無功補償裝置（MSVC）在煤礦供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐繼營

摘 要：隨著現(xiàn)代化礦井快速發(fā)展，機械化程度不斷提升，大功率電機及大功率變頻器等設(shè)備的大量使用，必然會使供電系統(tǒng)中需要提供大量的無功功率，無功的大量存在勢必造成電能的浪費，電費的大幅升高，同時設(shè)備運行時還會產(chǎn)生大量的諧波，嚴重污染供電系統(tǒng)，造成電能質(zhì)量嚴重下降，由于諧波的存在還會導(dǎo)致一些用電設(shè)備不能正常運轉(zhuǎn)，本文針對淮北礦業(yè)童亭煤礦大井變電所6kV電能質(zhì)量現(xiàn)狀，介紹了MSVC在該礦供電系統(tǒng)投入的必要性，MSVC的組成和控制原理，對該礦井投入MSVC設(shè)備應(yīng)用后的效果進行總結(jié)，MSVC設(shè)備的投入確實大大提高了供電系統(tǒng)功率因數(shù)，減少了企業(yè)電費的消耗，消除了諧波危害，電能質(zhì)量達到國家標準要求。

關(guān)鍵詞：MSVC；MCSR；諧波；無功補償

引言

童亭煤礦大井地面35/6kV變電所電源引自楊柳區(qū)域變電所，6kV側(cè)采用單母線分斷變壓器為分列運行。原來采用固定容量電容器進行無功補償，總?cè)萘?250KVAR。但主井電控系統(tǒng)擴能改造采用的是有源前端（AFE）整流的變頻裝置，具有較高的脈沖開關(guān)頻率，導(dǎo)致反饋到電網(wǎng)的諧波量非常大，諧波電流匯入電網(wǎng)之后干擾上級配電系統(tǒng)中所存在的電容補償部分，AFE產(chǎn)生的高頻電流與電容組形成諧振導(dǎo)致電容補償裝置無法投切，致使礦井供電系統(tǒng)功率因數(shù)下降至0.82～0.87之間，達不到國家標準要求。因此針對童亭煤礦供電系統(tǒng)存在的突出問題，需要一套即能夠快速、穩(wěn)定的補充需要的無功功率又能夠及時吸收供電系統(tǒng)的諧波的設(shè)備。

1 供電系統(tǒng)存在大量無功功率和諧波的危害

供電系統(tǒng)存在大量的無功功率會造成用供電線路大量傳輸無功，使企業(yè)電力費用大幅增加，同時造成電網(wǎng)功率因數(shù)低下，達不到電力部門對用電企業(yè)功率因數(shù)考核的要求，以上兩點都會造成企業(yè)電力成本的增加。另外沖擊性無功還會造成電網(wǎng)電壓的波動，嚴重時，會造成供電系統(tǒng)設(shè)備保護動作，特別是煤礦一類供電負荷開關(guān)動作跳閘，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。

諧波會造成供電系統(tǒng)電能污染，質(zhì)量下降，諧波電流流經(jīng)電動機、變壓器等負荷時會造成設(shè)備銅損增加，設(shè)備局部發(fā)熱、噪聲、震動增加等故障，進而設(shè)備絕緣老化加快，使用壽命縮短。諧波還會引起各種儀表、計量裝置發(fā)生故障，達不到計量精度或計量時誤差加大，甚至造成根本無法計量。諧波還會干擾各種電氣保護裝置，使各種保護裝置發(fā)生誤動作或拒動作，對設(shè)備及人身安全造成嚴重威脅。

2 無功補償裝置（MSVC）結(jié)構(gòu)和原理

無功補償裝置（MSVC）的結(jié)構(gòu)主要由MCSR部分、LC濾波補償部分及自動控制部分三部分組成。MCSR即磁控式可控并聯(lián)電抗器，通過調(diào)節(jié)電抗器內(nèi)部鐵芯的磁導(dǎo)率，來改變MCSR電抗器輸出連續(xù)可變的電感值，來抵消電容器輸出的容性無功，最終達到MSVC設(shè)備輸出需要的無功功率，實現(xiàn)穩(wěn)定并提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)的目的。控制系統(tǒng)通過檢測模塊檢測供電系統(tǒng)各種參數(shù)，然后輸入PLC內(nèi)部并根據(jù)PLC設(shè)定的程序進行運算，PLC輸出運算結(jié)果間接控制可控硅，來調(diào)節(jié)電抗器內(nèi)部自耦直流電流的大小，從而改變鐵芯的磁導(dǎo)率，控制MCSR輸出電感值。

2.1 MCSR的結(jié)構(gòu)和基本原理

MCSR運行原理是通過控制系統(tǒng)來控制可控硅導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)電抗器內(nèi)部自耦直流勵磁電流大小，通過改變電流的大小來改變電抗器鐵芯的磁導(dǎo)率，進而使MCSR設(shè)備能夠連續(xù)輸出可變的電感。基于以上原理該設(shè)備運行時，不需要額外提供勵磁電源，因此具有功耗低、反應(yīng)快的特點，因此得到廣泛的應(yīng)用。

