SVC自动无功补偿系统装置的设计

毛海龙

（阳煤集团五矿机运区供电队， 山西 阳泉 045000）

引言

随着煤矿井下采掘机械化的发展，煤矿变电站电器设备的总容量在增加，使用功率增大，供电距离加长。由于矿井用电设备多为电动机、水泵等感性负载，在运行中需要从电网吸收无功功率，造成了变电站功率因数较低，而系统电网要求用电单位功率因数不得低于0.9，否则在电费结算时将进行功率因数罚款，给企业造成经济负担。

为了避开高峰时期用电负荷，煤矿时常在用电高峰时间段进行停产检修作业，利用夜间加速生产，造成全天供电电压波动较大，电压高时容易烧毁设备，电压低时设备开不起来，每天需要调整变压器分头来调整输出电压，以满足矿井生产电压，在调整时，一是需要停电操作，二是调整完毕需做试验，浪费停电时间及人力成本。另外，由于煤矿负荷主、副井提升及潜水泵房采用变频软启动，而变频设备的增加造成大量的谐波电流注入电网，影响电能质量，造成资源浪费。

因此，采用新型无功功率补偿装置提高变电站功率因数、消除谐波、改变无功调节方式，成为变电站提高供电质量的发展和选择。阳煤五矿变电站在进行技术改造时，开始对静置型动态无功补偿装置（SVC）的采用进行探索应用研究，并于2015年正式投入运行。静置型动态无功补偿装置的应用有效提高了变电站功率因数，同时消除了谐波的危害。该装置已成功在磁西副井变电站九龙变电站的建设中进行了推广应用[1-2]。

1 SVC自动无功补偿装置的设计

1.1 SVC自动无功补偿装置的结构和工作原理

基于SVC自动无功补偿装置TCR型具有反应时间快、无级补偿、运行可靠、能分相调节、适用范围广等优点，在阳煤五矿变电站中选择TCR型结构的SVC系统。

TCR型SVC主要由TCR可调相控电抗器、FC滤波器和数字控制系统三大部分构成。该SVC装置的主接线图如图1所示。

图1 TCR型SVC主接线示意图

从图1中可知，该TCR型SVC装置接在单母线上，5次、7次滤波器设计为等容量的两组支路，与TCR支路共同接在10 kV母线上。

该TCR型SVC装置的控制系统如图2所示，控制系统主要是由A/D采集系统、DSP运算单元、TCR脉冲发生板、电光转换装置、晶闸管阀组、保护系统和工控机监测系统组成。

图2 TCR型SVC控制系统结构示意图

可调相控电抗器（TCR）产生连续变化感性无功的基本原理如下页图3-1所示，U为交流电压，Th1、Th2为两个反并联可控硅，控制这两个可控硅在一定范围内导通，则可控制电抗器流过的电流i，i和u的基本波形如下页图3-2所示。α为Thl和Th2的触发角，则有：i的基波电流有效值为：

式中：Um为相电压峰值；V为相电压有效值；ωL为电抗器的基波电抗，Ω。

因此，可以通过控制电抗器L上串联的两只反并联可控硅的触发角α来控制电抗器吸收的无功功率的值。对于不对称负荷，采用STEIN-ME1Z分相调节理论，将负荷补偿为纯有功的三相平衡系统。

FC部分由电抗器和电容串联而成，主要功能是滤波兼提供固定容性补偿装置。SVC主要用于补偿用户母线上的无功功率和滤除谐波。

图3 TCR型SVC自动无功补偿装置原理图

1.2 SVC自动无功补偿系统内容

1）名称：35 kV谐波抑制及动态无功补偿SVC成套装置。

2）数量：晶闸管控制线性电抗器+滤波器（TCR+FC）一套。

3）配套型式及主要基本参数：静止型无功补偿SVC装置 /谐波抑制装置（3、5、7、11次滤波支路）。

4）各滤波支路采用单调谐接线方式或高通接线方式，中性点通过避雷器接地，设置零序过电压保护或中性点不平衡电流保护。

5）系统电压：系统标称电压35 kV（变压器副边为35.5 kV），最高长期运行电压36 kV，母线正常电压偏差为-7%～+10%（正常偏远范围），额定频率为50 Hz。

6）补偿系统的11次滤波包括了11次及以上次数的谐波分量。

1.3 SVC的控制方式

采用开、闭环结合的控制方式。开环以满足SVC控制器的响应时间，确保系统对电压波动和闪变抑制的要求。闭环控制来调节被控TCR电流精度，以确保系统功率因数的稳定。可实现三相同时控制、分相控制和三相平衡化等多种控制方式[3-4]。

在电压和无功控制调整目标下，使SVC各支路断路器、冷却系统、保护装置和有关的安全系统协调运行，逻辑正确。

2 SVC自动无功补偿装置运用效果

在阳煤五矿变电站中选择应用TCR型结构的SVC系统装置后，变电站供电系统安全稳定。经测试，10 kV进线的各项指标都在国标允许范围内，电压总畸变率从未投SVC的6.659%降低到投运SVC后的2.888%；电压波动很小；功率因数很高；谐波降到国标范围内；进线电流大为降低，使变压器、电缆、各种用电负荷得到了充分的保护。可见补偿效果良好，SVC起到了至关重要的作用。同时该TCR型SVC系统操作简单，维护量少，SVC系统在运行过程中只需在电脑控制器中将功率因数值及电压设定值设定，即可实现自动调整功率因数及输出电压[5-7]。

3 运用该装置后产生的经济社会效益

3.1 经济效益

改造前自然功率因数为0.85，改造完成后功率因数由0.85提高到0.96，按照供电局各栏目的计算依据如下：功率因数奖罚依据，功率因数每提高0.01个百分点按照电费总额的0.1%进行奖励。35 kV电压平段大工业用电电价按照0.617 1元/kW·h，阳煤五矿每小时用电量为1.3万kW·h。

全天用电量为1.3万kW·h×24 h=31.2万kW·h；月用电量为（按照平均30天计算）：30 d×31.2万kW·h/d=936万kW·h；月电费支出为936万kW·h×0.6171元/kW·h=577.61万元；月功率因数由0.85提高到0.96奖励费用为11×0.1%×577.61万元=6.354万元/月。年功率因数奖励费用为6.354万元/月×12月=76.25万元。

3.2 社会效益

降低系统电压波动，提高了供电可靠性。矿井避峰调荷的实施，造成变电站在白天和夜晚的电压波动很大，很多变电站都超过了5%，在负荷低谷电压过高，每天需频繁地投切电容器组。采用SVC自动无功补偿系统，减少了工人劳动强度和设备维护次数，降低了因人员操作带来误操作的风险。将先进性、安全性、经济性和智能化融为一体，能有效降低变电站供电事故，提高矿井的安全生产水平。

消除了系统谐波，提高了供电质量。近年来，随着电力电子技术在电气设备中的广泛应用，变频启动设备在电网中不断增多，在节能降耗的同时，也在供电系统中产生了大量谐波，严重影响了供电质量。SVC系统中的FC滤波电容器组能有效地消除电网中的3、5、7、11次谐波，提高了电能质量，减少了用户因电压波动而造成设备停运的损失。