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高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置在煤礦供電系統中的應用

發(fā)布時(shí)間:2020-04-18 作者:新風(fēng)光

1 SVG裝置的工作原理

1.1供電系統結構

一般電力系統用戶(hù)負荷吸收有功功率PL和無(wú)功功率QL,簡(jiǎn)單的負荷連接如圖1所示。

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圖1 簡(jiǎn)單的負荷連接圖

電源提供有功功率PS和無(wú)功功率QS(可能為感性無(wú)功,也可能是容性無(wú)功),忽略變壓器和線(xiàn)路損耗,則有,。沒(méi)有足夠無(wú)功補償的電網(wǎng)存在以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)電網(wǎng)從遠端傳送無(wú)功;

(2)負荷的無(wú)功沖擊影響本地電網(wǎng)和上級電網(wǎng)的供電質(zhì)量;

(3)負荷的不平衡與諧波也會(huì )影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

因此,電力系統一般都要求對用電負荷進(jìn)行必要的無(wú)功、不平衡與諧波補償,以提高電力系統的帶載能力,凈化電網(wǎng),改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1.2 SVG用于補償無(wú)功

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圖2 帶有SVG無(wú)功補償裝置的系統

假設負荷消耗感性無(wú)功(一般工業(yè)用戶(hù)都是如此)QL,此時(shí)控制SVG使其產(chǎn)生容性無(wú)功功率,并取QSVG=QL,這樣在負荷波動(dòng)過(guò)程中,就可以保證:QS=QSVG-QL=0。

如果對電網(wǎng)等比較復雜的補償對象而言,當需要向電網(wǎng)提供感性無(wú)功時(shí),可以通過(guò)對SVG的控制,使其產(chǎn)生感性無(wú)功功率,并取QSVG=QC,這樣在負荷波動(dòng)過(guò)程中,仍然可以保證:QS=QSVG-QC=0。

此外,SVG在補償系統無(wú)功功率的同時(shí),幾乎不產(chǎn)生諧波。更重要的是,SVG還可以對系統的諧波、不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行多功能綜合補償,實(shí)現部分有源濾波(APF)的功能。

1.3 SVG用于有源濾波

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圖3 基本原理圖

有源濾波器的基本思想如圖3所示。諧波源一般為非線(xiàn)性負荷,如整流器、帶有整流環(huán)節的變頻器及大量帶有開(kāi)關(guān)器件的設備等,產(chǎn)生諧波電流Ih;供電系統一般為被保護對象,也即要達到最終流入或流出系統的電流是諧波含量極少的正弦波,有時(shí)還有功率因數要求;有源濾波裝置表現為可控電流源,它的作用是產(chǎn)生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反的補償電流-Ih,來(lái)達到消除諧波的目的。與無(wú)源濾波裝置相比,有源濾波器是一種動(dòng)態(tài)變化的補償裝置,具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

1.4 SVG控制策略

SVG的控制目標主要是抑制暫態(tài)電壓變化。暫態(tài)電壓發(fā)生變化的可能原因包括發(fā)生故障和負荷大幅突增,特點(diǎn)是電壓很快下降,很可能是單調下降,結果將是暫態(tài)電壓失穩和引起低壓釋放負荷。為了維持暫態(tài)電壓穩定并減少低壓釋放負荷,一方面要求SVG能夠動(dòng)態(tài)補償較大的容量,另一方面要求SVG具有較快的響應速度。新風(fēng)光公司FGSVG系列高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償系統響應時(shí)間≤5ms,完全符合要求。

SVG還具有以下特點(diǎn):

(1)SVG可以快速支撐電壓,減少低壓釋放負荷;

(2)SVG可以提高暫態(tài)電壓穩定性。

SVG的快速動(dòng)態(tài)特性對減少釋放負荷,支撐電壓水平有顯著(zhù)的作用,裝置的響應時(shí)間短,作用效果好。

SVG控制策略主要包括低電壓控制及過(guò)電壓控制,同時(shí),在SVG控制策略中除了主控制外,加入輔助控制。輔助控制包括無(wú)功儲備控制,小電流不均壓控制,自動(dòng)識別相序以及過(guò)流控制。

由上可以看出,SVG系統對于保證電網(wǎng)安全穩定運行具有很好的效果。

2用戶(hù)現場(chǎng)改造前情況

該煤礦是兗礦集團的下屬煤礦之一,該礦井共有3臺主變,其中1#主變容量31.5MVA,2#主變容量31.5MVA,3#主變容量20MVA。運行方式為1#主變主運行,2#、3#主變冷備用。110/6kV側均為單母線(xiàn)分段接線(xiàn)方式,其中6kV兩段母線(xiàn)并列運行。礦井統計總裝機負荷約80MW。

