煤矿变电站无功补偿技术研究与应用

前言

随着煤矿电气设备自动化程度的不断提高，在供电系统中产生了大量的感性负荷，造成企业的自然功率因数降低，如不能有效的进行人工补偿，将使网络电力损耗增加，谐波、冲击电压降等问题越来越突出。可见，提高供电系统的功率因数对电力系统，以及煤矿企业的经济运行都有着重大意义。

1.无功补偿的定义

1.1无功功率。大部分电网电力装置都是结合电磁感应原理运行的，它们在转换能量的时候创建立变磁场，在一个周期释放与吸收相等的功率。在经过纯电容电路或者是纯电感的情况下电源能量不消耗能量，只是在电源和负荷间来回交换，流动于三相间，如此的交换功率不做功，因而被叫做无功功率。

1.2无功补偿。电力系统中的变电所或直接在电能用户变电所安装无功功率电源，进而对电力系统当中无功功率的流动进行改变，进而使电力系统的电压增强，最终使电力系统的动态性能改善与降低损耗，称为无功功率补偿。电力系统中，无功功率、有功功率、视在功率间的相量关系如式cosφ=P/S，在相应的有功功率之下，功率因数cosφ越小，要求愈大的无功功率。为了使电网的经济运行效率提升，结合电网无功种类，人为的补偿感性无功或者是容性无功，进而对线路无功功率进行抵消。

1.3无功补偿的意义。（1）提升供电设备的利用率。（2）提高输电效率。（3）提高供电质量

2.无功补偿的方式

按照补偿装置的安装地点可分为：集中补偿、分散补偿和就地补偿这几种方式。

2.1集中补偿。集中补偿方式是在用户应用的配电室或者是变电所的高压、低压母线上安装电容器组，如此的补偿方式的电容器组应用效率比较高，可以对变配电所高压或者是低压母线前的无功功率进行补偿。2.1.2优点：（1）可以便于跟电容器组自动投切设备相配套，对无功功率的改变进行自动追踪，进而使用户总补偿容量改变，防止欠补偿或者是补偿出现在总补偿水平上，实现最为理想的补偿成效；（2）集中补偿能够对用户的无功潮流进行控制，防止因为电力网负荷改变或电压的改变而使太大的电压波动形成。（3）结合用户正常负荷要求来确定电容器组基本容量的，应用效率高、工作期限长，補偿效益就高，以及集中补偿方式便于维护，很少出现事故。2.1.2缺点。集中补偿方式存在相应的缺陷，其仅仅可以使装设点之上变压器与线路由于输送无功功率导致的损耗降低，而不可以使用户配电网络无功负荷导致的损耗降低。恰恰是因为未能够降低用户的无功线损，务必制约其降损节电效益。

2.2分散补偿。分散补偿是指装设在功率因数较低的车间或终端变、配电所的高压或低压母线上。这种方式与集中补偿有相同的优点，但无功容量较小，效果较明显。2.2.1缺点：（1）倘若安装的电容器不可以进行分组，那么就难以调整补偿容量。运行的过程中会发生欠补偿或者是补偿的情况。（2）倘若仅仅实施分组补偿，那么务必通过车间电容器组倒送用户变压器损耗的无功功率，这难以实现理想的成效。（3）以一次性投资作为视角，分组补偿方式要比集中补偿方式大。

2.3就地补偿。就地补偿指的是在异步电动机周围安装，实施就地补偿。2.3.1缺点：（1）由于当今依旧没有完全地解决广泛应用的小型电机补偿用电容器的保护控制问题，以及运行时间通常较短，因此应用如此的补偿方式存在比较大的制约；（2）倘若都实施如此的补偿方式，那么就难以科学地调控整个无功潮流，如此的方式的应用仅仅当作辅助补偿方式；（3）因为一部分电机选用较大的容量，倘若逐台实施补偿，那么就会增加补偿总容量，进而增加补偿设备的费用；（4）在用电装置停止运动的情况下，电容器组也会被切除，这降低了其应用效率。

