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无功补偿及谐波治理装置在煤矿的应用
2017-05-25 11:15:09  作者:  来源:中国设计师网  
  •   济宁市范围内的一些煤矿针对矿井电力系统无功补偿及谐波的状况进行研究,从多个方面提出治理措施并进行实施,明显改善电网的供电质量,有效地保障矿井电力系统的安全、优质运行。

  兖矿集团设计研究院 李剑峰

  1 引言

  随着矿井生产规模的日益扩大,开采深度的不断延伸,生产设备的容量逐步提高,现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网,使矿井电网供电质量特别是矿井井下电网受到严重影响。一旦出现供电中断,将造成矿井生产系统瘫痪,严重威胁矿井及人身安全。位于山东省济宁市范围内的一些煤矿针对矿井电力系统无功补偿与谐波治理状况进行研究,从多个方面提出治理措施并进行实施,明显改善了电网的供电质量,有效地保障了矿井电力系统的安全、优质运行。

  2 基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置的研究

  随着我国煤矿井下工作面单产能力的不断提高,设备的容量也不断增加。在大型综采工作面实现动态就地无功补偿,对煤矿企业保证生产、稳定产量、节能降耗具有重要的意义。兖州矿业(集团)有限责任公司实行以SVG技术为核心的无功补偿技术路线。运行结果表明,基于SVG的矿用3.3kV静止动态无功动态补偿装置响应速度快、补偿平滑准确、显著提高工作面设备启动和运行时的功率因数、缩短启动时间、增大启动和运行电压的稳定性、有效抑制谐波,并且具有显著的节能效果。

  (1)技术路线选择

  ①国内外无功动态补偿技术现状分析。目前,性能可靠、应用较广泛的无功补偿技术主要有同步调相机(SC)、机械式分组投切电容器(MSC)、静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器(SVG)等。SC一般用于电力系统枢纽变电站的集中补偿,响应速度慢、造价高、运行维护复杂,而且不容易制造成防爆电器,不适合在煤矿井下使用。

  a.静止无功补偿器(SVC)。SVC一般有晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)、磁阀式可控电抗器(MCR)、晶闸管控制电抗器(TCR)等形式。其中,TCR+固定电容器组(FC)型SVC最为普遍,性能最优。它利用可关断的大功率电力电子器件组成自换相桥式电路,通过调节电路交流侧的输出电压幅值和相位或者直接控制其交流侧的电流,使此电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。但是,这类SVC只能提供容性无功,电压支撑能力比较差;TCR产生较大的谐波,必须配备相应的滤波电路,结构比较复杂。

  b.机械式分组投切电容器(MSC)。MSC技术采用分级固定容量的补偿方法,无法动态跟踪负载的无功变化,不适应煤矿生产装备起停频繁、负荷变化大的特点;而且,有触点开关的频繁投切电抗器和电容器容易产生电火花,不容易满足防爆的要求。

  c.静止无功发生器(SVG)。SVG是无功补偿的重要发展方向。从本质上讲,SVG等效为大小连续调节的电容器或者电抗器,是当前技术条件下最理想的无功补偿方式。

  ②静止无功发生器(SVG)适于煤矿井下的工况特点。SVG不是采用大容量电抗器、电容器组成补偿和滤波元件,而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量交换,体积小、单位体积功率密度高、方便移动,适合在煤矿井下使用;运行损耗小,仅为同容量TCR型SVC约25%,温升低、对环境影响小、易于防爆;能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿,响应时间为5~10ms,适于跟踪冲击负荷;自身几乎不产生谐波,并且能够对谐波进行宽幅有源滤波,还可以抑制谐振,安全性及稳定性好;电压闪变抑制能力强,可以达到5:1甚至更高;具备比较强的短时过载能力,无功补偿能力不受母线电压的影响,特别是当母线电压因无功冲击引起电压快速下降时,能够迅速支撑电压,满足大功率负荷起动时的无功需求。

  (2)实验室调试和工业运行

  ①工厂实验室调试。基于SVG的矿用3.3kV静止无功动态补偿装置配有3.3kV全功率补偿试验平台。实测样机的无功功率输出范围为-1000~1700kvar无级可调;对5、7、11、13次谐波是补偿能力达到100、70、45、38A;控制响应时间≤5ms;投切时无暂态冲击,无合闸涌流,无电弧重燃;通过欧洲标准的电磁兼容试验。

  ②井下综采工作面工业运行和测试。基于SVG的矿用3.3kV静止无功动态补偿装置在东滩煤矿14310综采工作面运输顺槽变电站投入运行。投入静止无功动态补偿装置前、后的起动时电流最大值分别为156A、140A,起动时的电压最小值分别为2.51kV、2.79kV,运行时的电流值分别为85A、57A,运行时的电压值分别为3280kV、3460kV,起动压降分别为950V、650V,起动时的电压及电流变化时间分别为3.6s、1.9s;系统母线功率因数在电动机起动(最小值)时分别为0.20、0.40,运行时分别为0.78、>0.96;系统母线的无功功率在电动机起动时分别为358kvar、214kvar,运行时分别为213kvar、20kvar;系统母线的谐波电流在电动机起动时分别为<100A、<20A,运行时分别为<40A、<30A。

  (3)体会

  兖州矿区3Mt/a井下综采放顶煤工作面的设备装机总容量一般为5000kW,运行功率约为3500kW;5Mt/a井下综采放顶煤工作面的装机容量接近5000kW,运行功率约为5000kW。井下远端供电距离约10km。长距离供电、大容量感应电动机的集中使用和频繁启动、变频器等变流设备普及应用造成工作面供电系统的电压波动大、功率因数低、线路损耗大、设备启动困难,影响生产。基于SVG的矿用3.3kV静止无功动态补偿装置体积比较小、移动灵活,具有友好的人机界面和自诊断功能以及Modbus串行通信功能,可以实现无人值守、远程控制。运行实践表明,此装置投入运行后,按照1a工作300d、1d工作20h计算,1台电动机1a可减少有功电度约30万kW·h,经济效益和社会效益明显。

  3 新型动态无功补偿及谐波治理装置(SVG)的应用

  静止无功发生器(SVG)是一种新型动态无功补偿及谐波治理装置。兖州矿业(集团)公司机械制修厂在研究SVG工作原理和功能的基础上分析了与其它同类装置的不同;对SVG的实际应用证明这种装置的应用效果非常好,是未来无功补偿和谐波治理装置的发展方向。

  (1)SVG基本工作原理

  SVG采用不同的控制策略分别实现无功补偿和谐波治理两种工作状态,在这两种不同的工作状态下其主电路结构是完全相同的,主电路主要由IGBT逆变电路、直流侧储能元件(电容)和连接电抗器构成。

  ①动态无功补偿工作原理。SVG动态无功补偿装置以三相大功率电压逆变器为核心.其输出电压通过连接电抗器接入系统,与系统的侧电压保持同频、同相.通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量,当其幅值大于系统的侧电压幅值时输出容性无功,小于系统的侧电压幅值时输出感性无功。

  ②SVG有源滤波工作原理。SVG控制器通过指令电流运算电路检测出补偿对象 电流中的谐波电流分量,然后补偿电流发生电路根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号,产生实际的补偿电流,该补偿电流和谐波电流大小相等、方向相反,这样补偿电流与负载电流中的谐波成分相抵消。从而达到在系统侧有源滤除谐波的目的。

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