SVG与 SVC在煤矿供电系统应用比较

郭宏图

(山西焦煤汾西矿业集团公司发电厂,山西介休 032000)

随着煤矿原煤产量的大幅度提高,井下采掘、运输等工作向机械化自动化的方向发展,机械化程度和机械设备的效能越来越高,对供电质量要求也越来越高。而煤矿供电系统大多存在功率因数低、损耗大、谐波污染严重、电压波动大等问题。

早期煤矿变电站中大量使用机械投切的并联电容、电抗作为无功补偿,称之为第一代静态无功补偿装置,响应速度以秒计,无法跟踪负荷无功的快速变化。随着电力电子技术的发展,晶闸管取代了机械开关,诞生了第二代无功补偿装置,主要以晶闸管控制电抗器(TCR)为代表,TCR和并联的固定滤波器组构成的成套装置称为 SVC。这类装置大大提高了无功调节的响应速度,但仍属于阻抗型装置,其补偿功能受系统参数影响,而 TCR本身就是谐波源,容易产生谐振、谐波电压放大等严重问题。

SVG属于第三代动态无功补偿技术,主要采用基于 IGBT电压源逆变器构成无功补偿装置,不再采用大容量的电容器、电抗器,通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。SVG补偿装置在两个方面具有重要优越性,就动态无功补偿而言,SVG包含传统 SVC装置的一切功能而性能更好,体积更小,响应速度更快,补偿能力更强;同时,SVG具备传统 SVC没有的功能,SVG装置不仅不产生谐波,还能动态补偿谐波。

1 SVG工作原理

如图1所示,SVG装置的基本原理就是将自换相桥式电路通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就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。详细工作模式如表1所示。

图1 SVG工作原理图

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2 SVG与 SVC比较分析

2.1 响应时间

SVG采用 IGBT全控型器件,器件开通关断时间2 μs,采用 PWM控制算法整个装置的响应时间＜10m s。SVG能动态快速连续调节无功输出,最大限度满足功率因数补偿要求,确保任意时刻的功率因数＞ 0.95。

SVC装置中的 TCR部分采用不可关断晶闸管,一旦晶闸管导通,必须等电流过零才能自然关断,因此 SVC控制系统发出指令到晶闸管响应最大得延时为 10m s(半个周期),加上TCR本身得过渡过程,整个 SVC装置的响应时间约为 40～60 ms。

2.2 谐波治理功能

采用先进的链式电路拓扑结构和多电平 PWM技术来消除低次谐波,输出电压、电流谐波畸变率均小于 3%,不需要安装谐波滤波器支路;在不增加硬件成本的情况下可实现低次谐波滤波功能,特别适合于煤炭等谐波及冲击负荷。

晶闸管控制电抗器 TCR是通过改变触发延迟角的大小来改变其等效感抗,会产生大量的谐波,即使系统中没有谐波,也必须配置滤波支路;对于 TCR,采用滤波器组后,当系统或负载参数变化时,可能发生谐波放大现象,引起过电压危害设备安全。

2.3 占地面积小

SVG成套装置中只包括启动装置、功率部分、连接电抗器、控制系统,无需变压器,适合做成箱式变,根据客户需求,亦可做成移动式。占地面积只有相同容量 SVC的 30%。SVC中的电抗器不仅本身体积庞大,而且为确保绝缘距离,要充分考虑相互间的安装间隔,整体占地面积非常大;另外还需额外配置滤波器组,占地面积大。

2.4 可靠性高,维护量小:

SVG采用模块化设计,满足IGBT功率模块N-1运行方式,有效提高系统可靠性,减小维护量;可控电流源型,对系统参数不敏感,不会发生谐振或谐波电压放大,根据系统需要,可以方便地消除系统谐波电流,起到抑制谐振的效果。

SVC使用了大量电容器电抗器,是阻抗型补偿装置,对系统参数很敏感,容易引起谐振或谐波电压放大,不仅危害自身设备安全,对系统其他设备的安全也存在较大的隐患。

2.5 低电压特性好

SVG是电流源的特性,输出电流可不受母线电压影响。这一优点使SVG用于电压控制时具备很大的优势,系统电压越低,越需要动态无功支撑电压,SVG输出无功电流与系统电压没有关系,可以看作是一个可控恒流源。

SVC是阻抗型特性,输出电流随母线电压线性降低。

图6 SVC和 SVG补偿的电压电流特性比较

2.6 运行损耗小,运行效率高

(1)采用新型低损耗功率器件 IGCT或 IGBT,运行效率提高。

(2)省去了连接变压器,成套装置效率达 99%以上。

(3)输出电压、电流谐波畸变率低,谐波损耗小,系统损耗小,效率高。

(4)等效运行损耗大大小于 SVC,运行耗电量大大低于 SVC,节能效果显著,运行维护费用较SVC低。

3 结束语

针对煤矿的动态无功补偿与谐波问题,SVG型动态无功补偿与谐波治理装置相比 SVC相比,有着响应时间快、有源滤波功能、占地面积小、可靠性高等优势。随着 SVG产品国内市场化之后,成套装置综合投资成本已大大降低,SVG将是煤矿供电系统无功补偿与谐波治理的最佳选择。

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