摘要：本文通過對SVG裝置的工作原理，以及SVG在兗礦集團(tuán)某煤礦應(yīng)用情況的介紹，表明新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的級聯(lián)式高壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置具有效率高、響應(yīng)快、可靠性高、諧波補(bǔ)償率高、閃變抑制能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合在煤礦行業(yè)大力推廣。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)、煤礦、SVG、諧波、功率因數(shù)、節(jié)能

1  SVG裝置的工作原理

1.1供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖1簡單的負(fù)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(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)存在以下幾個(gè)問題：

（1）電網(wǎng)從遠(yuǎn)端傳送無功；

（2）負(fù)荷的無功沖擊影響本地電網(wǎng)和上級電網(wǎng)的供電質(zhì)量；

（3）負(fù)荷的不平衡與諧波也會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

因此，電力系統(tǒng)一般都要求對用電負(fù)荷進(jìn)行必要的無功、不平衡與諧波補(bǔ)償，以提高電力系統(tǒng)的帶載能力，凈化電網(wǎng)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1.2SVG用于補(bǔ)償無功

圖2帶有SVG無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)

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

如果對電網(wǎng)等比較復(fù)雜的補(bǔ)償對象而言，當(dāng)需要向電網(wǎng)提供感性無功時(shí)，可以通過對SVG的控制，使其產(chǎn)生感性無功功率，并取QSVG=QC，這樣在負(fù)荷波動過程中，仍然可以保證：QS=QSVG-QC=0。

此外，SVG在補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率的同時(shí)，幾乎不產(chǎn)生諧波。更重要的是，SVG還可以對系統(tǒng)的諧波、不平衡等電能質(zhì)量問題進(jìn)行多功能綜合補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)部分有源濾波（APF）的功能。

1.3SVG用于有源濾波

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(fù)荷，如整流器、帶有整流環(huán)節(jié)的變頻器及大量帶有開關(guān)器件的設(shè)備等，產(chǎn)生諧波電流Ih；供電系統(tǒng)一般為被保護(hù)對象，也即要達(dá)到最終流入或流出系統(tǒng)的電流是諧波含量極少的正弦波，有時(shí)還有功率因數(shù)要求；有源濾波裝置表現(xiàn)為可控電流源，它的作用是產(chǎn)生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反的補(bǔ)償電流-Ih，來達(dá)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(tài)變化的補(bǔ)償裝置，具有較好的動態(tài)性能。

1.4SVG控制策略

SVG的控制目標(biāo)主要是抑制暫態(tài)電壓變化。暫態(tài)電壓發(fā)生變化的可能原因包括發(fā)生故障和負(fù)荷大幅突增，特點(diǎn)是電壓很快下降，很可能是單調(diào)下降，結(jié)果將是暫態(tài)電壓失穩(wěn)和引起低壓釋放負(fù)荷。為了維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定并減少低壓釋放負(fù)荷，一方面要求SVG能夠動態(tài)補(bǔ)償較大的容量，另一方面要求SVG具有較快的響應(yīng)速度。新風(fēng)光公司FGSVG系列高壓動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間≤5ms，完全符合要求。

SVG還具有以下特點(diǎn)：

（1）SVG可以快速支撐電壓，減少低壓釋放負(fù)荷；

（2）SVG可以提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

SVG的快速動態(tài)特性對減少釋放負(fù)荷，支撐電壓水平有顯著的作用，裝置的響應(yīng)時(shí)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(shí)，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(tǒng)對于保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有很好的效果。

2  用戶現(xiàn)場改造前情況

該煤礦是兗礦集團(tuán)的下屬煤礦之一，該礦井共有3臺主變，其中1#主變?nèi)萘?1.5MVA，2#主變?nèi)萘?1.5MVA，3#主變?nèi)萘?0MVA。運(yùn)行方式為1#主變主運(yùn)行，2#、3#主變冷備用。110/6kV側(cè)均為單母線分段接線方式，其中6kV兩段母線并列運(yùn)行。礦井統(tǒng)計(jì)總裝機(jī)負(fù)荷約80MW。

