SVG動態無功補償及諧波治理研究

陳鵬飛

（河南崤函電力供應有限責任公司，河南 義馬 472300）

0 引 言

煤礦生產對供電系統的安全可靠性要求非常高。目前，煤礦生產規模不斷擴大，礦井用電量不斷增加，對供電系統的“節能”方面提出了更高要求。電力系統的電壓和無功，是保證系統安全可靠運行、降低有功網損及提高電能質量的重要部分。電壓是衡量電網電能質量的重要指標之一，電壓質量不僅影響電力用戶的正常用電，而且影響整個系統的安全穩定運行。無功不足將會導致電壓下降。供電系統中，電壓不穩，經常波動，不僅對電氣設備性能造成較大影響，而且影響整個供電系統的安全可靠運行，嚴重時引發系統崩潰，導致大范圍停電事故。供電系統的諧波電流也會影響電氣設備的安全運行，并嚴重影響礦區安全生產，可能造成較大的經濟損失。因此，無功補償和諧波治理已經成為目前供電系統中最為重要的任務[1]。

1 無功補償的優缺點

與晶閘管控制電抗器TCR和磁閥控制電抗器MCR相比，SVG具有明顯的性能優勢。

（1）由于SVG采用大功率可關斷電力電子器件（IGBT），可連續調節無功輸出，并做到快速動態響應，只要滿足補償容量要求，就能最大限度滿足功率因數補償要求，做到任意時刻功率因數均接近1.0，并且無過補償問題。

（2）對于補償容量，一般TCR型裝置和MCR型裝置需要配置與FC等容量的無功功率。例如，20 Mvar的FC回路需要配置20 Mvar的TCR裝置或MCR裝置，才能得到0～20 Mvar的無功調節范圍。但如果采用SVG補償方式，只需要配置10 Mvar的FC回路和10 Mvar的SVG裝置，就能得到同樣的調節范圍，所以SVG裝置的運行損耗比TCR/MCR型裝置小一半。

（3）SVG裝置不含大容量高壓電容和電感等儲能元件，可進一步降低裝置的運行損耗，同時SVG裝置的占地面積要小于TCR/MCR型裝置，使運行經濟性進一步提升。

（4）這種新型的電力電子器件IGBT，開通和關斷是在微秒數量級內完成的，且關斷可控，因此它比相控晶閘管閥/可控磁控電抗器類補償裝置的響應速度快，非常有利于抑制電壓波動和閃變。

圖1為閃變改善率與補償率之間的關系曲線。

圖1 閃變改善率、補償率與響應時間的關系曲線

（5）諧波治理功能。與MCR/TCR型SVC補償裝置相比，SVG裝置由于開通、關斷時間很短，裝置輸出電流接近正弦波，諧波含量低，本身運行不需要配備濾波器。而TCR型SVC，它的無功輸出電流受觸發角α控制，諧波含量很高，特別是MCR型SVC運行中會產生大量的3次、5次及7次等諧波電流，必須配備濾波器組，以濾除諧波，增加了濾波器的成本。此外，SVG本身還具有13次以下諧波的濾波功能，只要容量合適，并與FC無源濾波器協調運行，就可抑制負載產生的諧波電流，達到改善電網電壓的畸變率的目的。

（6）可靠性高，維護量小。滿足IGBT功率模塊N-1運行方式（熱備用）。即串聯的、用IGBT功率模塊組成的SVG閥在每相有一處故障模塊時，可自動切換旁路保持正常運行，大大提高了SVG的可靠程度。同時IGBT功率模塊采取模塊化設計，減少了安裝和調試的工作量，基本達到免維護。

（7）MCR因為工作在磁飽和區，噪音很大（70 dB）。

（8）SVG用于電壓控制時比MCR/TCR更有優勢。系統電壓越低，越需要動態無功支撐系統電壓。SVG輸出無功電流與系統電壓沒有關系，可以看作是一個可控恒流源；而系統電壓越低，TCR、MCR輸出無功電流的能力越下降。

2 具體實施方案分析

崤函電力公司前身為義煤公司供電分公司，義煤供電系統是從20世紀60年代逐步發展和形成35 kV供電網絡。通過多年發展，共有110 kV變電站2座，35 kV變電站13座，35 kV供電線路28條，長度約360 km，供電設備容量316 MVA。目前，義煤供電系統大致可分為中、東、西三個獨立供電網絡[2]。

2.1 中部供電網絡

中部供電區以110 kV中心站為中心，由35 kV礦區站、灣子站、西風井站、耿村站、楊村站及燕溝站承擔著常村礦、躍進礦、千秋礦、耿村礦及楊村礦等義煤公司主力礦井和義煤公司總部、總醫院及南車重機等重要部門的生產生活用電。其中，35 kV礦區站、灣子站、耿村站、楊村站及燕溝站使用的無功補償裝置是并聯電容器。35 kV西風井站使用的是晶閘管的靜止無功補償裝置，簡稱SVC。

2.2 西部供電網絡

義煤西部電網由張村、觀音堂及石壕等3座35 kV變電站和觀音堂12+2×6 MW矸石電廠組成環網，通過杜觀線、Ⅰ杜張線及Ⅱ杜張線連接到杜家變電站，主供西部礦區的觀音堂、石壕礦以及義翔鋁業公司等單位用電。經過近幾年的發展規劃，在35 kV石壕站增加了35 kV李石線間隔，實現了兩個來自不同系統的雙電源環網供電方式，基本滿足了目前義翔鋁業公司、觀音堂礦及石壕礦的用電。其中，35 kV張村站和35 kV觀音堂站使用的無功補償裝置是并聯電容器，35 kV石壕站使用的無功補償裝置是靜止無功發生器，即SVG。

