SVG动态无功补偿及谐波治理研究

陈鹏飞

（河南崤函电力供应有限责任公司，河南 义马 472300）

0 引 言

煤矿生产对供电系统的安全可靠性要求非常高。目前，煤矿生产规模不断扩大，矿井用电量不断增加，对供电系统的“节能”方面提出了更高要求。电力系统的电压和无功，是保证系统安全可靠运行、降低有功网损及提高电能质量的重要部分。电压是衡量电网电能质量的重要指标之一，电压质量不仅影响电力用户的正常用电，而且影响整个系统的安全稳定运行。无功不足将会导致电压下降。供电系统中，电压不稳，经常波动，不仅对电气设备性能造成较大影响，而且影响整个供电系统的安全可靠运行，严重时引发系统崩溃，导致大范围停电事故。供电系统的谐波电流也会影响电气设备的安全运行，并严重影响矿区安全生产，可能造成较大的经济损失。因此，无功补偿和谐波治理已经成为目前供电系统中最为重要的任务[1]。

1 无功补偿的优缺点

与晶闸管控制电抗器TCR和磁阀控制电抗器MCR相比，SVG具有明显的性能优势。

（1）由于SVG采用大功率可关断电力电子器件（IGBT），可连续调节无功输出，并做到快速动态响应，只要满足补偿容量要求，就能最大限度满足功率因数补偿要求，做到任意时刻功率因数均接近1.0，并且无过补偿问题。

（2）对于补偿容量，一般TCR型装置和MCR型装置需要配置与FC等容量的无功功率。例如，20 Mvar的FC回路需要配置20 Mvar的TCR装置或MCR装置，才能得到0～20 Mvar的无功调节范围。但如果采用SVG补偿方式，只需要配置10 Mvar的FC回路和10 Mvar的SVG装置，就能得到同样的调节范围，所以SVG装置的运行损耗比TCR/MCR型装置小一半。

（3）SVG装置不含大容量高压电容和电感等储能元件，可进一步降低装置的运行损耗，同时SVG装置的占地面积要小于TCR/MCR型装置，使运行经济性进一步提升。

（4）这种新型的电力电子器件IGBT，开通和关断是在微秒数量级内完成的，且关断可控，因此它比相控晶闸管阀/可控磁控电抗器类补偿装置的响应速度快，非常有利于抑制电压波动和闪变。

图1为闪变改善率与补偿率之间的关系曲线。

图1 闪变改善率、补偿率与响应时间的关系曲线

（5）谐波治理功能。与MCR/TCR型SVC补偿装置相比，SVG装置由于开通、关断时间很短，装置输出电流接近正弦波，谐波含量低，本身运行不需要配备滤波器。而TCR型SVC，它的无功输出电流受触发角α控制，谐波含量很高，特别是MCR型SVC运行中会产生大量的3次、5次及7次等谐波电流，必须配备滤波器组，以滤除谐波，增加了滤波器的成本。此外，SVG本身还具有13次以下谐波的滤波功能，只要容量合适，并与FC无源滤波器协调运行，就可抑制负载产生的谐波电流，达到改善电网电压的畸变率的目的。

（6）可靠性高，维护量小。满足IGBT功率模块N-1运行方式（热备用）。即串联的、用IGBT功率模块组成的SVG阀在每相有一处故障模块时，可自动切换旁路保持正常运行，大大提高了SVG的可靠程度。同时IGBT功率模块采取模块化设计，减少了安装和调试的工作量，基本达到免维护。

（7）MCR因为工作在磁饱和区，噪音很大（70 dB）。

（8）SVG用于电压控制时比MCR/TCR更有优势。系统电压越低，越需要动态无功支撑系统电压。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；而系统电压越低，TCR、MCR输出无功电流的能力越下降。

2 具体实施方案分析

崤函电力公司前身为义煤公司供电分公司，义煤供电系统是从20世纪60年代逐步发展和形成35 kV供电网络。通过多年发展，共有110 kV变电站2座，35 kV变电站13座，35 kV供电线路28条，长度约360 km，供电设备容量316 MVA。目前，义煤供电系统大致可分为中、东、西三个独立供电网络[2]。

2.1 中部供电网络

中部供电区以110 kV中心站为中心，由35 kV矿区站、湾子站、西风井站、耿村站、杨村站及燕沟站承担着常村矿、跃进矿、千秋矿、耿村矿及杨村矿等义煤公司主力矿井和义煤公司总部、总医院及南车重机等重要部门的生产生活用电。其中，35 kV矿区站、湾子站、耿村站、杨村站及燕沟站使用的无功补偿装置是并联电容器。35 kV西风井站使用的是晶闸管的静止无功补偿装置，简称SVC。

2.2 西部供电网络

义煤西部电网由张村、观音堂及石壕等3座35 kV变电站和观音堂12+2×6 MW矸石电厂组成环网，通过杜观线、Ⅰ杜张线及Ⅱ杜张线连接到杜家变电站，主供西部矿区的观音堂、石壕矿以及义翔铝业公司等单位用电。经过近几年的发展规划，在35 kV石壕站增加了35 kV李石线间隔，实现了两个来自不同系统的双电源环网供电方式，基本满足了目前义翔铝业公司、观音堂矿及石壕矿的用电。其中，35 kV张村站和35 kV观音堂站使用的无功补偿装置是并联电容器，35 kV石壕站使用的无功补偿装置是静止无功发生器，即SVG。

