无功补偿装置（MSVC）在煤矿供电系统中的应用

徐继营

摘 要：随着现代化矿井快速发展，机械化程度不断提升，大功率电机及大功率变频器等设备的大量使用，必然会使供电系统中需要提供大量的无功功率，无功的大量存在势必造成电能的浪费，电费的大幅升高，同时设备运行时还会产生大量的谐波，严重污染供电系统，造成电能质量严重下降，由于谐波的存在还会导致一些用电设备不能正常运转，本文针对淮北矿业童亭煤矿大井变电所6kV电能质量现状，介绍了MSVC在该矿供电系统投入的必要性，MSVC的组成和控制原理，对该矿井投入MSVC设备应用后的效果进行总结，MSVC设备的投入确实大大提高了供电系统功率因数，减少了企业电费的消耗，消除了谐波危害，电能质量达到国家标准要求。

关键词：MSVC；MCSR；谐波；无功补偿

引言

童亭煤矿大井地面35/6kV变电所电源引自杨柳区域变电所，6kV侧采用单母线分断变压器为分列运行。原来采用固定容量电容器进行无功补偿，总容量2250KVAR。但主井电控系统扩能改造采用的是有源前端（AFE）整流的变频装置，具有较高的脉冲开关频率，导致反馈到电网的谐波量非常大，谐波电流汇入电网之后干扰上级配电系统中所存在的电容补偿部分，AFE产生的高频电流与电容组形成谐振导致电容补偿装置无法投切，致使矿井供电系统功率因数下降至0.82～0.87之间，达不到国家标准要求。因此针对童亭煤矿供电系统存在的突出问题，需要一套即能够快速、稳定的补充需要的无功功率又能够及时吸收供电系统的谐波的设备。

1 供电系统存在大量无功功率和谐波的危害

供电系统存在大量的无功功率会造成用供电线路大量传输无功，使企业电力费用大幅增加，同时造成电网功率因数低下，达不到电力部门对用电企业功率因数考核的要求，以上两点都会造成企业电力成本的增加。另外冲击性无功还会造成电网电压的波动，严重时，会造成供电系统设备保护动作，特别是煤矿一类供电负荷开关动作跳闸，给煤矿安全生产带来严重威胁。

谐波会造成供电系统电能污染，质量下降，谐波电流流经电动机、变压器等负荷时会造成设备铜损增加，设备局部发热、噪声、震动增加等故障，进而设备绝缘老化加快，使用寿命缩短。谐波还会引起各种仪表、计量装置发生故障，达不到计量精度或计量时误差加大，甚至造成根本无法计量。谐波还会干扰各种电气保护装置，使各种保护装置发生误动作或拒动作，对设备及人身安全造成严重威胁。

2 无功补偿装置（MSVC）结构和原理

无功补偿装置（MSVC）的结构主要由MCSR部分、LC滤波补偿部分及自动控制部分三部分组成。MCSR即磁控式可控并联电抗器，通过调节电抗器内部铁芯的磁导率，来改变MCSR电抗器输出连续可变的电感值，来抵消电容器输出的容性无功，最终达到MSVC设备输出需要的无功功率，实现稳定并提高供电系统功率因数的目的。控制系统通过检测模块检测供电系统各种参数，然后输入PLC内部并根据PLC设定的程序进行运算，PLC输出运算结果间接控制可控硅，来调节电抗器内部自耦直流电流的大小，从而改变铁芯的磁导率，控制MCSR输出电感值。

2.1 MCSR的结构和基本原理

MCSR运行原理是通过控制系统来控制可控硅导通角来调节电抗器内部自耦直流励磁电流大小，通过改变电流的大小来改变电抗器铁芯的磁导率，进而使MCSR设备能够连续输出可变的电感。基于以上原理该设备运行时，不需要额外提供励磁电源，因此具有功耗低、反应快的特点，因此得到广泛的应用。

