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高压动态无功补偿装置在煤矿供电系统中的应用

2019年12月06日 10:14:04 中国传动网

摘要:本文通过对SVG装置的工作原理,以及SVG在兖矿集团某煤矿应用情况的介绍,表明新风光电子科技股份有限公司生产的级联式高压动态无功补偿装置具有效率高、响应快、可靠性高、谐波补偿率高、闪变抑制能力强等特点,适合在煤矿行业大力推广。

关键词:供电系统、煤矿、SVG、谐波、功率因数、节能

1  SVG装置的工作原理

1.1供电系统结构

一般电力系统用户负荷吸收有功功率PL和无功功率QL,简单的负荷连接如图1所示。

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图1简单的负荷连接图

电源提供有功功率PS和无功功率QS(可能为感性无功,也可能是容性无功),忽略变压器和线路损耗,则有 1-高压动态无功补偿装置在煤矿供电系统中的应用201908151046.png1-高压动态无功补偿装置在煤矿供电系统中的应用201908151048.png 。没有足够无功补偿的电网存在以下几个问题:

(1)电网从远端传送无功;

(2)负荷的无功冲击影响本地电网和上级电网的供电质量;

(3)负荷的不平衡与谐波也会影响电网的电能质量。

因此,电力系统一般都要求对用电负荷进行必要的无功、不平衡与谐波补偿,以提高电力系统的带载能力,净化电网,改善电网电能质量。

1.2SVG用于补偿无功

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图2带有SVG无功补偿装置的系统

假设负荷消耗感性无功(一般工业用户都是如此)QL,此时控制SVG使其产生容性无功功率,并取QSVG=QL,这样在负荷波动过程中,就可以保证:QS=QSVG-QL=0。

如果对电网等比较复杂的补偿对象而言,当需要向电网提供感性无功时,可以通过对SVG的控制,使其产生感性无功功率,并取QSVG=QC,这样在负荷波动过程中,仍然可以保证:QS=QSVG-QC=0。

此外,SVG在补偿系统无功功率的同时,几乎不产生谐波。更重要的是,SVG还可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿,实现部分有源滤波(APF)的功能。

1.3SVG用于有源滤波

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图3基本原理图

有源滤波器的基本思想如图3所示。谐波源一般为非线性负荷,如整流器、带有整流环节的变频器及大量带有开关器件的设备等,产生谐波电流Ih;供电系统一般为被保护对象,也即要达到最终流入或流出系统的电流是谐波含量极少的正弦波,有时还有功率因数要求;有源滤波装置表现为可控电流源,它的作用是产生和谐波源谐波电流有相同幅值而相位相反的补偿电流-Ih,来达到消除谐波的目的。与无源滤波装置相比,有源滤波器是一种动态变化的补偿装置,具有较好的动态性能。

1.4SVG控制策略

SVG的控制目标主要是抑制暂态电压变化。暂态电压发生变化的可能原因包括发生故障和负荷大幅突增,特点是电压很快下降,很可能是单调下降,结果将是暂态电压失稳和引起低压释放负荷。为了维持暂态电压稳定并减少低压释放负荷,一方面要求SVG能够动态补偿较大的容量,另一方面要求SVG具有较快的响应速度。新风光公司FGSVG系列高压动态无功补偿系统响应时间≤5ms,完全符合要求。

SVG还具有以下特点:

(1)SVG可以快速支撑电压,减少低压释放负荷;

(2)SVG可以提高暂态电压稳定性。

SVG的快速动态特性对减少释放负荷,支撑电压水平有显著的作用,装置的响应时间短,作用效果好。

SVG控制策略主要包括低电压控制及过电压控制,同时,在SVG控制策略中除了主控制外,加入辅助控制。辅助控制包括无功储备控制,小电流不均压控制,自动识别相序以及过流控制。

由上可以看出,SVG系统对于保证电网安全稳定运行具有很好的效果。

2  用户现场改造前情况

该煤矿是兖矿集团的下属煤矿之一,该矿井共有3台主变,其中1#主变容量31.5MVA,2#主变容量31.5MVA,3#主变容量20MVA。运行方式为1#主变主运行,2#、3#主变冷备用。110/6kV侧均为单母线分段接线方式,其中6kV两段母线并列运行。矿井统计总装机负荷约80MW。

