关键词：煤矿；SVG；谐波；功率因数；节能；改造

1  用户现场情况

1.1  现场概况

该煤矿是兖矿集团的下属煤矿之一。该煤矿某矿井变电所系统采用两回路6kV进线，中间有联络开关，每段母线上各有Y3555-4/250kW/6kV压风机2台、Y4504-6/630kW/6kV扇风机1台、350kVA和1250kVA（生活区供电）变压器各1台、井下供电回路1回（采煤、掘进等）。负载主要为感性负载，井下有低压变频器。

图1  矿井变电所系统6kV Ⅰ段框图

图2 矿井变电所系统6kV Ⅱ段框图

图1、图2为矿井变电所系统6kV Ⅰ段、6kV Ⅱ段示意图，Ⅰ、Ⅱ段母线通过母联开关19和隔离开关20相连，当其中一段母线出现问题时，可以通过将两个开关合上用另一段母线实现供电。

1.2  现场电网实际测量结果

矿方对矿井变电所实际电网的运行工况，进行了测量，数据测量结果如下：

（1）6kV Ⅰ段母线系统有功、无功及功率因数运行情况

6kV Ⅰ段母线系统有功、无功及功率因数测量数据如图3所示。

图3  6kV Ⅰ段母线系统有功、无功及功率因数运行情况

补偿前：cosφ₁=0.78，则tgφ₁=0.802

补偿后：cosφ₂=0.95，则tgφ₂=0.328

系统无功功率Qc=P*(tgφ₁-tgφ₂)=2513*(0.802-0.328)=1191kVar

通过有功、无功及功率因数的总趋势图可以算出Ⅰ段母线所需补偿容量约为1.2MVar。

（2）6kV Ⅱ母线系统有功功率、无功功率及功率因数运行情况

6kV Ⅱ段母线系统有功、无功及功率因数测量数据如图4所示。

图4 6kVⅡ段母线系统有功、无功及功率因数运行情况

补偿前：cosφ₁=0.78，则tgφ₁=0.802

补偿后：cosφ₂=0.95，则tgφ₂=0.328

系统无功功率Qc=P*(tgφ₁-tgφ₂)=1645*（0.802-0.328）=780kVar

通过有功、无功及功率因数的总趋势图可以算出Ⅱ段母线所需补偿容量约为780kVar。加上Ⅱ段存在一定谐波，所需容量约为200kVar。Ⅱ段所需总无功约为1MVar。

2  控制方案

根据现场两段母线测得的运行记录分析，该煤矿井变电所两段母线若要将功率因数补偿到0.95，该煤矿领导综合考虑系统的投资和造价，在母线上选购了1套新风光自主研制的高压动态无功补偿及谐波治理系统，规格型号为FGSVG-C3.0/6（3MVar/6kV），补偿点可以在两段母线上切换，并且能够治理谐波形成一个完整的无功补偿系统，FGSVG可实现全自动投切，做到无人值守。

配置的无功补偿容量比实际每段母线所需的容量要大，这样就为Ⅰ、Ⅱ段母线上的扩容提供了方便，FGSVG装置能够完全满足煤矿电能质量治理的需求，改造达到了预期目的。

3  新风光公司FGSVG系列高压动态无功补偿系统

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给予同步坐标变换的功率解耦算法，以设定的无功性质及大小、功率因数、电网电压为控制目标运行，动态的跟踪电网电能质量变化调节无功输出，并能实现曲线设定运行，提升电网质量。

FGSVG系列高压动态无功补偿系统为满足用户对提高输配电网络的功率因数、治理谐波、补偿负序电流的迫切需要，做出相应设计，具有以下特点：

（1）动态响应速度快，响应时间≤5ms。

（2）在补偿容量足够的前提下，输出电流谐波(THD)≤3%。

（3）多种运行模式极大的满足用户需求，运行模式有：恒装置无功功率模式、恒考核点无功功率模式、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、负载补偿模式，目标值可实时更改。

（4）实时跟踪负荷变化，动态连续平滑补偿无功功率，提高系统的功率因数，实时治理谐波，补偿负序电流，提高电网供电质量。

（5）抑制电压闪变，改善电压质量，稳定系统电压。

（6）FGSVG电路参数精心设计，发热量小，效率高，运行成本低。

（7）FGSVG采用冗余性设计和模块化设计，满足系统高可靠性的要求。

（8）保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、光纤通讯故障、单元过热、不均压等保护，并能实现故障瞬间的波形录制，便于确定故障点，易维护，运行可靠性高。