單相磁控式可控并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)原理如上圖1所示，電抗器由4柱鐵心和繞組組成，中間兩個鐵心柱為工作鐵心，上面分別對稱地繞有主繞組N和控制繞組NK，控制繞組與主繞組電氣隔離。每一中間鐵心柱的控制繞組有抽頭比為 的抽頭，它們之間接有可控硅T1、T2；不同鐵心的上下兩個主繞組交叉連接后并聯(lián)至電源。當可控電抗器主繞組接至電源電壓時， 在可控硅T1、T2 兩端感應(yīng)出電源電壓1% 左右的電壓。電源電壓正半周觸發(fā)導(dǎo)通可控硅T1，電源電壓負半周期間觸發(fā)導(dǎo)通可控硅T2，一個工頻周期輪流導(dǎo)通T1和T2，使電抗器工作鐵心飽和，輸出電流增加。可控電抗器輸出電流大小取決于可控硅控制角α， α越小，產(chǎn)生的控制電流越強，從而電抗器工作鐵心磁飽和度越高，輸出電流越大。因此，通過改變可控硅導(dǎo)通角調(diào)節(jié)電抗器內(nèi)部自耦直流電流的大小，從而控制MCSR連續(xù)輸出需要的電感值。

勵磁單元直接從本體抽頭取電源并處理得到穩(wěn)定的直流工作電源，從控制器經(jīng)光纖傳輸過來的脈沖信號經(jīng)過電路處理，轉(zhuǎn)換成PWM脈沖信號，控制晶閘管工作。光纖的使用實現(xiàn)了高壓勵磁單元對地的電氣隔離，同時也大大增強了系統(tǒng)的抗干擾性，從而保證MCSR穩(wěn)定工作。

2.2 濾波補償裝置的原理

LC濾波器是一種無源濾波器，是利用電容、電感、電阻的組合來組成濾波電路，然后把該濾波器與供電系統(tǒng)并聯(lián)，來吸收供電系統(tǒng)內(nèi)的諧波，同時LC濾波器的電容還擔負著MSVC設(shè)備無功補償?shù)淖饔茫っ旱V采用的LC濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示，該二階高通濾波器的阻抗公式為：

根據(jù)以上公式可得濾波器阻抗Zn隨頻率變化的情況下特征曲線如圖3所示，通過曲線可看出在一定頻率范圍內(nèi)，該濾波器阻抗Zn的值較低，即針對該頻率范圍呈現(xiàn)較低的阻抗，形成對該頻率諧波的低阻抗通路，因此該頻率范圍內(nèi)的諧波電流就會被濾波器吸收，從而降低供電系統(tǒng)內(nèi)諧波量。針對童亭煤礦供電系統(tǒng)現(xiàn)狀，可對主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路，達到通過濾波器吸收童亭煤礦電網(wǎng)中存在的諧波的目的。

2.3 無功補償裝置（MSVC）系統(tǒng)的組成及控制原理

針對童亭煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量現(xiàn)狀，我們采用無功補償裝置MSVC，MSVC裝置連接到供電系統(tǒng)中，電容器提供固定的容性無功功率QC，MCSR控制器實時監(jiān)測系統(tǒng)功率檢測點的無功數(shù)值大小，根據(jù)控制器內(nèi)設(shè)定的無功定值來自動調(diào)節(jié)MCSR的輸出感性無功值QMCSR，MCSR輸出的感性無功抵消電容輸出的多余的容性無功，供電系統(tǒng)自身需要的無功值為Q，當QN=Q-QC+QMCSR=0（或等于使系統(tǒng)功率因數(shù)達標的某一值時），這樣系統(tǒng)功率因數(shù)就恒定了，讓功率因數(shù)恒定在一個符合國家標準的數(shù)值，就達到了調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)的目的[2]，下圖為童亭煤礦MSVC系統(tǒng)組成圖。

該系統(tǒng)自動模式運行時，MCSR實時檢測系統(tǒng)有功功率P、無功功率Q、功率因數(shù)cosφ及主變壓器開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)的分合狀態(tài)，根據(jù)程序設(shè)定判斷MCSR所補償I段還是II段變壓器，然后MSVC通過內(nèi)部程序控制可控硅，來調(diào)節(jié)電抗器內(nèi)部自耦直流電流的大小，控制MCSR輸出連續(xù)的電感值，最終把系統(tǒng)功率因數(shù)cosφ固定在合適數(shù)值附近，并達到國家標準要求。另外MSVC諧波吸收部分的高通濾波器能夠吸收把童亭煤礦供電系統(tǒng)大量存在的高次諧波（3、5、7），使其達到國家檢測要求的電能質(zhì)量。

3 結(jié)束語

無功補償裝置（MSVC）在淮北礦業(yè)童亭煤礦供電系統(tǒng)投入運行以來效果良好，能夠把該礦6kV供電系統(tǒng)I段功率因數(shù)固定在0.98附近，6kVII段功率因數(shù)固定在0.96附近 ，I段和II段功率因數(shù)均超過0.95，符合供電局對該礦井供電考核的要求，另外設(shè)備投入運行后，經(jīng)權(quán)威機構(gòu)檢測供電系統(tǒng)的諧波電壓、諧波電流、電壓總畸變率等電能質(zhì)量指標均達到了國家標準要求。同時該設(shè)備還具有遠程監(jiān)控功能，可以實時讀取MSVC裝置的各項在線運行參數(shù)，如電壓、電流、功率因數(shù)等信號。因此該MSVC無功補償裝置在淮北礦業(yè)童亭煤礦投入以來運行穩(wěn)定，抑制諧波電流效果明顯，大大提高了該礦井電能質(zhì)量，該設(shè)備特別在調(diào)控礦井6kV供電系統(tǒng)功率因數(shù)方面效果更加突出。

參考文獻：

[1]李常俊 . 靜止型動態(tài)無功補償裝置（SVC）補償容量的確定[J]. 鋁加工，2011，（3）.

[2]劉忠勛，馬洪渡. 淺析靜止型動態(tài)無功補償裝置（SVC）在煤礦的應(yīng)用[J]. 中國科技縱橫，2010，（7）.