2.3 東部供電網絡

東部供電區共有35 kV變電站4座，即新義站、新安站、孟津站及云夢站，承擔著新義礦、新安礦及孟津礦的用電。35 kV的新義、新安、孟津及云夢4站使用的是晶閘管的靜止無功補償裝置，簡稱SVC。

2.4 現有無功補償的更新換代的緊迫性

隨著礦井生產能力的不斷提高，煤礦不斷對供電系統進行優化改造，由于沒有整體規劃，致使煤礦電網結構復雜、不合理，存在不少安全隱患。各35 kV變電所中無功補償裝置主要采用固定式并聯電容補償，運行中補償電容隨著負荷變化經常出現過補、欠補現象，導致功率因數降低。變電站值班員就需要的投切電容器來控制功率因數，往往因為絞車等高負荷設備啟停時不能線性跟蹤無功補償裝置，使得平均功率因數降低，且產生大量諧波。

SVG動態無功補償和諧波治理裝置是繼固定電容器補償裝置（第一代）、TCR型和MCR型動態無功補償裝置（第二代）之后的第三代動態無功補償和諧波濾波裝置。本課題主要以35 kV石壕站為研究對象，從源頭治理負載運行產生的諧波，全面提升35 kV石壕站整個配電系統的電能質量。以企業消除諧波危害、凈化電能污染、優化電能質量、降低電能消耗及確保節能增效為綜合目標。

35 kV石壕站共有兩臺型號容量為SZ11-8 000/35，高低壓變比分別為400/5、2 000/5的動力變壓器，負載負荷主要為石壕煤礦井下風機、絞車及潛水泵等。由于啟動電流較大，礦井為節約成本均使用較為普遍的變頻設備啟動。變頻設備為典型的諧波源負載，正常生產運行時產生大量的諧波匯入35 kV石壕站6 kV配電系統，經過疊加后進一步進入35 kV高壓母線，對電力設備產生危害。2012年5月11日石壕站35 kV北PT B相爆裂，2013年2月5日石壕站35 kV南PT燒毀一支，2013年10月11日石壕站35 kV北PT B相和C相分別爆裂和燒毀。西風井站35 kV電壓互感器也頻繁發生燒毀和爆裂等故障。因此，隨著諧波總畸變率超標，電力電子元件故障率也隨之加大。

為了保證礦井供電系統的安全運行，崤函電力公司在35 kV石壕站安裝了兩套SVG動態無功補償裝置。該裝置能動態跟蹤電網電能質量變化，可動態調節無功輸出，實現變電站在任意負荷下的高功率因數運行。

3 效益分析

3.1 線損節約收益分析

有功電能或無功電能都是靠不同電壓等級的線路輸送的。輸送電能的過程中，線路上都有功率損耗。配網的無功補償經濟效益非常明顯，節能降損潛力巨大。由于無功補償經濟效益分析涉及內容多，計算復雜，為簡化計算程序，采用無功補償經濟當量來計算無功補償的經濟效益，即每安裝1 kvar的補償電容，相當于降低了多少千瓦的有功損耗。查詢有關資料可知，各種電壓等級的無功補償經濟當量和該用戶補償后的降損功率如表1所示。

表1 各電壓等級下的無功補償經濟當量

本項目中無功補償經濟當量取0.090（6 kV）。則補償設備SVG投運后相當于減少的無功總量為6 Mvar=6 000 kvar。

實際負荷運行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為6 000 kvar×50%×0.090 kW/kvar=270 kW。

6 kV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0.95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24 h/d×30 d/m×12 m/y×1y= 8 640 h。

檢修時間，每年按照50天計算，為1 200 h；則實際運行時間為T=8 640 h-1 200 h=7 440 h。

動態無功補償系統投運后，每年可減少損耗為7 440h×270 kW=2 008 800 kW·h。

按照一般大工業用電費率0.61元/kW·h計算，每年在損耗這一方面可減少的經濟損失為2 008 800 kW·h×0.61元/kW·h=1 225 368元=125.37萬元。

即通過動態無功補償，預計每年線損節約收益不低于125萬元。

3.2 運行經濟效益

35 kV石壕站帶石壕煤礦負荷，總有功為6 000 kW。通過投用SVG型動態無功補償裝置，考核點的功率因數從0.87提高到0.97，若石壕煤礦主、副井連續生產，每年扣除50天的檢修時間，則節省用電罰款為7 440 h×6 000 kW×0.61元/KW·h×2.5%=68.08萬元。用電獎勵為7 440 h×6 000 kW×0.61元/KW·h×0.75%=20.42萬元

按以上工程估算，使用電罰款變為用電獎勵，減去各類不可預見損耗，每年直接經濟收益應不少于90萬元。

4 結 論

根據煤礦負荷波動范圍大、背景諧波大及安全性要求高等特點，6 kV系統的基于鏈式SVG的動態無功補償裝置，完美滿足了煤礦變電站的無功補償需要，即解決了煤礦供電系統功率因數低和電壓波動大等電能質量問題，又很好地改善了電網諧波對設備的影響。裝置具有運行安全可靠性高、諧波特性好及占地面積小等突出優點，是煤礦用電系統無功補償與諧波治理的最佳選擇。