淺談SCR-D拖動提升機(jī)無功補(bǔ)償和諧波的治理

朱從寬

1 背景

我公司承建某礦業(yè)3#探礦井項(xiàng)目，該豎井井筒深1458m，井筒凈直徑7.5m，采用1 臺JKZ-5 和1 臺2JKZ-5大型鑿井提升機(jī)作為人員、物料上下，2 臺提升機(jī)主電機(jī)為直流電機(jī)：額定電壓為750DCV；額定功率2000KW；均采用SCR-D（晶閘管供電）拖動方式。經(jīng)用HIOKI 3197 電能質(zhì)量分析儀現(xiàn)場測試：提升機(jī)啟動時功率因數(shù)很低，僅在0.1～0.2，隨著井筒深度的不斷延伸，功率因數(shù)有所提高，在額定速度運(yùn)行階段，但也僅能達(dá)到0.7 左右；由于SCR-D 采用相位控制方式調(diào)節(jié)電壓或電流，使電網(wǎng)正弦電壓波形受到切割，并由此產(chǎn)生諧波電流，導(dǎo)致供電電網(wǎng)電壓波形畸變，測得特定次的諧波電流超出《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)中的允許值。針對普通接觸器投切電容器補(bǔ)償投切速度慢，無法跟蹤提升機(jī)負(fù)荷的快速變化，導(dǎo)致無功過補(bǔ)和欠補(bǔ)嚴(yán)重，同時也不能抑制特定次諧波等問題。因此，對SCR-D傳動方式提升機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償和諧波治理，對于提高礦井提升機(jī)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)效益意義巨大?？紤]是兩套獨(dú)立的SCR-D 傳動裝置，采用高壓側(cè)集中無功補(bǔ)償和諧波治理較為合理，本案例引用的方案是一套3000kvar 高壓靜止同步無功補(bǔ)償裝置（SVG+FC）[1]。

2 方案

由于SCR-D 拖動采用移相控制方式調(diào)節(jié)電壓或電流，從而使正弦電壓波形受到切割，由此產(chǎn)生諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變。提升機(jī)屬于短時重復(fù)工作制的負(fù)荷，啟動頻繁，尤其對于SCR-D 拖動的提升機(jī)，啟動無功沖擊更大，引起電網(wǎng)電壓發(fā)生波動更加明顯，且在整個運(yùn)行期間功率因數(shù)偏低（一般在0.01～0.7），綜上所述，SCR-D 拖動提升機(jī)對電網(wǎng)的安全運(yùn)行不利影響主要表現(xiàn)在：諧波電流；平均功率因數(shù)低；起動無功沖擊大。

為了解決上述問題，項(xiàng)目現(xiàn)場引入了一套高壓靜止同步無功補(bǔ)償及濾波裝置（SVG+FC），該方案見圖1的系統(tǒng)連接方式。

圖1 系統(tǒng)連接方式

3 測試與評估

該套高壓靜止同步無功補(bǔ)償裝置（SVG+FC）安裝完畢后，我們用HIOKI 3197 電能質(zhì)量分析儀，對無功補(bǔ)償裝置投入前后進(jìn)行了現(xiàn)場測試評估。

3.1 系統(tǒng)頻率

無功補(bǔ)償投入前后，10kV 母線系統(tǒng)頻率最大值為50.07Hz，最小值為49.95Hz。均滿足電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值允許值為±0.2Hz 國標(biāo)要求。

3.2 供電電壓偏差

無功補(bǔ)償投入前后，電壓有效值最大值為10.50kV，最小值為10.24kV。系統(tǒng)供電電壓偏高，供電電壓偏差未超出10kV及以下三相供電電壓偏差為額定電壓的±7%的國標(biāo)要求。

3.3 電壓總諧波畸變率THDu

無功補(bǔ)償投入前，電壓總畸變率最大值為10.5%；無功補(bǔ)償投入后，電壓總畸變率最大值為3.4%，電壓總諧波畸變率滿足GB/T 14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，未超過國標(biāo)規(guī)定4%的限值。

3.4 諧波電流

無功補(bǔ)償投入前，11 次諧波電流為8.9A，13 次的諧波電流為7.9A；無功補(bǔ)償投入后，11 次諧波電流為5.2A，13次的諧波電流為4.0A，諧波電流允許值滿足《GB/T 14549-1993 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，電流總諧波畸變率THDi 為2.8%，未超過國標(biāo)規(guī)定3%的限值。

3.5 功率因數(shù)補(bǔ)償

通過以上無功補(bǔ)償投入前、后的趨勢數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論。

未補(bǔ)償前：平均無功功率約1.6Mvar（趨勢數(shù)據(jù)），功率因數(shù)0.585（截屏數(shù)據(jù)），功率因數(shù)為變動的。

補(bǔ)償后負(fù)荷輕載時：功率因數(shù)在0.92～0.96 波動。

補(bǔ)償后負(fù)荷周期性工作時：平均有功功率約0.9MW（趨勢數(shù)據(jù)），平均無功功率約0.3Mvar（趨勢數(shù)據(jù)），則計(jì)算得出平均功率因數(shù)為0.95。SVG 裝置控制系統(tǒng)及10kV 進(jìn)線保護(hù)裝置上均顯示SVG 裝置投入后補(bǔ)償功率因數(shù)0.97 以上。附現(xiàn)場照片見圖2、圖3。

圖2 0kv 進(jìn)線柜微機(jī)保護(hù)屏

圖3 給SVG 饋電柜微機(jī)保護(hù)屏

動態(tài)響應(yīng)速度快，相應(yīng)時間可以達(dá)到5m/s，能迅速跟蹤補(bǔ)償負(fù)荷變化，能將功率因數(shù)一直維持在較高值，并解決無功沖擊帶來的一系列供電質(zhì)量問題[2]。

4 結(jié)語

采用高壓靜止同步無功補(bǔ)償裝置（SVG+FC）后，在動態(tài)抑制特定次諧波、提高功率因數(shù)和補(bǔ)償電網(wǎng)電壓跌落與閃變?nèi)矫婢l(fā)揮積極的作用。該裝置自身幾乎不產(chǎn)生諧波，不會對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波污染，一次解決諧波和無功問題，達(dá)到預(yù)計(jì)的無功補(bǔ)償、諧波治理效果，改善了礦建施工企業(yè)的電能質(zhì)量，在對SCR-D 傳動提升機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理過程中，該補(bǔ)償方式極具借鑒。同時，該套補(bǔ)償裝置采用預(yù)裝箱箱式設(shè)計(jì)，便于轉(zhuǎn)場，對于經(jīng)常更換作業(yè)地點(diǎn)的施工企業(yè)來說也極為有利。