郭宏圖

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團公司發(fā)電廠,山西介休 032000)

隨著煤礦原煤產量的大幅度提高,井下采掘、運輸等工作向機械化自動化的方向發(fā)展,機械化程度和機械設備的效能越來越高,對供電質量要求也越來越高。而煤礦供電系統(tǒng)大多存在功率因數低、損耗大、諧波污染嚴重、電壓波動大等問題。

早期煤礦變電站中大量使用機械投切的并聯(lián)電容、電抗作為無功補償,稱之為第一代靜態(tài)無功補償裝置,響應速度以秒計,無法跟蹤負荷無功的快速變化。隨著電力電子技術的發(fā)展,晶閘管取代了機械開關,誕生了第二代無功補償裝置,主要以晶閘管控制電抗器(TCR)為代表,TCR和并聯(lián)的固定濾波器組構成的成套裝置稱為 SVC。這類裝置大大提高了無功調節(jié)的響應速度,但仍屬于阻抗型裝置,其補償功能受系統(tǒng)參數影響,而 TCR本身就是諧波源,容易產生諧振、諧波電壓放大等嚴重問題。

SVG屬于第三代動態(tài)無功補償技術,主要采用基于 IGBT電壓源逆變器構成無功補償裝置,不再采用大容量的電容器、電抗器,通過大功率電力電子器件的高頻開關實現(xiàn)無功能量的變換。SVG補償裝置在兩個方面具有重要優(yōu)越性,就動態(tài)無功補償而言,SVG包含傳統(tǒng) SVC裝置的一切功能而性能更好,體積更小,響應速度更快,補償能力更強;同時,SVG具備傳統(tǒng) SVC沒有的功能,SVG裝置不僅不產生諧波,還能動態(tài)補償諧波。

1 SVG工作原理

如圖1所示,SVG裝置的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網上,適當地調節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位或者直接控制其交流側電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流,實現(xiàn)動態(tài)無功補償的目的。詳細工作模式如表1所示。

圖1 SVG工作原理圖

?

2 SVG與 SVC比較分析

2.1 響應時間

SVG采用 IGBT全控型器件,器件開通關斷時間2 μs,采用 PWM控制算法整個裝置的響應時間＜10m s。SVG能動態(tài)快速連續(xù)調節(jié)無功輸出,最大限度滿足功率因數補償要求,確保任意時刻的功率因數＞ 0.95。

SVC裝置中的 TCR部分采用不可關斷晶閘管,一旦晶閘管導通,必須等電流過零才能自然關斷,因此 SVC控制系統(tǒng)發(fā)出指令到晶閘管響應最大得延時為 10m s(半個周期),加上TCR本身得過渡過程,整個 SVC裝置的響應時間約為 40～60 ms。

2.2 諧波治理功能

采用先進的鏈式電路拓撲結構和多電平 PWM技術來消除低次諧波,輸出電壓、電流諧波畸變率均小于 3%,不需要安裝諧波濾波器支路;在不增加硬件成本的情況下可實現(xiàn)低次諧波濾波功能,特別適合于煤炭等諧波及沖擊負荷。

晶閘管控制電抗器 TCR是通過改變觸發(fā)延遲角的大小來改變其等效感抗,會產生大量的諧波,即使系統(tǒng)中沒有諧波,也必須配置濾波支路;對于 TCR,采用濾波器組后,當系統(tǒng)或負載參數變化時,可能發(fā)生諧波放大現(xiàn)象,引起過電壓危害設備安全。

2.3 占地面積小

SVG成套裝置中只包括啟動裝置、功率部分、連接電抗器、控制系統(tǒng),無需變壓器,適合做成箱式變,根據客戶需求,亦可做成移動式。占地面積只有相同容量 SVC的 30%。SVC中的電抗器不僅本身體積龐大,而且為確保絕緣距離,要充分考慮相互間的安裝間隔,整體占地面積非常大;另外還需額外配置濾波器組,占地面積大。

2.4 可靠性高,維護量小:

SVG采用模塊化設計,滿足IGBT功率模塊N-1運行方式,有效提高系統(tǒng)可靠性,減小維護量;可控電流源型,對系統(tǒng)參數不敏感,不會發(fā)生諧振或諧波電壓放大,根據系統(tǒng)需要,可以方便地消除系統(tǒng)諧波電流,起到抑制諧振的效果。

SVC使用了大量電容器電抗器,是阻抗型補償裝置,對系統(tǒng)參數很敏感,容易引起諧振或諧波電壓放大,不僅危害自身設備安全,對系統(tǒng)其他設備的安全也存在較大的隱患。

2.5 低電壓特性好

SVG是電流源的特性,輸出電流可不受母線電壓影響。這一優(yōu)點使SVG用于電壓控制時具備很大的優(yōu)勢,系統(tǒng)電壓越低,越需要動態(tài)無功支撐電壓,SVG輸出無功電流與系統(tǒng)電壓沒有關系,可以看作是一個可控恒流源。

SVC是阻抗型特性,輸出電流隨母線電壓線性降低。

圖6 SVC和 SVG補償的電壓電流特性比較

2.6 運行損耗小,運行效率高

(1)采用新型低損耗功率器件 IGCT或 IGBT,運行效率提高。

(2)省去了連接變壓器,成套裝置效率達 99%以上。

(3)輸出電壓、電流諧波畸變率低,諧波損耗小,系統(tǒng)損耗小,效率高。

(4)等效運行損耗大大小于 SVC,運行耗電量大大低于 SVC,節(jié)能效果顯著,運行維護費用較SVC低。

3 結束語

針對煤礦的動態(tài)無功補償與諧波問題,SVG型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置相比 SVC相比,有著響應時間快、有源濾波功能、占地面積小、可靠性高等優(yōu)勢。隨著 SVG產品國內市場化之后,成套裝置綜合投資成本已大大降低,SVG將是煤礦供電系統(tǒng)無功補償與諧波治理的最佳選擇。

[1] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[2] 姜齊榮,謝小榮,陳建業(yè).電力系統(tǒng)無功補償——結構、原理、控制與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[3] 馮煜珵,陳陳.靜止同步補償器與傳統(tǒng)靜止無功補償器的比較與分析[J].華東電力,2005,33(9): 16-19.

[4] 張劉春,韓如成.無功補償裝置的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].太原重型機械學院學報,2004,25(1):30-33,39.

[5] 董云龍,吳杰.無功補償技術綜述[J].節(jié)能, 2003,(9):13-15,19-20.