（9）投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无电弧重燃，无需放电即可再投。

（10）与系统连接时，自适应交流系统相序，调试使用方便。

（11）人机界面友好显示，对外通讯提供了RS-485、以太网等接口，采用标准MODBUS通讯协议。除具有实时数字量及模拟量的显示、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，还具有送电后系统自检、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。

（12）可并联安装，极易扩展容量。并机运行使用光纤通讯，通讯速度快，能够完好的满足实时补偿的要求。

4  方案实施

4.1  安装地点

FGSVG高压动态无功补偿系统采用户内柜式安装。输出电抗器器采用户内安装。FGSVG在运行过程中会产生热量，而热量又是危害电力电子设备的一种因素，因此必须要保证设备的通风散热。FGSVG设备采用室内安装方式，不需要额外在室内增加空调等设施，不额外增加用户费用，只需要现场在FGSVG设备的风机上加装风道引出室外，FGSVG设备产生的热量被风机排出室外，只需要保证室内的空气流通即可。风道现场安装如图5所示。

图5 风道现场安装图

4.2  现场连接方式

FGSVG高压动态无功补偿系统现场连接方式如图6所示。

图6  FGSVG高压动态无功补偿系统现场连接方式图

变电所Ⅰ、Ⅱ段母线分别由1台高压开关柜接出高压电缆引入到SVG装置进线柜接线端；分别取6kV母线Ⅰ段进线柜和Ⅱ段进线柜的三相电流信号接入SVG控制柜；分别取Ⅰ段PT和Ⅱ段PT信号接入SVG控制柜。

4.3  装置运行方案

（1）当SVG装置需要在Ⅰ段母线进行补偿时，合上Ⅰ段母线SVG开关柜（此时禁止合Ⅱ段母线SVG开关柜），SVG装置可以根据取得的Ⅰ段母线PT信号及其进线柜三相电流信号实时计算出的无功及谐波进行自动补偿。

（2）当SVG装置需要在Ⅱ段母线进行补偿时，合上Ⅱ段母线SVG开关柜（此时禁止合Ⅰ段母线SVG开关柜），SVG装置可以根据取得的Ⅱ段母线PT信号及其进线柜三相电流信号实时计算出的无功及谐波进行自动补偿。

（3）装置并入电网后可24小时挂网运行。装置会自动跟踪电网功率因数的变化，使电网功率因数维持在0.95-1的某个设定值（无过补）。

（4）以母线电压为目标运行时，根据用户设定的目标值运行。

（5）装置并网补偿后可以解决功率因数低及谐波等情况。

4.4  控制电源

需要现场提供单独10kVA的380V AC三相四线制控制电源，控制电源经过FGSVG内部电源模块后给装置供电。

4.5 输出谐波特性

新风光公司FGSVG采用了载波移相PWM技术和功率单元级联多电平技术，自身产生的谐波含量≤3%，装置输出侧无需滤波器。

4.6 散热方案

该矿FGSVG主功率器件IGBT采用强迫风冷，风机由风道抽风，外部冷空气流过散热器进入风道带走热量。风机出口对外设置风道，保证设备产生热量顺利排出室外。

4.7 通信及监控功能

控制器具有和上位机通信的标准化接口，具备与变电站综合自动化联网的功能，装置的运行状态和故障类型均可上传。通讯采用RS-485等通讯接口，采用标准Modbus或用户自定义等多种通讯协议。

5  改造后应用效果

2018年2月初，新风光FGSVG高压动态无功补偿系统一次成功投运，至今运行正常。改造后，该矿供电系统功率因数实测0.98以上，满足0.95的考核要求，降低了流经变压器和线路的电流，保证了其他负载设备的正常运行，具有显著的经济效益和社会效益。

5.1  直接经济效益

经过测算，全年可节省电费30多万元。同时，减少了由功率因数引起的电费罚款。

5.2  社会效益

该煤矿井变电所无功补偿改造后，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，为煤矿的安全生产保驾护航。

6  结论

新风光公司FGSVG系列级联式高压动态无功补偿装置（SVG）改善了煤矿电网电能质量，具有效率高、响应快、可靠性高、谐波补偿、闪变抑制能力强，负序补偿、高低电压穿越等优点，值得在煤矿等行业大力推广。