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1 SVG裝置的工作原理

1.1供電系統(tǒng)結構

一般電力系統(tǒng)用戶負荷吸收有功功率PL和無功功率QL，簡單的負荷連接如圖1所示。

圖1 簡單的負荷連接圖

電源提供有功功率PS和無功功率QS（可能為感性無功，也可能是容性無功），忽略變壓器和線路損耗，則有，。沒有足夠無功補償?shù)碾娋W(wǎng)存在以下幾個問題：

（1）電網(wǎng)從遠端傳送無功；

（2）負荷的無功沖擊影響本地電網(wǎng)和上級電網(wǎng)的供電質量；

（3）負荷的不平衡與諧波也會影響電網(wǎng)的電能質量。

因此，電力系統(tǒng)一般都要求對用電負荷進行必要的無功、不平衡與諧波補償，以提高電力系統(tǒng)的帶載能力，凈化電網(wǎng)，改善電網(wǎng)電能質量。

1.2 SVG用于補償無功

圖2 帶有SVG無功補償裝置的系統(tǒng)

假設負荷消耗感性無功（一般工業(yè)用戶都是如此）QL，此時控制SVG使其產(chǎn)生容性無功功率，并取QSVG=QL，這樣在負荷波動過程中，就可以保證：QS=QSVG-QL=0。

如果對電網(wǎng)等比較復雜的補償對象而言，當需要向電網(wǎng)提供感性無功時，可以通過對SVG的控制，使其產(chǎn)生感性無功功率，并取QSVG=QC，這樣在負荷波動過程中，仍然可以保證：QS=QSVG-QC=0。

此外，SVG在補償系統(tǒng)無功功率的同時，幾乎不產(chǎn)生諧波。更重要的是，SVG還可以對系統(tǒng)的諧波、不平衡等電能質量問題進行多功能綜合補償，實現(xiàn)部分有源濾波（APF）的功能。

1.3 SVG用于有源濾波

圖3 基本原理圖

有源濾波器的基本思想如圖3所示。諧波源一般為非線性負荷，如整流器、帶有整流環(huán)節(jié)的變頻器及大量帶有開關器件的設備等，產(chǎn)生諧波電流Ih；供電系統(tǒng)一般為被保護對象，也即要達到最終流入或流出系統(tǒng)的電流是諧波含量極少的正弦波，有時還有功率因數(shù)要求；有源濾波裝置表現(xiàn)為可控電流源，它的作用是產(chǎn)生和諧波源諧波電流有相同幅值而相位相反的補償電流-Ih，來達到消除諧波的目的。與無源濾波裝置相比，有源濾波器是一種動態(tài)變化的補償裝置，具有較好的動態(tài)性能。

1.4 SVG控制策略

SVG的控制目標主要是抑制暫態(tài)電壓變化。暫態(tài)電壓發(fā)生變化的可能原因包括發(fā)生故障和負荷大幅突增，特點是電壓很快下降，很可能是單調下降，結果將是暫態(tài)電壓失穩(wěn)和引起低壓釋放負荷。為了維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定并減少低壓釋放負荷，一方面要求SVG能夠動態(tài)補償較大的容量，另一方面要求SVG具有較快的響應速度。新風光公司FGSVG系列高壓動態(tài)無功補償系統(tǒng)響應時間≤5ms，完全符合要求。

SVG還具有以下特點：

（1）SVG可以快速支撐電壓，減少低壓釋放負荷；

（2）SVG可以提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

SVG的快速動態(tài)特性對減少釋放負荷，支撐電壓水平有顯著的作用，裝置的響應時間短，作用效果好。

SVG控制策略主要包括低電壓控制及過電壓控制，同時，在SVG控制策略中除了主控制外，加入輔助控制。輔助控制包括無功儲備控制，小電流不均壓控制，自動識別相序以及過流控制。

由上可以看出，SVG系統(tǒng)對于保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有很好的效果。

2用戶現(xiàn)場改造前情況

該煤礦是兗礦集團的下屬煤礦之一，該礦井共有3臺主變，其中1#主變?nèi)萘?1.5MVA，2#主變?nèi)萘?1.5MVA，3#主變?nèi)萘?0MVA。運行方式為1#主變主運行，2#、3#主變冷備用。110/6kV側均為單母線分段接線方式，其中6kV兩段母線并列運行。礦井統(tǒng)計總裝機負荷約80MW。

