关键词：电网、煤矿、SVG、谐波、功率因数、节能

1引言

在煤矿供配电系统中广泛存在大量的感性负荷，如提升机、空压机、压风机，水泵、皮带机等，这些感性负荷在配电系统中会消耗大量的无功功率，降低系统的功率因素，造成线路电压损失加大和电能损耗增加，同时产生各类谐波，造成供电质量恶化和浪费严重，直接影响了煤矿电网质量及用电设备正常。

2用户现场情况

2.1该矿变电所供电系统运行情况

该煤矿是兖矿集团下属的主力矿井之一，年设计能力400万吨，该煤矿变电所为35kV双回路进线。变电所内安装3台主降压变压器，1#、2#主降压变压器容量20000kVA，电压为35/6kV，空载电流0.5%，短路阻抗7.8%，3#主降压变压器容量16000kVA，电压为35/6kV，变压器空载电流0.39%，短路阻抗7.88%。运行方式为两用一备。6kV系统为单母线分段运行，当前1#、3#主变分别为6kVⅠ、Ⅱ段母线供电，2#变压器为热备用。

变电所主要地面负载有主井提升机（直流2×2935kW）、副提升机（直流2×1700kW）、压风机、风井通风机、选煤厂以及办公区和生活区生活用电等。其中主井提升机运行时的无功分量较高，单台无功分量为6Mvar、短时峰值为7Mvar；副井提升机运行时无功分量0.7Mvar，短时峰值1Mvar。

现有无功补偿装置实测运行总功率为-9200kvar，其中：H₃=-4000kvar、H₅+H₇=-3000 kvar（装于主井）、H₁₁=-2200 kvar、H₁₃=-4000kvar（目前未安装）。
2.2该矿变电所供电系统存在问题

2.2.1 6kVⅠ段母线电流、电压

6kVⅠ段母线系统电压5.89kV～6.26kV，负荷电流700A～1400A。随着主井提升机的运行，系统电流、电压有较大的周期性波动。电压的波动幅值300V左右；电流的波动幅值520A左右；波动周期1.5min左右。通过FLUKE-435Ⅱ型电能质量分析仪检测Ⅰ段母线电压与电流曲线如图1、图2所示。

图1Ⅰ段母线电压与电流曲线图

图2Ⅰ段母线电压与电流曲线图局部放大

2.2.2 Ⅰ段母线无功及功率因数

通过FLUKE-435Ⅱ型电能质量分析仪检测显示，随着主井提升机的运行周期，系统内无功功率和功率因数波动较大。无功功率的波动范围0～6Mvar；功率因数波动范围0.82～1。经对比分析发现，主井提升机运行期间产生无功较大，约为7Mvar左右，在此时段系统补偿装置的补偿容量不足，造成功率因数间歇性降低。由于波动周期较短，变电所监控系统上显示系统功率因数接近1，而实际存在间歇性欠补。检测结果如图3、图4、图5所示。

图3Ⅰ段母线无功功率及功率因数曲线图

（曲线1为功率因数）

图4Ⅰ段母线无功功率及功率因数曲线图局部放大

（曲线1为功率因数）

图5Ⅰ段母线有功功率曲线图

2.2.3 Ⅱ段母线电流、电压

系统电压5.96kV～6.28kV，系统负荷电流640A～1120A。与Ⅰ段母线情况一样，Ⅱ段母线也存在周期性波动。电压的波动幅值350V左右；电流的波动幅值550A左右；波动周期1.5min左右，对系统的稳定运行有不利影响。

2.2.4 Ⅱ段母线无功与功率因数

通过FLUKE-435Ⅱ型电能质量分析仪检测无功功率的波动范围-1.8Mvar～6.5Mvar；功率因数波动范围-0.85～1。由于系统内补偿装置的容量相对不足，加之TCR的跟随特性较差，Ⅱ段母线存在间歇性欠补和过补，过补容量在1.8Mvar左右，对系统的安全运行有不利影响。

2.2.5 主井提升机供电回路

随着提升机的工作，电流在70A～450A之间有规律地周期性变化，变化周期约1.5min。提升机在工作时段，最大无功功率为7Mvar左右，经FC装置补偿后，仍有2～4Mvar的感性无功输入矿井配电系统；提升停止时段，FC装置补偿向系统输送3Mvar的容性无功功率。

2.2.6 35kV侧有功、无功和功率因数

通过FLUKE-435Ⅱ型电能质量分析仪检测得：35kV侧各项参数均比较稳定，功率因数均在0.9以上。但随主井提升机的工作，有功功率又主要来自内部电厂，流经电网进线的有功分量很小，有时甚至为零，造成功率因数在0.1～0.8之间波动。

3 SVG无功补偿改造必要性

经过现场实际检测和分析发现，用户该供电系统存在以下问题：

（1）由于主井提升机运行时的无功功率较大（约有6Mvar，短时峰值为7Mvar），当主井提升机运行时，现有补偿装置总容量不足，造成主变压器负荷功率因数在0.82～1之间频繁周期性波动。由于波动周期较短，变电所监控屏上显示系统功率因数接近1，其数值不真实，实际存在间歇性欠补和过补。

（2）6kV系统电压频繁周期性波动，波动幅值350V左右，波动周期1.5s左右。不利于系统的安全稳定运行，同时可能会影响系统内用电设备的效率。

（3）现有的SVC系统服务年限长，设备存在老化现象。尤其是SVC的跟随性能较差，随着主井提升机的间歇运行，Ⅱ段母线出现约2Mvar的间歇性过补偿，对系统的安全稳定运行造成不利影响。

