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煤炭矿山

煤炭矿山行业的无功补偿与谐波治理

1 煤矿企业供电面临的关键问题

自上世纪七十年代推广机械化采煤后,煤矿的用电负荷增加,近年来,出于安全、采煤工艺和节能三方面的要求,大量非线性负荷在煤矿供电中被广泛使用,例如矿井提升机、露天矿大型电铲、运输皮电机、破碎机、水泵等设备都采用变频装置。尤其是矿机提升机、电铲启动频繁,负载变化大。电铲在挖掘过程中,遇到大块或树根时提升和推压结构会经常造成堵转,这时电机要维持出力,势必增加电枢电流,从电能角度看是一次迅速的无功冲击;电铲在作业中,为装车方便、准确,必须具有零位握持特性,即铲斗满料时,高悬空中,回转到装载位置过程中,铲斗必须保持不下降,此时提升、推压抱闸打开,提升或推压系统在运动状态,而速度给定在零位,速度调节器在工作状态,为保持张力平衡,装置输出力矩大小为铲斗和斗内料的重力矩,保持铲斗在空中不下降,如果多台电铲同时处于零位握持状态,此时对电网的无功需求非常大,从电能质量角度分析,其表现为大幅值的无功上升波动;提升机的弱磁升速特性表现为大幅值的无功下降波动;破碎机是一个无功反复冲击过程。煤矿供电系统常常远离供电负荷中心,存在供电距离长,供电容量相对较小的问题。在这样供电客观条件下,从电能质量角度看,对煤矿供电网络而言,用电负荷增加带来的是无功冲击的问题,对安全影响是电压的波动于暂降;对经济型影响是无功损耗大,功率因数低造成力率罚款。

传统的电容器型补偿器面临着:难以适应负荷波动的变化。电容器的投切对电网冲击大。谐波治理效果有限,多组滤波器组,占地面积大。谐波放大,对电容器及系统的其它设备造成谐波过电压。

2 无功补偿装置的发展

随着电力系统应用需求的变化,业界学者提出了无功补偿的概念。从早期广泛应用同步调相机作为动态补偿装置,发展到静止式无功补偿装置SVCSVC是一种较快速调节无功功率的装置,国际大电网会议将SVC定义为7个子类。机械投切电容器(MSC);机械投切电抗器(MSR);自饱和电抗器(SR);晶闸管控制电抗器(TCR);晶闸管投切电容器(TSC);晶闸管投切电抗器(TSR);自换向或电网换向转换器(SCC/LCC)。MSCMSR是第一代静态无功补偿装置,通常响应速度以秒计,真空接触器频繁动作,不能准确地对负荷无功电流的变动进行跟踪记录,且投切电容器或电抗器时对电网冲击大。随着电力电子产品的更新换代,传统的机械开关被晶闸管替代,研发了以晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)和磁控电抗器(MCR)为代表的第二代无功补偿装置。MCR是在TCR基础上发展的,由MCR磁阀式饱和电抗器、直流激磁调节单元、控制器及监视器组成,通过改变铁芯饱和度进而改变电抗器的感抗,实现MCR输出无功功率连续可调。这类装置占地面积大,存在谐振过电压问题。

近几年,在SVC成熟理论和应用的基础上,借助不断发展的电力电子技术,一种更先进、更可靠、更灵活的无功补偿装置——大功率静止无功发生器(SVG)由实验室走向现场。随着IGBT管降价和中国封装线上马生产,SVG的价格也大幅下降,许多无功补偿装置的生产厂家都开始生产SVGSVG属于第三代动态无功补偿技术。它以大功率三相电压型逆变器为核心,通过连接电抗器接入系统,与系统侧电压保持同频、同相,通过调节逆变器输出电压幅值和相位实现动态补偿的目的。

SVG有三种运行模式(见表1)。空载运行模式Ui=UsIl=0SVG不吸收、发出无功;容性运行模式UiUsIl为超前电流,其幅值可以通过调节Ui来连续控制,从而连续调节SVG发出的无功;感性运行模式UiUsIl为滞后电流,其幅值可以通过调节Ui来连续控制,从而连续调节SVG吸收的无功。

从技术上讲,SVG较传统的无功补偿装置有如下优势:

使用SVG可提高线路传输能力。可提高电压稳定性,根据负荷变化对无功输出作进一步调整,以防因无功倒送降低系统功率因数;实施调节系统电压,提高区域供电可靠性。对提升机、绞车、电铲等矿山负荷无功补偿与谐波治理,可减少无功损耗,节能降耗;有源滤波可改善电能质量;矿山供电线路长,末端电压低,使用SVG能够提高电压的稳定性,控制大型负载启动过程中的电压波动或闪变,确保安全供电。除此之外,可有效滤除使用6脉冲变频器产生5次和7次谐波及使用12脉冲变频器产生的11次和13次谐波。

3 结论

无功补偿和谐波治理技术,是保证电力系统电能质量的关键,随着电网的飞速发展,对补偿和谐波治理技术的要求也越来越高,只有充分利用前沿的理论和先进的技术,才能保证电网安全、稳定、可靠、优质地运行。

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