礦井主降壓變電所采用SVC即FC+TCR型集中補償方式。FC（兼做濾波通道）有效補償容量共16.27Mvar。其中4次2組，8次2組，3次1組，5次1組，TCR調節(jié)支路共9Mvar。TCR回路、3次1組、5次1組、4次1組、8次1組運行于I段，4次1組、8次1組運行于II段。

礦井電源電壓一般在114-115kV，主變運行于8檔，F(xiàn)C全部投入，目標值母線電壓6.3kV，母線電壓越線報警值為5.7-6.6kV。投入順序為先投入Ⅰ段3次、5次、4次、8次（3次、5次分別閉鎖I段的4次、8次），再投入Ⅱ段4次、8次，避免放大低次諧波。

現(xiàn)運行主要現(xiàn)象為：負荷超過24000kW時，6kV側電壓降低到5.9kV；負荷降低到12000kW時，必須切掉1組8次濾波器，110kV側電壓高于115kV時，還必須再切掉1組4次濾波器，才能將6kV側電壓降低到6.6kV以下，此時的TCR輸出電流為810A，已到極限。

其中，主井絞車：2×2600kW/AC-AC變頻變速，12相整流；副井絞車：2×1250kW/AC-AC 變頻變速，6相整流；膠帶機：4×315kW，AC電機，變頻調速，是產(chǎn)生諧波污染的主要來源，影響了礦井其他用電設備的正常運行，不利于礦井生產(chǎn)的順利進行。

該礦領導經(jīng)過研究分析，決定采用SVG裝置對原有無功補償系統(tǒng)進行升級改造，經(jīng)過反復對比各廠家產(chǎn)品情況，選用了新風光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的FGSVG-C13.0/6型（13Mvar/6kV）高壓動態(tài)無功補償系統(tǒng)1套進行了改造，取得了良好效果。

3 SVG改造控制方案介紹

新風光公司FGSVG-C13.0/6型（13Mvar/6kV）高壓動態(tài)無功補償系統(tǒng)安裝在6kV系統(tǒng)Ⅱ段。該控制系統(tǒng)以6kV側母線無功功率作為控制目標。FGSVG裝置額定補償容量為-13Mvar（感性）～13Mvar（容性）無功連續(xù)可調。

因本項目原有SVC裝置控制策略是以6kV母線無功功率作為控制目標，因此本次改造在滿足無功容量的同時還需修改控制策略。兩套動態(tài)無功補償裝置在一段母線上，其控制目標也是相同的，因此，兩套裝置需要具備并聯(lián)運行功能，且不能出現(xiàn)沖突情況。需對原有SVC裝置需要進行升級改造，改造后，由新風光公司SVG裝置作為主控制系統(tǒng)，協(xié)調TCR裝置的無功出力，從而達到整套系統(tǒng)的無功平衡。改造后的無功控制整套系統(tǒng)可實現(xiàn)6Mvar（感性）～-29Mvar（容性）之間連續(xù)平滑調節(jié)，并具備濾波功能。

4 新風光公司FGSVG系列高壓動態(tài)無功補償系統(tǒng)基本介紹

新風光公司FGSVG系列高壓動態(tài)無功補償系統(tǒng)，采用現(xiàn)代電力電子、自動化、微電子及網(wǎng)絡通訊等技術，采用先進的瞬時無功功率理論和基于同步坐標變換的功率解耦算法，以功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓或者兩者分時間段作為控制目標，動態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質量變化來調節(jié)無功輸出，實現(xiàn)電網(wǎng)的高質量運行。

FGSVG系列高壓無功補償系統(tǒng)結構如圖4所示。系統(tǒng)主電路采用鏈式串聯(lián)結構，每相由多個換流鏈模塊（功率單元）組成，并采用冗余設計，滿足“N-1”的運行要求；功率單元利用可關斷大功率電力電子器件（IGBT）組成橋式電路。它的輸出電壓是由多個電平臺階合成的階梯波，開關器件所承受的電壓應力小，避免大的dv/dt所導致的問題。FGSVG系列高壓無功補償系統(tǒng)可多臺FGSVG并聯(lián)安裝，極易擴展容量。

圖4 FGSVG系統(tǒng)結構示意圖

4.1 功率單元

功率單元簡化電路如圖5所示。每個功率單元均具有完善的保護措施，并將各工作狀態(tài)送回主控系統(tǒng)，主控與各單元信號連接均采用光纖通訊。功率單元主回路是典型的H橋電路。