（4）由于矿井有功功率波动较大，内部有自发电厂供电，造成该供电线路上的功率因数在0.1～0.8之间波动，距电力部门要求的平均功率因数达到0.9以上的考核标准相差甚远。

（5）现有的无功补偿系统的调整检测点在主变压器的6kV侧，而35kV侧又接有转供变电所的1路线路和电厂的2路并网线路，现有补偿系统无法实现对计量考核点处的功率因数调节。

为解决上述问题，提高矿井的供电质量，减少对电网污染，保证矿井的安全供电，同时通过提高系统功率因数，减少电能资源的浪费，有必要对该煤矿电网进行治理。

4实施方案

分别在该煤矿35kV变电所6kVⅠ段母线、Ⅱ段母线各安装1套SVG（6.0Mvar），2套SVG可在现场供电系统三台变压器任意运行方式下运行，可单独运行、并列运行；具备任意情况下的自动、手动运行可控；满足无功功率、电压调节、功率因数及谐波治理等技术要求。以稳定6kV母线电压为控制目标运行，可使电压波动控制在电网供电±4%范围内，功率因数在0.96以上，同时兼顾35kV侧功率因数。当检测到35kV供电系统功率因数低于设定值时，6kV两段无功补偿SVG设备转换为以35kV电网侧功率因数为控制目标运行，从而改善了35kV侧功率因数。同时，SVG兼顾主变压器6kV侧的母线电压，将6kV侧母线电压控制在矿井设备运行所允许的波动范围以内，必要时两台设备可联机运行。

该矿领导经过多方比较，最终选购了新风光电子科技股份有限公司生产的高压动态无功补偿系统（6.0Mvar/6kV SVG）2套进行了改造，取得了良好效果。

5高压动态无功补偿系统

高压动态无功补偿控制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。

5.1 高压动态无功补偿系统技术特点

高压动态无功补偿装置产品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）SVG电路参数精心设计，发热量小，效率高，运行成本低。

（7）SVG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RS485、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。

5.2 高压动态无功补偿系统工作原理

在交流电路中，电压和电流的相位有三种情况，当负载是纯电阻特性时，电压和电流相位相同；当负载是（或含有）电感特性时，电压相位超前电流相位；当负载是（或含有）容性特性时，电压相位滞后电流相位。

    如图6所示，基本原理就是将自换相桥式电路通过变压器或者电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该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，如表1所示。


                                          图6 原理示意图
 

6 改造后应用效果

2017年12月初，SVG（6.0Mvar/6kV）2套高压动态无功补偿装置一次成功投运，至今运行正常。改造后，该矿供电系统功率因数满足0.9的考核要求，降低流经变压器和线路的电流，稳定6kV电网电压保证了其他负载设备的良好运行，具有显著的经济效益和社会效益。

6.1直接经济效益

投运SVC各项参数：

平均功率因数cosφ₁=0.86

变压器最大负荷容量S₁=16930kVA

变压器高压侧最大负荷电流I₁=325A

投运后SVG装置各项参数：

平均功率因数cosφ₂=0.96

变压器最大负荷容量S₂=15166 kVA

变压器高压侧最大负荷电流I₂=260A

1#（2#）变压器年最大负荷利用小时数  T_max=

=98148960/14560=6741h

查τ-T_max曲线

最大负荷损耗小时数τ=6000h

①线路年节约电能

已知线路R=0.62Ω，

投运前年线路损耗△W_L1=△Pτ=3×IR×10τ=1179831kWh

投运后年线路损耗△W_L2=△Pτ=3×IR×10τ=755092 kWh

线路上节约电能△W_L=△W_L1-△W_L2=424739kWh

②变压器年节约电能

已知△P_dn=80kW，取S_bn=20000kVA，

投运前变压器年电能损耗△W_b1=△P_0t+△P_dnτ

投运后变压器年电能损耗△W_b2=△P_0t+△P_dnτ

变压器上节约电能△W_b=△W_b1-△W_b2=△P_dnτ

=80×6000×0.14= 67200kWh

③年节约电能

W=△W_L+△W_b=424739+67200=491939kWh

两台变压器总共约为2×491939 =983878kWh

④年节约费用

工业用电费为0.66元/kWh，则全年可节省电费649359.5元。同时，SVG投运后，保证35kV侧功率因数，减少力调电费罚款。

6.2社会效益

（1）35kV变电所SVG无功补偿改造后，矿供电系统满足以下国家标准：①电压稳定在额定值的±5%以内，满足《电能质量－供电电压允许偏差》（GB12325－90）中“10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%”的规定。②功率因数经补偿后在正常运行方式下稳定在0.96以上，满足《全国供用电规则》第4.3条“高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上” 。

（2）供电系统谐波含量可明显降低，提高了供电质量，减小无功冲击、维持电压恒定，使电气设备因系统性原因引发的故障明显减少，设备使用寿命得以延长。同时，通过兼顾35kV侧功率因数，避免无功电力倒送及对电网的污染。

7结论

级联式高压动态无功补偿装置（SVG）改善了煤矿电网运行质量，长时间稳定无自身故障的运行，也体现了新风光公司SVG对煤矿电网的强适应力，值得在煤矿行业大力推广。

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。