3.补偿设备的补偿方式分类

根据补偿设备的补偿方式又可分为：固定补偿和动态调节补偿两种。

3.1固定补偿。3.1.1优点.技术成熟，价格低廉，工作可靠，在一般场合补偿效果良好。3.1.2固定电容器组补偿的局限性。（1）固定电容补偿存在过补或欠补现象。（2）固定电容不能很好抑制电压波动。（3）电容器组补偿的悖论。（4）固定电容补偿不能很好的抑制谐波。

3.2动态无功补偿的优势。动态补偿，就是实时跟踪负荷的功率因数的变化，极快的跟踪补偿，反映速度在1/20个周波之内。快速投切电力电容器组、进行无功补偿。相比较于固定补偿，其反应迅速，能够实现理想的补偿效果，尤其适宜在负载波动剧烈的地方。动态补偿通常还有分相补偿功能，可以对不平衡的负载做良好的补偿等优势。

4.现阶段电力系统动态无功补偿技术新的发展方向——SVG

SVG的原理是借助电抗器在电网上并联电压源型逆变器。电压源型逆变器的组成部分是逆变桥与直流电容，其中，逆变桥的组成是能够关断的半导体器件IGBT。

4.1 SVG的三种运行模式。空载运行模式、容性运行模式、感性运行模式

4.2 SVG设备的运行方式。（1）恒无功运行方式：此方式能够使设备将大小恒定的无功输出，相当于应用纯电容或纯电抗。（2）恒功率因数运行方式：此方式结合设置的功率因数目标值，在对无功输出大小进行控制的基础上实现对功率因数大小的控制。

4.3 SVG与TCR/MCR的对比优势。SVG的核心技术是基于可关断电力电子器件IGBT（绝缘栅型双极晶体管，可实现快速的导通/关断控制，开关频率可达到3500Hz以上）的电压源型逆变技术。在构成上，TCR是通过斩波控制，实现电抗器的等值阻抗调节；MCR是通过可控硅励磁装置控制铁心饱和度，从而改变等效电抗的装置，两者都属于阻抗型补偿装置；SVG是通过逆变器的控制实现无功的快速调节，不再需要大容量的交流电容/电抗器件，是属于电源型的主动式补偿装置。与相控电抗器TCR和磁阀控制电抗器MCR相比，SVG的具有明显性能优势：（1）SVG能耗小，相同调节范围下，SVG的损耗只有MCR的1/4，TCR的1/2，运行费用低，更节能环保。（2）SVG属于电流源型设备，主动对补偿系统要求的无功进行跟踪补偿，由机理上防止了在电网中并联大容量电抗元器件或电容会出现的谐振情况。（3）SVG的响应速度更快，整体装置的动态无功响应速度小于10ms，而TCR型SVC的响应时间约为20-40ms，MCR型无功补偿装置响应时间在200ms以上。（4）SVG中的谐波特性更好。TCR/MCR运行过程中都产生较大的谐波，尤其是TCR，最大谐波电流含量达到20%以上。而SVG自身不产生谐波，同时还能滤除系统谐波，保证运行安全性；（5）TCR/MCR是阻抗型特性，输出无功容量和母线电压的平方成正比；SVG具有电流源的特性，输出容量和母线电压成线形关系。在母线电压偏低的情况下，SVG出力大，补偿效果更好。

4.4 配合应用固定无功补偿设备FC和SVG。在当今的技术基础上，因为设备SVG的补偿有限，费用大，不可以取代固有的固定式无功补偿，为了有效地体现一系列无功补偿设备的长处，要求在SVG跟电抗器、电容器间制定科学的调整措施，确保其配合的协调性。

5.结论

综上所述，无功补偿方式的选择搭配，直接影响到补偿的效果。随着煤矿自动化程度的不断提高，安装快速动态无功和谐波补偿装置已成为煤矿的供电系统中的必然趋势。而补偿方式的选择应该从高效性、经济性、可靠性进行着手，根据各种补偿方式的优缺点合理搭配，从而实现补偿效率的最大化。

（作者单位：兖州煤业股份有限公司北宿煤矿）

作者简介

曲纪锋（1967—），男，本科，山东科技大学毕业，电气自动化专业，兖州煤业股份有限公司北宿煤矿水电暖中心主任，电气工程师，注册安全工程师.