礦井主降壓變電所采用SVC即FC+TCR型集中補(bǔ)償方式。FC（兼做濾波通道）有效補(bǔ)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(diào)節(jié)支路共9Mvar。TCR回路、3次1組、5次1組、4次1組、8次1組運(yùn)行于I段，4次1組、8次1組運(yùn)行于II段。

礦井電源電壓一般在114-115kV，主變運(yùn)行于8檔，F(xiàn)C全部投入，目標(biāo)值母線電壓6.3kV，母線電壓越線報(bào)警值為5.7-6.6kV。投入順序?yàn)橄韧度擘穸?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(xiàn)運(yùn)行主要現(xiàn)象為：負(fù)荷超過24000kW時(shí)，6kV側(cè)電壓降低到5.9kV；負(fù)荷降低到12000kW時(shí)，必須切掉1組8次濾波器，110kV側(cè)電壓高于115kV時(shí)，還必須再切掉1組4次濾波器，才能將6kV側(cè)電壓降低到6.6kV以下，此時(shí)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(jī)：4×315kW，AC電機(jī)，變頻調(diào)速，是產(chǎn)生諧波污染的主要來源，影響了礦井其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，不利于礦井生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

該礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過研究分析，決定采用SVG裝置對原有無功補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，經(jīng)過反復(fù)對比各廠家產(chǎn)品情況，最終選用了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的FGSVG-C13.0/6型（13Mvar/6kV）高壓動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)1套進(jìn)行了改造，取得了良好效果。

3  SVG改造控制方案介紹

新風(fēng)光公司FGSVG-C13.0/6型（13Mvar/6kV）高壓動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)安裝在6kV系統(tǒng)Ⅱ段。該控制系統(tǒng)以6kV側(cè)母線無功功率作為控制目標(biāo)。FGSVG裝置額定補(bǔ)償容量為-13Mvar（感性）～13Mvar（容性）無功連續(xù)可調(diào)。

因本項(xiàng)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(biāo)，因此本次改造在滿足無功容量的同時(shí)還需修改控制策略。兩套動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在一段母線上，其控制目標(biāo)也是相同的，因此，兩套裝置需要具備并聯(lián)運(yùn)行功能，且不能出現(xiàn)沖突情況。需對原有SVC裝置需要進(jìn)行升級改造，改造后，由新風(fēng)光公司SVG裝置作為主控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)TCR裝置的無功出力，從而達(dá)到整套系統(tǒng)的無功平衡。改造后的無功控制整套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)6Mvar（感性）～-29Mvar（容性）之間連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，并具備濾波功能。

4新風(fēng)光公司FGSVG系列高壓動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)基本介紹

新風(fēng)光公司FGSVG系列高壓動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)，采用現(xiàn)代電力電子、自動化、微電子及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，采用先進(jìn)的瞬時(shí)無功功率理論和基于同步坐標(biāo)變換的功率解耦算法，以功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓或者兩者分時(shí)間段作為控制目標(biāo)，動態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化來調(diào)節(jié)無功輸出，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高質(zhì)量運(yùn)行。

FGSVG系列高壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)主電路采用鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu)，每相由多個(gè)換流鏈模塊（功率單元）組成，并采用冗余設(shè)計(jì)，滿足“N-1”的運(yùn)行要求；功率單元利用可關(guān)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(gè)電平臺階合成的階梯波，開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力小，避免大的dv/dt所導(dǎo)致的問題。FGSVG系列高壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)可多臺FGSVG并聯(lián)安裝，極易擴(kuò)展容量。

圖4FGSVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1功率單元

功率單元簡化電路如圖5所示。每個(gè)功率單元均具有完善的保護(hù)措施，并將各工作狀態(tài)送回主控系統(tǒng)，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。

圖5功率單元簡化電路

為了得到更快的響應(yīng)速度和更高的性能采用電流直接控制技術(shù)和載波移相技術(shù)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)無功電流的快速控制和更優(yōu)的并網(wǎng)電流波形，如圖6所示。FGSVG能夠快速連續(xù)地提供容性或者感性無功功率，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷汉蜔o功功率控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行。

