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高壓動態無功補償裝置在煤礦供電系統中的應用

發布時間:2020-04-18 作者:新風光

1 SVG裝置的工作原理

1.1供電系統結構

一般電力系統用戶負荷吸收有功功率PL和無功功率QL,簡單的負荷連接如圖1所示。

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圖1 簡單的負荷連接圖

電源提供有功功率PS和無功功率QS(可能為感性無功,也可能是容性無功),忽略變壓器和線路損耗,則有,。沒有足夠無功補償的電網存在以下幾個問題:

(1)電網從遠端傳送無功;

(2)負荷的無功沖擊影響本地電網和上級電網的供電質量;

(3)負荷的不平衡與諧波也會影響電網的電能質量。

因此,電力系統一般都要求對用電負荷進行必要的無功、不平衡與諧波補償,以提高電力系統的帶載能力,凈化電網,改善電網電能質量。

1.2 SVG用于補償無功

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圖2 帶有SVG無功補償裝置的系統

假設負荷消耗感性無功(一般工業用戶都是如此)QL,此時控制SVG使其產生容性無功功率,并取QSVG=QL,這樣在負荷波動過程中,就可以保證:QS=QSVG-QL=0。

如果對電網等比較復雜的補償對象而言,當需要向電網提供感性無功時,可以通過對SVG的控制,使其產生感性無功功率,并取QSVG=QC,這樣在負荷波動過程中,仍然可以保證:QS=QSVG-QC=0。

此外,SVG在補償系統無功功率的同時,幾乎不產生諧波。更重要的是,SVG還可以對系統的諧波、不平衡等電能質量問題進行多功能綜合補償,實現部分有源濾波(APF)的功能。

1.3 SVG用于有源濾波

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圖3 基本原理圖

有源濾波器的基本思想如圖3所示。諧波源一般為非線性負荷,如整流器、帶有整流環節的變頻器及大量帶有開關器件的設備等,產生諧波電流Ih;供電系統一般為被保護對象,也即要達到最終流入或流出系統的電流是諧波含量極少的正弦波,有時還有功率因數要求;有源濾波裝置表現為可控電流源,它的作用是產生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反的補償電流-Ih,來達到消除諧波的目的。與無源濾波裝置相比,有源濾波器是一種動態變化的補償裝置,具有較好的動態性能。

1.4 SVG控制策略

SVG的控制目標主要是抑制暫態電壓變化。暫態電壓發生變化的可能原因包括發生故障和負荷大幅突增,特點是電壓很快下降,很可能是單調下降,結果將是暫態電壓失穩和引起低壓釋放負荷。為了維持暫態電壓穩定并減少低壓釋放負荷,一方面要求SVG能夠動態補償較大的容量,另一方面要求SVG具有較快的響應速度。新風光公司FGSVG系列高壓動態無功補償系統響應時間≤5ms,完全符合要求。

SVG還具有以下特點:

(1)SVG可以快速支撐電壓,減少低壓釋放負荷;

(2)SVG可以提高暫態電壓穩定性。

SVG的快速動態特性對減少釋放負荷,支撐電壓水平有顯著的作用,裝置的響應時間短,作用效果好。

SVG控制策略主要包括低電壓控制及過電壓控制,同時,在SVG控制策略中除了主控制外,加入輔助控制。輔助控制包括無功儲備控制,小電流不均壓控制,自動識別相序以及過流控制。

由上可以看出,SVG系統對于保證電網安全穩定運行具有很好的效果。

2用戶現場改造前情況

該煤礦是兗礦集團的下屬煤礦之一,該礦井共有3臺主變,其中1#主變容量31.5MVA,2#主變容量31.5MVA,3#主變容量20MVA。運行方式為1#主變主運行,2#、3#主變冷備用。110/6kV側均為單母線分段接線方式,其中6kV兩段母線并列運行。礦井統計總裝機負荷約80MW。

礦井主降壓變電所采用SVC即FC+TCR型集中補償方式。FC(兼做濾波通道)有效補償容量共16.27Mvar。其中4次2組,8次2組,3次1組,5次1組,TCR調節支路共9Mvar。TCR回路、3次1組、5次1組、4次1組、8次1組運行于I段,4次1組、8次1組運行于II段。

礦井電源電壓一般在114-115kV,主變運行于8檔,FC全部投入,目標值母線電壓6.3kV,母線電壓越線報警值為5.7-6.6kV。投入順序為先投入Ⅰ段3次、5次、4次、8次(3次、5次分別閉鎖I段的4次、8次),再投入Ⅱ段4次、8次,避免放大低次諧波。

現運行主要現象為:負荷超過24000kW時,6kV側電壓降低到5.9kV;負荷降低到12000kW時,必須切掉1組8次濾波器,110kV側電壓高于115kV時,還必須再切掉1組4次濾波器,才能將6kV側電壓降低到6.6kV以下,此時的TCR輸出電流為810A,已到極限。

其中,主井絞車:2×2600kW/AC-AC變頻變速,12相整流;副井絞車:2×1250kW/AC-AC 變頻變速,6相整流;膠帶機:4×315kW,AC電機,變頻調速,是產生諧波污染的主要來源,影響了礦井其他用電設備的正常運行,不利于礦井生產的順利進行。

該礦領導經過研究分析,決定采用SVG裝置對原有無功補償系統進行升級改造,經過反復對比各廠家產品情況,選用了新風光電子科技股份有限公司生產的FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)高壓動態無功補償系統1套進行了改造,取得了良好效果。

3 SVG改造控制方案介紹

新風光公司FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)高壓動態無功補償系統安裝在6kV系統Ⅱ段。該控制系統以6kV側母線無功功率作為控制目標。FGSVG裝置額定補償容量為-13Mvar(感性)~13Mvar(容性)無功連續可調。