单相磁控式可控并联电抗器的结构原理如上图1所示，电抗器由4柱铁心和绕组组成，中间两个铁心柱为工作铁心，上面分别对称地绕有主绕组N和控制绕组NK，控制绕组与主绕组电气隔离。每一中间铁心柱的控制绕组有抽头比为 的抽头，它们之间接有可控硅T1、T2；不同铁心的上下两个主绕组交叉连接后并联至电源。当可控电抗器主绕组接至电源电压时， 在可控硅T1、T2 两端感应出电源电压1% 左右的电压。电源电压正半周触发导通可控硅T1，电源电压负半周期间触发导通可控硅T2，一个工频周期轮流导通T1和T2，使电抗器工作铁心饱和，输出电流增加。可控电抗器输出电流大小取决于可控硅控制角α， α越小，产生的控制电流越强，从而电抗器工作铁心磁饱和度越高，输出电流越大。因此，通过改变可控硅导通角调节电抗器内部自耦直流电流的大小，从而控制MCSR连续输出需要的电感值。

励磁单元直接从本体抽头取电源并处理得到稳定的直流工作电源，从控制器经光纤传输过来的脉冲信号经过电路处理，转换成PWM脉冲信号，控制晶闸管工作。光纤的使用实现了高压励磁单元对地的电气隔离，同时也大大增强了系统的抗干扰性，从而保证MCSR稳定工作。

2.2 滤波补偿装置的原理

LC滤波器是一种无源滤波器，是利用电容、电感、电阻的组合来组成滤波电路，然后把该滤波器与供电系统并联，来吸收供电系统内的谐波，同时LC滤波器的电容还担负着MSVC设备无功补偿的作用，童亭煤矿采用的LC滤波器结构如图2所示，该二阶高通滤波器的阻抗公式为：

根据以上公式可得滤波器阻抗Zn随频率变化的情况下特征曲线如图3所示，通过曲线可看出在一定频率范围内，该滤波器阻抗Zn的值较低，即针对该频率范围呈现较低的阻抗，形成对该频率谐波的低阻抗通路，因此该频率范围内的谐波电流就会被滤波器吸收，从而降低供电系统内谐波量。针对童亭煤矿供电系统现状，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路，达到通过滤波器吸收童亭煤矿电网中存在的谐波的目的。

2.3 无功补偿装置（MSVC）系统的组成及控制原理

针对童亭煤礦供电系统电能质量现状，我们采用无功补偿装置MSVC，MSVC装置连接到供电系统中，电容器提供固定的容性无功功率QC，MCSR控制器实时监测系统功率检测点的无功数值大小，根据控制器内设定的无功定值来自动调节MCSR的输出感性无功值QMCSR，MCSR输出的感性无功抵消电容输出的多余的容性无功，供电系统自身需要的无功值为Q，当QN=Q-QC+QMCSR=0（或等于使系统功率因数达标的某一值时），这样系统功率因数就恒定了，让功率因数恒定在一个符合国家标准的数值，就达到了调节系统功率因数的目的[2]，下图为童亭煤矿MSVC系统组成图。

该系统自动模式运行时，MCSR实时检测系统有功功率P、无功功率Q、功率因数cosφ及主变压器开关、联络开关的分合状态，根据程序设定判断MCSR所补偿I段还是II段变压器，然后MSVC通过内部程序控制可控硅，来调节电抗器内部自耦直流电流的大小，控制MCSR输出连续的电感值，最终把系统功率因数cosφ固定在合适数值附近，并达到国家标准要求。另外MSVC谐波吸收部分的高通滤波器能够吸收把童亭煤矿供电系统大量存在的高次谐波（3、5、7），使其达到国家检测要求的电能质量。

3 结束语

无功补偿装置（MSVC）在淮北矿业童亭煤矿供电系统投入运行以来效果良好，能够把该矿6kV供电系统I段功率因数固定在0.98附近，6kVII段功率因数固定在0.96附近 ，I段和II段功率因数均超过0.95，符合供电局对该矿井供电考核的要求，另外设备投入运行后，经权威机构检测供电系统的谐波电压、谐波电流、电压总畸变率等电能质量指标均达到了国家标准要求。同时该设备还具有远程监控功能，可以实时读取MSVC装置的各项在线运行参数，如电压、电流、功率因数等信号。因此该MSVC无功补偿装置在淮北矿业童亭煤矿投入以来运行稳定，抑制谐波电流效果明显，大大提高了该矿井电能质量，该设备特别在调控矿井6kV供电系统功率因数方面效果更加突出。

参考文献：

[1]李常俊 . 静止型动态无功补偿装置（SVC）补偿容量的确定[J]. 铝加工，2011，（3）.

[2]刘忠勋，马洪渡. 浅析静止型动态无功补偿装置（SVC）在煤矿的应用[J]. 中国科技纵横，2010，（7）.