2.3 东部供电网络

东部供电区共有35 kV变电站4座，即新义站、新安站、孟津站及云梦站，承担着新义矿、新安矿及孟津矿的用电。35 kV的新义、新安、孟津及云梦4站使用的是晶闸管的静止无功补偿装置，简称SVC。

2.4 现有无功补偿的更新换代的紧迫性

随着矿井生产能力的不断提高，煤矿不断对供电系统进行优化改造，由于没有整体规划，致使煤矿电网结构复杂、不合理，存在不少安全隐患。各35 kV变电所中无功补偿装置主要采用固定式并联电容补偿，运行中补偿电容随着负荷变化经常出现过补、欠补现象，导致功率因数降低。变电站值班员就需要的投切电容器来控制功率因数，往往因为绞车等高负荷设备启停时不能线性跟踪无功补偿装置，使得平均功率因数降低，且产生大量谐波。

SVG动态无功补偿和谐波治理装置是继固定电容器补偿装置（第一代）、TCR型和MCR型动态无功补偿装置（第二代）之后的第三代动态无功补偿和谐波滤波装置。本课题主要以35 kV石壕站为研究对象，从源头治理负载运行产生的谐波，全面提升35 kV石壕站整个配电系统的电能质量。以企业消除谐波危害、净化电能污染、优化电能质量、降低电能消耗及确保节能增效为综合目标。

35 kV石壕站共有两台型号容量为SZ11-8 000/35，高低压变比分别为400/5、2 000/5的动力变压器，负载负荷主要为石壕煤矿井下风机、绞车及潜水泵等。由于启动电流较大，矿井为节约成本均使用较为普遍的变频设备启动。变频设备为典型的谐波源负载，正常生产运行时产生大量的谐波汇入35 kV石壕站6 kV配电系统，经过叠加后进一步进入35 kV高压母线，对电力设备产生危害。2012年5月11日石壕站35 kV北PT B相爆裂，2013年2月5日石壕站35 kV南PT烧毁一支，2013年10月11日石壕站35 kV北PT B相和C相分别爆裂和烧毁。西风井站35 kV电压互感器也频繁发生烧毁和爆裂等故障。因此，随着谐波总畸变率超标，电力电子元件故障率也随之加大。

为了保证矿井供电系统的安全运行，崤函电力公司在35 kV石壕站安装了两套SVG动态无功补偿装置。该装置能动态跟踪电网电能质量变化，可动态调节无功输出，实现变电站在任意负荷下的高功率因数运行。

3 效益分析

3.1 线损节约收益分析

有功电能或无功电能都是靠不同电压等级的线路输送的。输送电能的过程中，线路上都有功率损耗。配网的无功补偿经济效益非常明显，节能降损潜力巨大。由于无功补偿经济效益分析涉及内容多，计算复杂，为简化计算程序，采用无功补偿经济当量来计算无功补偿的经济效益，即每安装1 kvar的补偿电容，相当于降低了多少千瓦的有功损耗。查询有关资料可知，各种电压等级的无功补偿经济当量和该用户补偿后的降损功率如表1所示。

表1 各电压等级下的无功补偿经济当量

本项目中无功补偿经济当量取0.090（6 kV）。则补偿设备SVG投运后相当于减少的无功总量为6 Mvar=6 000 kvar。

实际负荷运行的无功需求为波动状态，且不可能时刻处于满负荷状态，无功补偿平均系数按50%计算。折合成补偿相对于节省的有功能量为6 000 kvar×50%×0.090 kW/kvar=270 kW。

6 kV补偿系统设计方案为动态无功补偿SVG，可起到动态补偿的效果，跟踪系统无功变化，使功率因数稳定在0.95以上。动态无功补偿设备始终投运在电力系统中，每年投运时间为24 h/d×30 d/m×12 m/y×1y= 8 640 h。

检修时间，每年按照50天计算，为1 200 h；则实际运行时间为T=8 640 h-1 200 h=7 440 h。

动态无功补偿系统投运后，每年可减少损耗为7 440h×270 kW=2 008 800 kW·h。

按照一般大工业用电费率0.61元/kW·h计算，每年在损耗这一方面可减少的经济损失为2 008 800 kW·h×0.61元/kW·h=1 225 368元=125.37万元。

即通过动态无功补偿，预计每年线损节约收益不低于125万元。

3.2 运行经济效益

35 kV石壕站带石壕煤矿负荷，总有功为6 000 kW。通过投用SVG型动态无功补偿装置，考核点的功率因数从0.87提高到0.97，若石壕煤矿主、副井连续生产，每年扣除50天的检修时间，则节省用电罚款为7 440 h×6 000 kW×0.61元/KW·h×2.5%=68.08万元。用电奖励为7 440 h×6 000 kW×0.61元/KW·h×0.75%=20.42万元

按以上工程估算，使用电罚款变为用电奖励，减去各类不可预见损耗，每年直接经济收益应不少于90万元。

4 结 论

根据煤矿负荷波动范围大、背景谐波大及安全性要求高等特点，6 kV系统的基于链式SVG的动态无功补偿装置，完美满足了煤矿变电站的无功补偿需要，即解决了煤矿供电系统功率因数低和电压波动大等电能质量问题，又很好地改善了电网谐波对设备的影响。装置具有运行安全可靠性高、谐波特性好及占地面积小等突出优点，是煤矿用电系统无功补偿与谐波治理的最佳选择。