因本項目原有SVC裝置控制策略是以6kV母線無功功率作為控制目標,因此本次改造在滿足無功容量的同時還需修改控制策略。兩套動態無功補償裝置在一段母線上,其控制目標也是相同的,因此,兩套裝置需要具備并聯運行功能,且不能出現沖突情況。需對原有SVC裝置需要進行升級改造,改造后,由新風光公司SVG裝置作為主控制系統,協調TCR裝置的無功出力,從而達到整套系統的無功平衡。改造后的無功控制整套系統可實現6Mvar(感性)~-29Mvar(容性)之間連續平滑調節,并具備濾波功能。

4 新風光公司FGSVG系列高壓動態無功補償系統基本介紹

新風光公司FGSVG系列高壓動態無功補償系統,采用現代電力電子、自動化、微電子及網絡通訊等技術,采用先進的瞬時無功功率理論和基于同步坐標變換的功率解耦算法,以功率因數、電網電壓或者兩者分時間段作為控制目標,動態的跟蹤電網電能質量變化來調節無功輸出,實現電網的高質量運行。

FGSVG系列高壓無功補償系統結構如圖4所示。系統主電路采用鏈式串聯結構,每相由多個換流鏈模塊(功率單元)組成,并采用冗余設計,滿足“N-1”的運行要求;功率單元利用可關斷大功率電力電子器件(IGBT)組成橋式電路。它的輸出電壓是由多個電平臺階合成的階梯波,開關器件所承受的電壓應力小,避免大的dv/dt所導致的問題。FGSVG系列高壓無功補償系統可多臺FGSVG并聯安裝,極易擴展容量。

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圖4 FGSVG系統結構示意圖

4.1 功率單元

功率單元簡化電路如圖5所示。每個功率單元均具有完善的保護措施,并將各工作狀態送回主控系統,主控與各單元信號連接均采用光纖通訊。功率單元主回路是典型的H橋電路。

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圖5功率單元簡化電路

為了得到更快的響應速度和更高的性能采用電流直接控制技術和載波移相技術,實現并網無功電流的快速控制和更優的并網電流波形,如圖6所示。FGSVG能夠快速連續地提供容性或者感性無功功率,實現適當的電壓和無功功率控制,保障電力系統穩定、優質地運行。

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圖6 感性額定電流到容性額定電流響應時間測試波形

4.2控制及保護功能

4.2.1控制系統

控制柜采用柜式結構,柜體選用優質“三防”產品,抗電磁干擾能力強。控制柜由主控機箱、PLC(可編程邏輯控制器)和觸摸屏等幾個主要部分組成。

主控機箱是新風光公司自主研發的,通過了嚴苛的EMC(電磁兼容性)認證、溫度循環及振動試驗的處理,具有極高的可靠性。主控機箱內含有電源板、主控板、分相板、分信號板等線路板,實現插卡式互連,穩定性好,易于維護。

主控箱中控制核心由高速32位數字信號處理器DSP、大規模可編程邏輯器件CPLD/FPGA協同運算來實現。控制器采用雙核控制芯片,分別負責設計算法與通訊,保證了設備的運算性能與控制精度。精心設計的算法可以保證FGSVG達到較優的運行性能。控制器采用大規模集成電路和表面焊接技術,利用自動化焊接設備進行焊接、針床測試進行檢驗,系統具有極高的可靠性。

采用工業級PLC,實現整機的邏輯控制,實時與主控部分、觸摸屏通訊,把裝置的運行狀態實時的傳給觸摸屏顯示,完成觸摸屏、柜門按鈕對裝置的控制,實現柜體內開關信號的可靠邏輯處理,以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調,增強了系統的靈活性。

選用知名品牌人機界面,實時顯示系統運行狀態和數據,可查詢與設定系統運行參數以及整機邏輯控制等功能。人機界面具有豐富的顯示界面,可實時狀態量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態監控、系統信息查詢、歷史故障查詢等功能外,還具有上電控制系統自檢、一鍵開停機、分時控制、示波器、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。

控制系統具有和上位機通訊的標準化接口。通訊采用RS485等通訊接口,采用標準Modbus-RTU或用戶自定義等多種通訊協議,非常方便與現場系統進行通訊。

4.2.2裝置主要保護功能

(1)裝置過電流保護

(2)電網過電壓保護

(3)電網欠電壓保護

(4)單元過壓保護

(5)單元過溫保護

(6)單元短路保護

(7)單元通訊異常保護

(8)光纖傳輸異常保護

裝置內部出現任何電路故障均有告警、停機等相應對策,及時上傳,不會對上級系統造成影響。成套裝置實現自動檢測、遠程手動投切和就地手動投切,各種方式之間有可靠的閉鎖,防止發生事故。檢測、控制均實現完全自動無人值守。

5 應用效果

2014年9月,該煤礦應用了新風光公司FGSVG-C13.0/6型(13Mvar/6kV)型1套高壓動態無功補償裝置進行了改造,配合原SVC投入運行,充分發揮了SVG的快速特性和電容器組的穩態性能,使系統在補償特性、可靠性等方面達到較優。主要表現在以下幾個方面。

(1)功率因數大大提高,既節約了生產成本,又達到了節能降耗的目的。據統計,2套SVG一年節省電費80萬元左右。

(2)改善了供電系統供電波形,提高了供電質量,受電終端電壓閃變情況基本消失。

(3)改造后,6kV母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率、各次諧波電流、電壓不平衡度、電壓波動、功率因數等滿足電能質量有關國家標準的要求,保障了煤礦其他的自動化儀表,監控系統設備的正常運行,降低了相應的維護保養費用,為煤礦生產的安全保駕護航。