煤矿井下供电系统无功电压综合控制与谐波治理技术及其装备的研究.docx
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煤矿井下供电系统无功电压综合控制与谐波治理技术及其装备的研究
矿井供电系统无功电压综合控制
与谐波治理技术的研究
中国矿业大学（北京）
2012年8月28日
矿井供电系统无功电压综合控制
与谐波治理技术的研究
一、项目依据
1.存在问题
我国是煤炭年产量最大的国家，同时也是消耗煤炭最多的国家。
现在的煤炭生产已全面实现机械化、自动化，高产高效工作面数量逐渐增多，采掘机械的装机容量和单台设备的装机容量不断增加，线路的长度也在增加，这些都导致了电压损耗的增加。
日产万吨工作面早已将供电电压提高到3300V。
对于输出功率相同的电动机而言，供电电压的提高，减小了线电流，从而降低了线路的有功损耗，但是，由于从移动变电站到电动机的电缆长度较短，损耗本来就不大，因此对于减少线损作用不够显著；将移动变电站的二次电压从1140V升高到3300V，对于6kV或10kV电缆线路来说，线路损耗并没有发生变化，况且我国煤矿井下大多数供电电压依然采用1140V；无论采用哪种电压等级，其移动变电站低压系统的平均功率因数都较低，一般在0.7～0.8左右，大功率电动机起动时，平均功率因数甚至会低于0.4。
系统的功率因数偏低将造成以下不良影响：
电力系统的传输功率增加、线路电流增大、线路损耗增多、电压降增大、电能质量下降、设备利用率低。
同时，变频器等大功率电力电子设备的大量应用导致系统产生大量谐波电流，致使电压畸变。
以某综放工作面为例，其电流总谐波畸变率超20%，远大于国家标准（电能质量-公用电网谐波GB/T14549-93）谐波电流总含量≤4%的要求。
谐波的主要危害有产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱；使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差；干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行。
因此，积极采用无功补偿与谐波治理技术，提高矿井低压电网功率因数，滤除谐波，降低损耗，节约能源，充分挖掘发供电设备的潜力，能带来显著的节能效果，具有十分重大的经济及社会意义。
例如，若将功率因数提高到0.95，则可减少线路损耗3%，效果明显。
因此，研制并推广使用煤矿井下供电系统无功电压综合控制与谐波治理技术及其装备势在必行。
2.解决方案——静止无功发生器
静止无功发生器（StaticVarGenerator，SVG），又称STATCOM，是近年逐步发展起来的一种以电力系统无功补偿、电压支撑、有源滤波等功能为目标的电力电子设备。
SVG以大功率三相电压型逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时输出感性无功，同时实现有源滤波的功能。
作为无功补偿领域的另一重要分支，SVG是当前世界上最先进也是最复杂的补偿技术产品，在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等多方面具有更加优越的性能。
3.静止无功补偿技术现状
早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（SaturatedReactor--SR）型的，始于1967年的英国；由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以近20年来，其占据了静止无功补偿装置的主导地位，因此，静止无功补偿装置（SVC）这个词往往是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor--TCR）和晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor--TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC）,或者晶闸管控制电抗器与固定电容器（FixedCapacitor–FC）或机械投切电容器（MechanicalSwitchedCapacitor--MSC）混合使用的装置（如TCR+MSC等）。
随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，一种更为先进的静止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相电流电路的静止无功补偿装置，静止无功发生器（StaticVarGenerator--SVG），尤其是采用全控型器件的SVG的调节速度更快，运行范围更宽，而且在采取多重化或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。