礦井主降壓變電所采用SVC即FC+TCR型集中補償方式。FC(兼做濾波通道)有效補償容量共16.27Mvar。其中4次2組,8次2組,3次1組,5次1組,TCR調節支路共9Mvar。TCR回路、3次1組、5次1組、4次1組、8次1組運行于I段,4次1組、8次1組運行于II段。

礦井電源電壓一般在114-115kV,主變運行于8檔,FC全部投入,目標值母線(xiàn)電壓6.3kV,母線(xiàn)電壓越線(xiàn)報警值為5.7-6.6kV。投入順序為先投入Ⅰ段3次、5次、4次、8次(3次、5次分別閉鎖I段的4次、8次),再投入Ⅱ段4次、8次,避免放大低次諧波。

現運行主要現象為:負荷超過(guò)24000kW時(shí),6kV側電壓降低到5.9kV;負荷降低到12000kW時(shí),必須切掉1組8次濾波器,110kV側電壓高于115kV時(shí),還必須再切掉1組4次濾波器,才能將6kV側電壓降低到6.6kV以下,此時(shí)的TCR輸出電流為810A,已到極限。

其中,主井絞車(chē):2×2600kW/AC-AC變頻變速,12相整流;副井絞車(chē):2×1250kW/AC-AC 變頻變速,6相整流;膠帶機:4×315kW,AC電機,變頻調速,是產(chǎn)生諧波污染的主要來(lái)源,影響了礦井其他用電設備的正常運行,不利于礦井生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

該礦領(lǐng)導經(jīng)過(guò)研究分析,決定采用SVG裝置對原有無(wú)功補償系統進(jìn)行升級改造,經(jīng)過(guò)反復對比各廠(chǎng)家產(chǎn)品情況,選用了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償系統1套進(jìn)行了改造,取得了良好效果。

3 SVG改造控制方案介紹

新風(fēng)光公司FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償系統安裝在6kV系統Ⅱ段。該控制系統以6kV側母線(xiàn)無(wú)功功率作為控制目標。FGSVG裝置額定補償容量為-13Mvar(感性)~13Mvar(容性)無(wú)功連續可調。

因本項目原有SVC裝置控制策略是以6kV母線(xiàn)無(wú)功功率作為控制目標,因此本次改造在滿(mǎn)足無(wú)功容量的同時(shí)還需修改控制策略。兩套動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置在一段母線(xiàn)上,其控制目標也是相同的,因此,兩套裝置需要具備并聯(lián)運行功能,且不能出現沖突情況。需對原有SVC裝置需要進(jìn)行升級改造,改造后,由新風(fēng)光公司SVG裝置作為主控制系統,協(xié)調TCR裝置的無(wú)功出力,從而達到整套系統的無(wú)功平衡。改造后的無(wú)功控制整套系統可實(shí)現6Mvar(感性)~-29Mvar(容性)之間連續平滑調節,并具備濾波功能。

4 新風(fēng)光公司FGSVG系列高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償系統基本介紹

新風(fēng)光公司FGSVG系列高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償系統,采用現代電力電子、自動(dòng)化、微電子及網(wǎng)絡(luò )通訊等技術(shù),采用先進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率理論和基于同步坐標變換的功率解耦算法,以功率因數、電網(wǎng)電壓或者兩者分時(shí)間段作為控制目標,動(dòng)態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化來(lái)調節無(wú)功輸出,實(shí)現電網(wǎng)的高質(zhì)量運行。

FGSVG系列高壓無(wú)功補償系統結構如圖4所示。系統主電路采用鏈式串聯(lián)結構,每相由多個(gè)換流鏈模塊(功率單元)組成,并采用冗余設計,滿(mǎn)足“N-1”的運行要求;功率單元利用可關(guān)斷大功率電力電子器件(IGBT)組成橋式電路。它的輸出電壓是由多個(gè)電平臺階合成的階梯波,開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓應力小,避免大的dv/dt所導致的問(wèn)題。FGSVG系列高壓無(wú)功補償系統可多臺FGSVG并聯(lián)安裝,極易擴展容量。

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圖4 FGSVG系統結構示意圖

4.1 功率單元

功率單元簡(jiǎn)化電路如圖5所示。每個(gè)功率單元均具有完善的保護措施,并將各工作狀態(tài)送回主控系統,主控與各單元信號連接均采用光纖通訊。功率單元主回路是典型的H橋電路。

