礦井電網動態無功補償式及諧波治理的研究

湯占賀

摘 要：隨著大功率晶閘管整流裝置的普遍使用，非線性負載的增加，在我國的大型礦井供電系統中諧波含量已嚴重超限，諧波危害已成了安全供電的威脅，力率偏低造成大量能耗浪費。該文就東灘煤礦諧波污染治理及提高供電力率，節能實踐進行了論述，對礦井供電節能及設備安全運行具有重要意義。

關鍵詞：動態無功補償；諧波治理

姚橋煤礦現有主井、東二風井、西風井35/6KV變配電系統，均為35kV、6kV各兩段供電系統。隨著我礦機電設備改造的進行，現代電力電子設備等非線性負荷大量接入電網，使電網供電質量受到嚴重影響，其中新、老井四臺直流絞車及電子開關器件的大量應用和負載的頻繁波動是最主要的干擾源，造成功率因數低，增加電網損耗，加大生產成本，降低生產率；產生的無功沖擊引起電網電壓降、電壓波動及閃變，嚴重導致傳動裝置及保護裝置無法正常工作甚至停產；產生高次諧波電流，導致電網電壓畸變，是電網的“隱形殺手”；導致電網三相不平衡，產生負序電流使電機轉子發生振動。最為典型的例子就是我礦主井35KV變電所的原1、2#主變使用了十來年就存在嚴重隱患而縮短了使用壽命，最主要的原因就是諧波的危害。

目前，治理諧波的主要手段就是采用高壓電網動態無功補償及諧波控制裝置（以下稱之為SVG）。采用SVG可以快速精確地進行無功補償和礦井諧波治理，在穩定母線電壓、提高功率因數的同時，可以徹底解決無功倒送和高次諧波的問題。

1 SVG系統主要內容、目標及關鍵技術

1.1 主要內容

SVG系統包括全數字控制系統，可實時計算電網無功控制晶閘管觸發角大小，進而控制補償無功量的大小；高壓晶閘管變流裝置，可接受來自控制系統的信號，改變晶閘管觸發角的大小，產生相應的無功補償電流；補償電抗器，可通過晶閘管的電流流經補償電抗器時，產生系統所需的感性無功，用于平衡系統無功，保持穩定的母線電壓和功率因數；高次諧波濾波裝置，可用于消除流經系統的高次諧波，向系統提供容性無功，提高功率因數。

1.2 目標

消除無功沖擊，濾除高次諧波，提高電網質量。

1.3 關鍵技術

安裝SVG系統，利用原有的電容器提供固定的容性無功QC，補償電抗器通過的電流決定了補償電抗器輸出感性無功QTCR的大小，感性無功和容性無功相抵消，只要能做到系統無功QN=QV-QC+QTCR=常數（或0），則能實現電網功率因數=常數，電壓幾乎不波動。關鍵是準確控制晶閘管的觸發角，得到所需的流過補償電抗器的電流，晶閘管變流裝置和控制系統能夠實現這個功能，采集母線的無功電流值和電壓值，合成無功值，和所設定的恒無功值（可能是0）進行比較，計算得觸發角大小，通過晶閘管觸發裝置，使晶閘管流過所需電流。對于不對稱負荷，利用steinmets理論實現分相調節，消除負序電流，平衡三相電網。

2 SVG系統效能分析

2.1 線損減少產生的經濟效益分析

6kV側無功補償經濟當量取0.090（6kV）。則補償設備SVG投運后相當于減少的無功總量：2×6000kVar=12000kVar；實際的無功需求為波動狀態，且不可能時刻處于滿負荷狀態，無功補償平均系數按50%計算。折合成補償相對于節省的有功能量：12000kVar×50%×0.090kW/kVar =540kW

6kV補償系統設計方案為動態無功補償SVG，可起到動態補償的效果，跟蹤系統無功變化使功率因數穩定在0.99以上。動態無功補償設備始終投運在電力系統中，每年投運時間為：24h/d×30d/m×12m/y×1y = 8640h；檢修時間，每年按照60天計算，為1440h。則實際運行時間：T = 8640h-1440h=7200 h

動態無功補償系統投運后，每年可減少損耗為：7200h×540kW = 3，888，000kW·h；按照動力電的平均費率0.40元/kW·h計算，每年在損耗這一方面可減少的經濟損失為：3，888，000kW·h×0.40元/kW·h =1，555，200元=155.52萬元。即通過動態無功補償，預計每年線損節約收益不低于155萬元。

2.2 SVG運行損耗分析

SVG成套裝置的運行損耗主要為連接電抗器和SVG換流閥損耗。在該項目中，設備為2套6MVar SVG，單套設備各部分額定損耗分別計算如下：①連接電抗器損耗：由電抗器廠家提供數據可知，該型號單臺連接電抗器負載損耗4.9kW，3臺共14.7kW；②換流閥損耗：SVG換流閥每個模塊按2.3kW，每套SVG共計24個模塊，損耗共約55.2kW，每個風機損耗按1.1kW計算，4個風機損耗共約4.4kW，滿載時損耗共約59.6kW，空載時候損耗可忽略，且損耗與輸出容量成正比。

若成套裝置運行在滿無功狀態下，單套成套裝置總損耗約為：14.7+59.6=74.3kW；事實上，SVG不可能一直處于滿載運行狀態。平均輸出容量按照50%計，單機平均損耗小于裝置額定容量的0.8%。每年投運時間按7200h計算，則SVG每年損耗為：2×74.3kW×50%×7200h =524960kW·h；電價按照0.40元/kW·h計算，則每年花費為：524960kW·h×0.40元/kW·h =213984元≈21.4萬元；那么，每年可見的直接經濟收益為：155.52 -21.4=134.12萬元。

3 結語

SVG系統完成后可達到國際同期先進水平，應用前景很廣。可使電網純凈，提高功率因數，減小生產成本，為企業節能降耗做出貢獻；從社會效益看，能減小設備損耗，減少因電力設備絕緣老化而造成的電力事故，減小觸電危險，達到安全生產的目的。