更重要的是，SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC使用的电抗器和电容元件要小，装置的体积和成本都会有所下降。
SVG具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿装置的发展方向。
SVG的原理并不复杂，与变频器很相似。
从本质上讲，SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器，如图2所示。
我国煤矿采掘生产中使用的矿用隔爆型结构的无功补偿装置经历了固定电容器终端补偿装置、根据功率因数变化采用机械式开关自动投切电容器的无功自动补偿装置、采用机械式开关与固态开关并联的复合开关的无功自动补偿装置等，近期已有厂家开始研制矿用隔爆兼本安型动态无功补偿装置SVG，但尚未取得安标国家中心的MA认证，例如辽宁荣信公司研发的SVG，容量为500kVar；山东兖矿东方机电研发的SVG采用“SVG+FC”模式，其补偿容量为-1200kVar（感性）～+1700kVar（容性）。
图1各种无功补偿装置结构原理图
图2SVG等效结构图
4.几种无功补偿装置的技术对比
上述几种无功自动补偿装置的技术对比如下表1所示。
表1无功补偿装置技术性能特点及其对比
性能特点
SVG型
补偿装置
TCR型
补偿装置
机械投切电容器
补偿装置
无功补偿能力
感性/容性双向可调、连续
只能提供容性无功、连续
只能提供容性无功、分级
电压支撑能力
强
较差
较差
谐波电流
小
大
无
装置体积
小
大
大
运行安全性
不会发生谐振
阻抗型，易谐振
阻抗型，易谐振
闭环响应速度
小于10ms
30~50ms
100~200ms
损耗
小
较大
小
控制
复杂
较简单
简单
噪声
小
大
小
通过以上对比可以看出，SVG型补偿技术具有安全性高﹑体积小﹑电压支撑能力强﹑响应速度快等适应煤矿井下供电工况的特点。
因此，选择SVG技术作为新一代煤矿井下供电系统无功电压综合控制与谐波治理技术的方案是可行的。
5.主要研究内容、技术指标
研制开发“煤矿井下供电系统无功电压综合控制与谐波治理技术及其装备”的全部软硬件，主要包括隔爆外壳、本安电路、功率单元、连接电抗器、控制柜、控制系统、工程师工作站等。
基于电压源型变流器的补偿方式，SVG采用大功率全控型电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换，可以对负载的谐波和无功进行补偿；其主要指标有：
◆响应时间小于5ms，瞬时功率因数大于0.95，有效治理电压瞬降、波动、闪变；补偿性能全面优于晶闸管投切电容器（TSC）型补偿设备。
◆采用无级调节方式，补偿精度0.1千乏，补偿平滑，解决了TSC型设备的有级调节方式对系统造成的无功冲击。
◆既能输出容性无功，也可输出感性无功，且输出容量不受电网电压影响，当电网电压低于额定电压时，仍可满容量输出；不存在传统设备补偿能力上的缺陷。
◆具有有源滤波功能，可以滤除50%以上的谐波。
6.关键技术与技术创新
SVG的基本原理是利用全控型大功率电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。
图3SVG原理图
关键技术包括：
全控型大功率电力电子器件级联技术、SVG的智能控制算法、数字控制系统、隔爆外壳内大功率器件的散热技术等。
技术创新之处在于：
将SVG技术应用到煤矿井下3300V供电系统中，成功解决并联电容器带电指示与隔爆外壳开盖闭锁的世界性难题、为实现采掘工作面供电系统的柔性输电技术（FACTS）目标奠定设备基础。
7.研究方法和技术路线
采用理论研究与计算机仿真相结合、实验室实验与现场实际运行实验相结合的研究方法，走以企业为龙头、以科研高校为依托的产、学、研相结合的技术路线，其技术路线如图3所示。
图3技术路线图
二、实现项目预期目标所具备的基础研究和条件
中国矿业大学（北京）当前从事该领域研究的人员包括3位教授、2名副教授、2名工程师，具有扎实的理论功底和丰富的现场经验。
中国矿业大学（北京）王彦文教授多年从事矿井供电安全与电力系统自动化、矿井供电系统无功自动补偿技术领域的研究工作，具有多项科研成果获得国家、煤炭部等科技进步奖励；曾经成功研制过矿用隔爆型1140V无功自动补偿装置和矿用隔爆型复合开关自动投切电容器的无功自动补偿装置，并获得过技术奖励。
三、计划进度与考核目标
●技术方案论证：
2012年10月至2012年11月；
●技术方案仿真：
2012年12月至2012年12月；
●数据采集与控制系统研制：
2012年11月至2013年4月；
●功率单元的研制：
2012年11月至2013年4月；
●热管散热隔爆外壳：
2013年3月至2013年4月；
●整机组装：
2013年5月至2013年5月；
●系统整体调试：
2013年6月至2013年6月；
●型式检验及防爆检验：
2013年7月至2013年8月；
●工业性运行试验：