圖6感性額定電流到容性額定電流響應(yīng)時(shí)間測試波形

4.2控制及保護(hù)功能

4.2.1控制系統(tǒng)

控制柜采用柜式結(jié)構(gòu)，柜體選用優(yōu)質(zhì)“三防”產(chǎn)品，抗電磁干擾能力強(qiáng)。控制柜由主控機(jī)箱、PLC（可編程邏輯控制器）和觸摸屏等幾個(gè)主要部分組成。

主控機(jī)箱是新風(fēng)光公司自主研發(fā)的，通過了嚴(yán)苛的EMC（電磁兼容性）認(rèn)證、溫度循環(huán)及振動試驗(yàn)的處理，具有極高的可靠性。主控機(jī)箱內(nèi)含有電源板、主控板、分相板、分信號板等線路板，實(shí)現(xiàn)插卡式互連，穩(wěn)定性好，易于維護(hù)。

主控箱中控制核心由高速32位數(shù)字信號處理器DSP、大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD/FPGA協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。控制器采用雙核控制芯片，分別負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)算法與通訊，保證了設(shè)備的運(yùn)算性能與控制精度。精心設(shè)計(jì)的算法可以保證FGSVG達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能?？刂破鞑捎么笠?guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，利用自動化焊接設(shè)備進(jìn)行焊接、針床測試進(jìn)行檢驗(yàn)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

采用工業(yè)級PLC，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的邏輯控制，實(shí)時(shí)與主控部分、觸摸屏通訊，把裝置的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)的傳給觸摸屏顯示，完成觸摸屏、柜門按鈕對裝置的控制，實(shí)現(xiàn)柜體內(nèi)開關(guān)信號的可靠邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

選用知名品牌人機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，可查詢與設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以及整機(jī)邏輯控制等功能。人機(jī)界面具有豐富的顯示界面，可實(shí)時(shí)狀態(tài)量及模擬量的顯示、運(yùn)行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)信息查詢、歷史故障查詢等功能外，還具有上電控制系統(tǒng)自檢、一鍵開停機(jī)、分時(shí)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(tǒng)具有和上位機(jī)通訊的標(biāo)準(zhǔn)化接口。通訊采用RS485等通訊接口，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU或用戶自定義等多種通訊協(xié)議，非常方便與現(xiàn)場系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

4.2.2裝置主要保護(hù)功能

（1）裝置過電流保護(hù)

（2）電網(wǎng)過電壓保護(hù)

（3）電網(wǎng)欠電壓保護(hù)

（4）單元過壓保護(hù)

（5）單元過溫保護(hù)

（6）單元短路保護(hù)

（7）單元通訊異常保護(hù)

（8）光纖傳輸異常保護(hù)

裝置內(nèi)部出現(xiàn)任何電路故障均有告警、停機(jī)等相應(yīng)對策，及時(shí)上傳，不會對上級系統(tǒng)造成影響。成套裝置實(shí)現(xiàn)自動檢測、遠(yuǎn)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(fā)生事故。檢測、控制均實(shí)現(xiàn)完全自動無人值守。

5  應(yīng)用效果

2014年9月，該煤礦應(yīng)用了新風(fēng)光公司FGSVG-C13.0/6型（13Mvar/6kV）型1套高壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了改造，配合原SVC投入運(yùn)行，充分發(fā)揮了SVG的快速特性和電容器組的穩(wěn)態(tài)性能，使系統(tǒng)在補(bǔ)償特性、可靠性等方面達(dá)到最優(yōu)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）功率因數(shù)大大提高，既節(jié)約了生產(chǎn)成本，又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2套SVG一年節(jié)省電費(fèi)80萬元左右。

（2）改善了供電系統(tǒng)供電波形，提高了供電質(zhì)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(shù)等滿足電能質(zhì)量有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，保障了煤礦其他的自動化儀表，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行，降低了相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，為煤礦生產(chǎn)的安全、高效保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

新風(fēng)光電子使用手冊[Z]新風(fēng)光電子科技股份有限公司。

作者簡介：

李志剛，男，本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)供職于新風(fēng)光電子科技股份有限公司技術(shù)中心從事SVG產(chǎn)品的研發(fā)工作。

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