矿井主降压变电所采用SVC即FC+TCR型集中补偿方式。FC(兼做滤波通道)有效补偿容量共16.27Mvar。其中4次2组,8次2组,3次1组,5次1组,TCR调节支路共9Mvar。TCR回路、3次1组、5次1组、4次1组、8次1组运行于I段,4次1组、8次1组运行于II段。

矿井电源电压一般在114-115kV,主变运行于8档,FC全部投入,目标值母线电压6.3kV,母线电压越线报警值为5.7-6.6kV。投入顺序为先投入Ⅰ段3次、5次、4次、8次(3次、5次分别闭锁I段的4次、8次),再投入Ⅱ段4次、8次,避免放大低次谐波。

现运行主要现象为:负荷超过24000kW时,6kV侧电压降低到5.9kV;负荷降低到12000kW时,必须切掉1组8次滤波器,110kV侧电压高于115kV时,还必须再切掉1组4次滤波器,才能将6kV侧电压降低到6.6kV以下,此时的TCR输出电流为810A,已到极限。

其中,主井绞车:2×2600kW/AC-AC变频变速,12相整流;副井绞车:2×1250kW/AC-AC变频变速,6相整流;胶带机:4×315kW,AC电机,变频调速,是产生谐波污染的主要来源,影响了矿井其他用电设备的正常运行,不利于矿井生产的顺利进行。

该矿领导经过研究分析,决定采用SVG装置对原有无功补偿系统进行升级改造,经过反复对比各厂家产品情况,最终选用了新风光电子科技股份有限公司生产的FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)高压动态无功补偿系统1套进行了改造,取得了良好效果。

3  SVG改造控制方案介绍

新风光公司FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)高压动态无功补偿系统安装在6kV系统Ⅱ段。该控制系统以6kV侧母线无功功率作为控制目标。FGSVG装置额定补偿容量为-13Mvar(感性)~13Mvar(容性)无功连续可调。

因本项目原有SVC装置控制策略是以6kV母线无功功率作为控制目标,因此本次改造在满足无功容量的同时还需修改控制策略。两套动态无功补偿装置在一段母线上,其控制目标也是相同的,因此,两套装置需要具备并联运行功能,且不能出现冲突情况。需对原有SVC装置需要进行升级改造,改造后,由新风光公司SVG装置作为主控制系统,协调TCR装置的无功出力,从而达到整套系统的无功平衡。改造后的无功控制整套系统可实现6Mvar(感性)~-29Mvar(容性)之间连续平滑调节,并具备滤波功能。

4新风光公司FGSVG系列高压动态无功补偿系统基本介绍

新风光公司FGSVG系列高压动态无功补偿系统,采用现代电力电子、自动化、微电子及网络通讯等技术,采用先进的瞬时无功功率理论和基于同步坐标变换的功率解耦算法,以功率因数、电网电压或者两者分时间段作为控制目标,动态的跟踪电网电能质量变化来调节无功输出,实现电网的高质量运行。

FGSVG系列高压无功补偿系统结构如图4所示。系统主电路采用链式串联结构,每相由多个换流链模块(功率单元)组成,并采用冗余设计,满足“N-1”的运行要求;功率单元利用可关断大功率电力电子器件(IGBT)组成桥式电路。它的输出电压是由多个电平台阶合成的阶梯波,开关器件所承受的电压应力小,避免大的dv/dt所导致的问题。FGSVG系列高压无功补偿系统可多台FGSVG并联安装,极易扩展容量。

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图4FGSVG系统结构示意图

4.1功率单元

功率单元简化电路如图5所示。每个功率单元均具有完善的保护措施,并将各工作状态送回主控系统,主控与各单元信号连接均采用光纤通讯。功率单元主回路是典型的H桥电路。

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图5功率单元简化电路

为了得到更快的响应速度和更高的性能采用电流直接控制技术和载波移相技术,实现并网无功电流的快速控制和更优的并网电流波形,如图6所示。FGSVG能够快速连续地提供容性或者感性无功功率,实现适当的电压和无功功率控制,保障电力系统稳定、高效、优质地运行。