2013年9月至2013年11月；
●技术产品鉴定：
2013年11月至2013年12月。
四、承担单位、协作单位及主要研究人员
承担单位：
主要研究人员：
协作单位：
中国矿业大学（北京）
主要研究人员：
王彦文教授博士生导师
高彦讲师博士
李希年博士研究生
高峰硕士研究生
五、经费概算及分年度使用计划
经费总概算200万元，其中硬件购置及加工费占35%，研究费占50%，试验费占10%，其它占5%。
根据项目计划进度，2012年全年需要经费100万元，用以购置部分硬件及部分研究费用；2013年需要100万元，用以实验检验、技术鉴定等费用。
六、装置概况
1.装置的结构组成
A.热管散热隔爆外壳
◆防止壳内爆炸生成物引爆壳外爆炸性介质；
◆将壳内热量导出，保证大功率电力电子器件工作正常。
B.功率单元
◆SVG的核心主电路，用以实现功率变换；
◆链式结构，多个两电平H桥电路串联起来，达到电压叠加的目的。
在3.3KV系统应用时，每相连接多个两电平的逆变器模块；
◆模块化设计，功率单元的结构和电气性能完全一致，可以互换。
C.连接电抗器
◆用于连接SVG与电网，实现能量的缓冲；
◆减少SVG输出电流中的开关纹波，降低共模干扰。
D.主控制器
◆柜式结构，用于对SVG及其辅助设备的实时控制；
◆实现SVG与上位机及控制中心的通讯；
◆主控制器通过采集系统母线侧的电压、电流信号，计算得出需补偿的谐波电流或无功电流；
◆控制器生成逆变器所需的IGBT驱动信号，控制逆变器产生与负载谐波电流或无功电流幅值相等，相位相反的补偿电流，从而实现滤除谐波或补偿无功的目的。
E.工程师工作站
◆提供友好的全中文监控和操作界面；
◆实现远程监控和网络化控制；
◆内置PLC，可以和用户现场灵活接口，满足用户特殊需求。
2．装置的主要功能
SVG作为目前最先进的无功补偿设备，用以提高电网稳定性，增加输电能力，消除无功冲击，滤除谐波，平衡三相电网。
主要功能如下：
◆提高线路输电稳定性——在长距离输电线路上安装SVG装置，不但可以在正常运行状态下补偿线路的无功损耗，抬高线路电压，提高有效输电容量，而且可以在系统故障情况下提供及时的无功调节，阻尼系统振荡，提高输电系统稳定性。
◆维持受电端电压，加强系统电压稳定性——对于负荷中心而言，由于负载容量大，且没有大型的无功电源支撑，极易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃的稳定事故。
而SVG具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性。
◆补偿系统无功功率，提高功率因数，降低线损，节能降耗——电力系统中的大量负荷，如异步电动机及大容量的整流设备等，在运行中需要大量的无功补偿。
◆抑制电压波动和闪变——电压波动和闪变主要是采煤机等负荷的急剧变化引起的。
负荷的急剧变化会导致负荷电流产生对应的剧烈波动，剧烈波动的电流使系统电压损耗快速变化，从而引起受电端电网电压闪变。
SVG能够快速地提供变化的无功电流，以补偿负荷变化引起的电压波动和闪变现象。
◆抑制三相不平衡——配电网中存在着大量的三相不平衡负载，同时，线路、变压器等输配电设备三相阻抗的不平衡也会导致电压不平衡问题的产生。
SVG能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。
SVG能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。
七、项目的经济效益与社会效益
对于煤炭生产企业而言，采用矿用隔爆型SVG能够带来四个方面的效益：
一是稳定了终端电压，既能保证采煤机、刮板输送机等大功率电动机的正常起动，又能防止在负荷空载时出现高电压导致的其它设备的损坏；二是可以补偿无功功率，减少线路损耗，节省大量电费，符合国家节能减排的大政方针；三是解放了移动变电站的视在容量，可以为更多的生产设备供电；四是对谐波有一定的抑制作用，能够滤除50%以上的谐波，可以适度净化供电系统，避免因电能质量问题造成自动化设备的损害。
如果按照移动变电站的自然功率因数为cosΦ=0.707考虑，则负荷的无功功率容量与有功功率数值大致相同。
例如2000kVA的移动变电站带负荷有功功率1400kW，功率因数为0.707，则无功功率大致为1400kVar，如将功率因数提高到0.99，则需安装1050kVar的容性无功功率。
功率因数提高到0.99后，一次（6kV侧）电流将由原来的190A下降到133A，或下降到补偿前的70%，而线路有功损耗则按电流比率的平方下降到补偿前有功损耗的49%；按补偿前线损占输送有功功率的8%计算，可以将线损减少到输送有功功率的4%，即56kW。
按每年工作300天、每天20小时计算，每年可减少有功电量约33.6万度，合电费20万元（按0.6元/kWh估算），经济效益和社会效益明显。
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