(lián)可控硅，控制這兩個(gè)可控硅在一定范圍內(nèi)導(dǎo)通，則可控制電抗器流過(guò)的電流i，i和u的基本波形如下頁(yè)圖3-2所示。α為T(mén)hl和Th2的觸發(fā)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(guò)控制電抗器L上串聯(lián)的兩只反并聯(lián)可控硅的觸發(fā)角α來(lái)控制電抗器吸收的無(wú)功功率的值。對(duì)于不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷，采用STEIN-ME1Z分相調(diào)節(jié)理論，將負(fù)荷補(bǔ)償為純有功的三相平衡系統(tǒng)。

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

圖3 TCR型SVC自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置原理圖

1.2 SVC自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)容

1）名稱(chēng)：35 kV諧波抑制及動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償SVC成套裝置。

2）數(shù)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(shù)：靜止型無(wú)功補(bǔ)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(diào)諧接線方式或高通接線方式，中性點(diǎn)通過(guò)避雷器接地，設(shè)置零序過(guò)電壓保護(hù)或中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)。

5）系統(tǒng)電壓：系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓35 kV（變壓器副邊為35.5 kV），最高長(zhǎng)期運(yùn)行電壓36 kV，母線正常電壓偏差為-7%～+10%（正常偏遠(yuǎn)范圍），額定頻率為50 Hz。

6）補(bǔ)償系統(tǒng)的11次濾波包括了11次及以上次數(shù)的諧波分量。

1.3 SVC的控制方式

采用開(kāi)、閉環(huán)結(jié)合的控制方式。開(kāi)環(huán)以滿(mǎn)足SVC控制器的響應(yīng)時(shí)間，確保系統(tǒng)對(duì)電壓波動(dòng)和閃變抑制的要求。閉環(huán)控制來(lái)調(diào)節(jié)被控TCR電流精度，以確保系統(tǒng)功率因數(shù)的穩(wěn)定。可實(shí)現(xiàn)三相同時(shí)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(wú)功控制調(diào)整目標(biāo)下，使SVC各支路斷路器、冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置和有關(guān)的安全系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，邏輯正確。

2 SVC自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)用效果

在陽(yáng)煤五礦變電站中選擇應(yīng)用TCR型結(jié)構(gòu)的SVC系統(tǒng)裝置后，變電站供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)試，10 kV進(jìn)線的各項(xiàng)指標(biāo)都在國(guó)標(biāo)允許范圍內(nèi)，電壓總畸變率從未投SVC的6.659%降低到投運(yùn)SVC后的2.888%；電壓波動(dòng)很?。还β室驍?shù)很高；諧波降到國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)；進(jìn)線電流大為降低，使變壓器、電纜、各種用電負(fù)荷得到了充分的保護(hù)?？梢?jiàn)補(bǔ)償效果良好，SVC起到了至關(guān)重要的作用。同時(shí)該TCR型SVC系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，維護(hù)量少，SVC系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中只需在電腦控制器中將功率因數(shù)值及電壓設(shè)定值設(shè)定，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整功率因數(shù)及輸出電壓[5-7]。

3 運(yùn)用該裝置后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

改造前自然功率因數(shù)為0.85，改造完成后功率因數(shù)由0.85提高到0.96，按照供電局各欄目的計(jì)算依據(jù)如下：功率因數(shù)獎(jiǎng)罰依據(jù)，功率因數(shù)每提高0.01個(gè)百分點(diǎn)按照電費(fèi)總額的0.1%進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。35 kV電壓平段大工業(yè)用電電價(jià)按照0.617 1元/kW·h，陽(yáng)煤五礦每小時(shí)用電量為1.3萬(wàn)kW·h。

全天用電量為1.3萬(wàn)kW·h×24 h=31.2萬(wàn)kW·h；月用電量為（按照平均30天計(jì)算）：30 d×31.2萬(wàn)kW·h/d=936萬(wàn)kW·h；月電費(fèi)支出為936萬(wàn)kW·h×0.6171元/kW·h=577.61萬(wàn)元；月功率因數(shù)由0.85提高到0.96獎(jiǎng)勵(lì)費(fèi)用為11×0.1%×577.61萬(wàn)元=6.354萬(wàn)元/月。年功率因數(shù)獎(jiǎng)勵(lì)費(fèi)用為6.354萬(wàn)元/月×12月=76.25萬(wàn)元。

3.2 社會(huì)效益

降低系統(tǒng)電壓波動(dòng)，提高了供電可靠性。礦井避峰調(diào)荷的實(shí)施，造成變電站在白天和夜晚的電壓波動(dòng)很大，很多變電站都超過(guò)了5%，在負(fù)荷低谷電壓過(guò)高，每天需頻繁地投切電容器組。采用SVC自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備維護(hù)次數(shù)，降低了因人員操作帶來(lái)誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。將先進(jìn)性、安全性、經(jīng)濟(jì)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(chǎn)水平。

消除了系統(tǒng)諧波，提高了供電質(zhì)量。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)在電氣設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，變頻啟動(dòng)設(shè)備在電網(wǎng)中不斷增多，在節(jié)能降耗的同時(shí)，也在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生了大量諧波，嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量。SVC系統(tǒng)中的FC濾波電容器組能有效地消除電網(wǎng)中的3、5、7、11次諧波，提高了電能質(zhì)量，減少了用戶(hù)因電壓波動(dòng)而造成設(shè)備停運(yùn)的損失。