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图6感性额定电流到容性额定电流响应时间测试波形

4.2控制及保护功能

4.2.1控制系统

控制柜采用柜式结构,柜体选用优质“三防”产品,抗电磁干扰能力强。控制柜由主控机箱、PLC(可编程逻辑控制器)和触摸屏等几个主要部分组成。

主控机箱是新风光公司自主研发的,通过了严苛的EMC(电磁兼容性)认证、温度循环及振动试验的处理,具有极高的可靠性。主控机箱内含有电源板、主控板、分相板、分信号板等线路板,实现插卡式互连,稳定性好,易于维护。

主控箱中控制核心由高速32位数字信号处理器DSP、大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA协同运算来实现。控制器采用双核控制芯片,分别负责设计算法与通讯,保证了设备的运算性能与控制精度。精心设计的算法可以保证FGSVG达到最优的运行性能。控制器采用大规模集成电路和表面焊接技术,利用自动化焊接设备进行焊接、针床测试进行检验,系统具有极高的可靠性。

采用工业级PLC,实现整机的逻辑控制,实时与主控部分、触摸屏通讯,把装置的运行状态实时的传给触摸屏显示,完成触摸屏、柜门按钮对装置的控制,实现柜体内开关信号的可靠逻辑处理,以及与现场各种操作信号和状态信号的协调,增强了系统的灵活性。

选用知名品牌人机界面,实时显示系统运行状态和数据,可查询与设定系统运行参数以及整机逻辑控制等功能。人机界面具有丰富的显示界面,可实时状态量及模拟量的显示、运行历史事件记录、历史曲线记录查询、单元状态监控、系统信息查询、历史故障查询等功能外,还具有上电控制系统自检、一键开停机、分时控制、示波器、故障瞬间电压/电流波形记录等特色功能。

控制系统具有和上位机通讯的标准化接口。通讯采用RS485等通讯接口,采用标准Modbus-RTU或用户自定义等多种通讯协议,非常方便与现场系统进行通讯。

4.2.2装置主要保护功能

(1)装置过电流保护

(2)电网过电压保护

(3)电网欠电压保护

(4)单元过压保护

(5)单元过温保护

(6)单元短路保护

(7)单元通讯异常保护

(8)光纤传输异常保护

装置内部出现任何电路故障均有告警、停机等相应对策,及时上传,不会对上级系统造成影响。成套装置实现自动检测、远程手动投切和就地手动投切,各种方式之间有可靠的闭锁,防止发生事故。检测、控制均实现完全自动无人值守。

5  应用效果

2014年9月,该煤矿应用了新风光公司FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)型1套高压动态无功补偿装置进行了改造,配合原SVC投入运行,充分发挥了SVG的快速特性和电容器组的稳态性能,使系统在补偿特性、可靠性等方面达到最优。主要表现在以下几个方面。

(1)功率因数大大提高,既节约了生产成本,又达到了节能降耗的目的。据统计,2套SVG一年节省电费80万元左右。

(2)改善了供电系统供电波形,提高了供电质量,受电终端电压闪变情况基本消失。

(3)改造后,6kV母线的谐波电压总畸变率、奇次谐波电压含有率、偶次谐波电压含有率、各次谐波电流、电压不平衡度、电压波动、功率因数等满足电能质量有关国家标准的要求,保障了煤矿其他的自动化仪表,监控系统设备的正常运行,降低了相应的维护保养费用,为煤矿生产的安全、高效保驾护航。

参考文献

新风光电子使用手册[Z]新风光电子科技股份有限公司。

作者简介:

李志刚,男,本科学历,工程师,现供职于新风光电子科技股份有限公司技术中心从事SVG产品的研发工作。

声明:本文版权为中国传动网所有,欢迎转载但请务必注明来源、作者。


供稿:李志刚 郑云玲 郭培彬

本文链接:https://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=38302

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