圖5功率單元簡化電路

為了得到更快的響應速度和更高的性能采用電流直接控制技術和載波移相技術，實現(xiàn)并網(wǎng)無功電流的快速控制和更優(yōu)的并網(wǎng)電流波形，如圖6所示。FGSVG能夠快速連續(xù)地提供容性或者感性無功功率，實現(xiàn)適當?shù)碾妷汉蜔o功功率控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、優(yōu)質地運行。

圖6 感性額定電流到容性額定電流響應時間測試波形

4.2控制及保護功能

4.2.1控制系統(tǒng)

控制柜采用柜式結構，柜體選用優(yōu)質“三防”產(chǎn)品，抗電磁干擾能力強?？刂乒裼芍骺貦C箱、PLC（可編程邏輯控制器）和觸摸屏等幾個主要部分組成。

主控機箱是新風光公司自主研發(fā)的，通過了嚴苛的EMC（電磁兼容性）認證、溫度循環(huán)及振動試驗的處理，具有極高的可靠性。主控機箱內(nèi)含有電源板、主控板、分相板、分信號板等線路板，實現(xiàn)插卡式互連，穩(wěn)定性好，易于維護。

主控箱中控制核心由高速32位數(shù)字信號處理器DSP、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA協(xié)同運算來實現(xiàn)?？刂破鞑捎秒p核控制芯片，分別負責設計算法與通訊，保證了設備的運算性能與控制精度。精心設計的算法可以保證FGSVG達到較優(yōu)的運行性能?？刂破鞑捎么笠?guī)模集成電路和表面焊接技術，利用自動化焊接設備進行焊接、針床測試進行檢驗，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

采用工業(yè)級PLC，實現(xiàn)整機的邏輯控制，實時與主控部分、觸摸屏通訊，把裝置的運行狀態(tài)實時的傳給觸摸屏顯示，完成觸摸屏、柜門按鈕對裝置的控制，實現(xiàn)柜體內(nèi)開關信號的可靠邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調，增強了系統(tǒng)的靈活性。

選用知名品牌人機界面，實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，可查詢與設定系統(tǒng)運行參數(shù)以及整機邏輯控制等功能。人機界面具有豐富的顯示界面，可實時狀態(tài)量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)信息查詢、歷史故障查詢等功能外，還具有上電控制系統(tǒng)自檢、一鍵開停機、分時控制、示波器、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。

控制系統(tǒng)具有和上位機通訊的標準化接口。通訊采用RS485等通訊接口，采用標準Modbus-RTU或用戶自定義等多種通訊協(xié)議，非常方便與現(xiàn)場系統(tǒng)進行通訊。

4.2.2裝置主要保護功能

（1）裝置過電流保護

（2）電網(wǎng)過電壓保護

（3）電網(wǎng)欠電壓保護

（4）單元過壓保護

（5）單元過溫保護

（6）單元短路保護

（7）單元通訊異常保護

（8）光纖傳輸異常保護

裝置內(nèi)部出現(xiàn)任何電路故障均有告警、停機等相應對策，及時上傳，不會對上級系統(tǒng)造成影響。成套裝置實現(xiàn)自動檢測、遠程手動投切和就地手動投切，各種方式之間有可靠的閉鎖，防止發(fā)生事故。檢測、控制均實現(xiàn)完全自動無人值守。

5 應用效果

2014年9月，該煤礦應用了新風光公司FGSVG-C13.0/6型（13Mvar/6kV）型1套高壓動態(tài)無功補償裝置進行了改造，配合原SVC投入運行，充分發(fā)揮了SVG的快速特性和電容器組的穩(wěn)態(tài)性能，使系統(tǒng)在補償特性、可靠性等方面達到較優(yōu)。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）功率因數(shù)大大提高，既節(jié)約了生產(chǎn)成本，又達到了節(jié)能降耗的目的。據(jù)統(tǒng)計，2套SVG一年節(jié)省電費80萬元左右。

（2）改善了供電系統(tǒng)供電波形，提高了供電質量，受電終端電壓閃變情況基本消失。

（3）改造后，6kV母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率、各次諧波電流、電壓不平衡度、電壓波動、功率因數(shù)等滿足電能質量有關國家標準的要求，保障了煤礦其他的自動化儀表，監(jiān)控系統(tǒng)設備的正常運行，降低了相應的維護保養(yǎng)費用，為煤礦生產(chǎn)的安全保駕護航。