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圖5功率單元簡(jiǎn)化電路

為了得到更快的響應速度和更高的性能采用電流直接控制技術(shù)和載波移相技術(shù),實(shí)現并網(wǎng)無(wú)功電流的快速控制和更優(yōu)的并網(wǎng)電流波形,如圖6所示。FGSVG能夠快速連續地提供容性或者感性無(wú)功功率,實(shí)現適當的電壓和無(wú)功功率控制,保障電力系統穩定、優(yōu)質(zhì)地運行。

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圖6 感性額定電流到容性額定電流響應時(shí)間測試波形

4.2控制及保護功能

4.2.1控制系統

控制柜采用柜式結構,柜體選用優(yōu)質(zhì)“三防”產(chǎn)品,抗電磁干擾能力強。控制柜由主控機箱、PLC(可編程邏輯控制器)和觸摸屏等幾個(gè)主要部分組成。

主控機箱是新風(fēng)光公司自主研發(fā)的,通過(guò)了嚴苛的EMC(電磁兼容性)認證、溫度循環(huán)及振動(dòng)試驗的處理,具有極高的可靠性。主控機箱內含有電源板、主控板、分相板、分信號板等線(xiàn)路板,實(shí)現插卡式互連,穩定性好,易于維護。

主控箱中控制核心由高速32位數字信號處理器DSP、大規模可編程邏輯器件CPLD/FPGA協(xié)同運算來(lái)實(shí)現。控制器采用雙核控制芯片,分別負責設計算法與通訊,保證了設備的運算性能與控制精度。精心設計的算法可以保證FGSVG達到較優(yōu)的運行性能。控制器采用大規模集成電路和表面焊接技術(shù),利用自動(dòng)化焊接設備進(jìn)行焊接、針床測試進(jìn)行檢驗,系統具有極高的可靠性。

采用工業(yè)級PLC,實(shí)現整機的邏輯控制,實(shí)時(shí)與主控部分、觸摸屏通訊,把裝置的運行狀態(tài)實(shí)時(shí)的傳給觸摸屏顯示,完成觸摸屏、柜門(mén)按鈕對裝置的控制,實(shí)現柜體內開(kāi)關(guān)信號的可靠邏輯處理,以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調,增強了系統的靈活性。

選用知名品牌人機界面,實(shí)時(shí)顯示系統運行狀態(tài)和數據,可查詢(xún)與設定系統運行參數以及整機邏輯控制等功能。人機界面具有豐富的顯示界面,可實(shí)時(shí)狀態(tài)量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線(xiàn)記錄查詢(xún)、單元狀態(tài)監控、系統信息查詢(xún)、歷史故障查詢(xún)等功能外,還具有上電控制系統自檢、一鍵開(kāi)停機、分時(shí)控制、示波器、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。

控制系統具有和上位機通訊的標準化接口。通訊采用RS485等通訊接口,采用標準Modbus-RTU或用戶(hù)自定義等多種通訊協(xié)議,非常方便與現場(chǎng)系統進(jìn)行通訊。

4.2.2裝置主要保護功能

(1)裝置過(guò)電流保護

(2)電網(wǎng)過(guò)電壓保護

(3)電網(wǎng)欠電壓保護

(4)單元過(guò)壓保護

(5)單元過(guò)溫保護

(6)單元短路保護

(7)單元通訊異常保護

(8)光纖傳輸異常保護

裝置內部出現任何電路故障均有告警、停機等相應對策,及時(shí)上傳,不會(huì )對上級系統造成影響。成套裝置實(shí)現自動(dòng)檢測、遠程手動(dòng)投切和就地手動(dòng)投切,各種方式之間有可靠的閉鎖,防止發(fā)生事故。檢測、控制均實(shí)現完全自動(dòng)無(wú)人值守。

5 應用效果

2014年9月,該煤礦應用了新風(fēng)光公司FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)型1套高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置進(jìn)行了改造,配合原SVC投入運行,充分發(fā)揮了SVG的快速特性和電容器組的穩態(tài)性能,使系統在補償特性、可靠性等方面達到較優(yōu)。主要表現在以下幾個(gè)方面。

(1)功率因數大大提高,既節約了生產(chǎn)成本,又達到了節能降耗的目的。據統計,2套SVG一年節省電費80萬(wàn)元左右。

(2)改善了供電系統供電波形,提高了供電質(zhì)量,受電終端電壓閃變情況基本消失。

(3)改造后,6kV母線(xiàn)的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率、各次諧波電流、電壓不平衡度、電壓波動(dòng)、功率因數等滿(mǎn)足電能質(zhì)量有關(guān)國家標準的要求,保障了煤礦其他的自動(dòng)化儀表,監控系統設備的正常運行,降低了相應的維護保養費用,為煤礦生產(chǎn)的安全保駕護航。

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