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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

                发布时间:2020-04-18 作者:新风光

                1 SVG装置的工作原理

                1.1供电系统结构Ψ

                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。

                1587202975(1).jpg

                 

                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,。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。

                1.2 SVG用于补偿无功

                1587203023(1).jpg

                 

                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。

                1.3 SVG用于有源滤波ω

                1587203072(1).jpg

                 

                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。

                1.4 SVG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①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,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ω 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4 FGSVG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、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达到较优的运行性能。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ㄨ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〇能。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、可靠性等方面达到较优。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ㄨ设备的正常运行,降低了相应的维护保☉养费用,为煤矿生产的安全保驾护航。