煤矿直流提升机动态无功补偿及滤波装置

煤矿直流提升机动态无功补偿及滤波装置 1 概述 随着半导体电力电子技术的发展与进步 各种变流变频装置已广泛用于工业及民用 领 域 煤矿提升机也比较普遍的采用晶闸管供电的直流拖动 称为提升机晶闸管电控 系统 SCR D 晶闸管电控系统具有调速平稳准确 效率高 容易维护 可引入计算机监控等优点 目前国内大功率的矿井提升机采用较多 但是晶闸管电控系统也会对电网产生一些不良影响 由于晶闸管变流器采用相切控制 方式调节电压或电流 使电网正弦电压波形受到切割 并由此产生谐波电流 导致供 电电 网电压波形畸变 SCR D 系统在整个运行期间功率因数偏低 一般在 0 02 0 8 之间 同 时启动无功冲击大 引起电网电压发生波动 尤其对于矿井提升机这类短时重复工作制的 负荷 电压波动问题更加突出 综上所述 SCR D 系统对电网的不利影响主要表现在 产生谐波电流 平均功率因数低 起动无功冲击大 1 1 谐波电流问题 根据国内外有关技术文献及规程 电网谐波 分量 的定义为 对周期性交流量进行 傅立叶级技术分解 得到的 频率为基波频率整数倍的分量 在假定发电机输出的电压为 理想正弦波形的前提下电网的波形主要由具有非线形 特性或者对电流进行周期性开闭的电 器设备产生 这类设备分为以下两种 装有电力电子器件的设备 例如变流器 变频器 交流控制器 电视机等 具有非线形电流电压特性的设备 例如感应炉 电弧炉 气体放电灯和变压器等 随着晶闸管电路的广泛应用 这类设备成为主要的谐波源 晶闸管在对电流进行相切控制时 正弦电流的一部分进入负载 转化为功率 另一部分 能量返回电网 其频率为电网 频率的整数倍 这部分电流称为谐波电流 因此 我们可将 晶闸管变流器看作谐波电流源 整个电网作为他的负载 为了保证所有电器设备的正常工 作 各工业国家都对谐波问题开展了深入的研究工作 并制定出了相应的规程标准 我国 于 1984 年颁布了 电力系统谐波管理暂行规定 后又于 1993 年发布了国家标准 电能质 量 公用电网谐波 规定了电网谐波的允许值 我国 煤炭工业矿井设计规范 第 16 1 13 条规定 电网中接有非线性用电设备的矿 井 应采取措施将谐波电流危害 限制在允许范围内 设计滤波电路时 宜结合无功补偿及 控制因大容量谐波源所引起的电压闪变等因素确定 根据目前国际上的研究成果 谐波 电流允许值应基于电网的电磁相容性水平 即不可能完全消除谐波 但应将其限制在 一定 的水平 1 2 功率因数问题 晶闸管装置基本上相当于上一个感性负载 随着控制角的改变 其功率因数也会发生变 化 即使晶闸管装置副边接的 是纯电阻 也具有感性特征 晶闸管电路的功率因数通常较低 用于煤矿提升机的 SCR D 系统根据工作状态 其自然功率 因数在 0 02 0 8 之间变化 即起动阶段功率因数很低 等速段功率因数较高 根据开滦 钱家营矿实测结果 提升机的平均功率因数为 0 69 1 3 冲击电压降问题 大型负载起动时 须较多的无功功率 如电网容量较小 则会发生电压降落 周期性重 复起动 会造成电压波动 甚至出现 闪变 电网电压的稳定性是衡量电网电压质量的 一个重要条件 而电压波动的允许值是与其出现的频度有关 国际 电能质量 电压允许 波动和闪变 规定 10kV 电网的电压允许波动为 2 5 对于矿井提升机这类负载 考虑到技 术经济的具体情况 其引起的电压波动一般 应不大于 3 5 图 1 为电压波动与电压波动频率的关系 图 2 为电压降落的允许值及其时间频度 为了解决上述问题 只有采取动态无功补偿及滤波装置 可同时起到吸收谐波 提高功 率因数和稳定电压三方面的作用 动态无功补偿和谐波治理是一项复杂的工作 牵涉到电 工技术和电力电子技术领域的许多方面 国外于八十年代开发出新型动补滤波 装置 以替 代以前的调相机和自饱和电抗器 具有跟随速度快 运行稳定 功耗低等优点 我院于 1993 年开发出了 TCR 可控硅控制电抗器 型动补滤波装置 基本采用国产元 器件 技术达到国内领先水平 2 动态补偿装置工作原理 目前国际上比较常用的动态补偿方式有晶闸管控制电抗器 TCR 和晶闸管开闭电容器 TSC 以及这两种方式的组合 TCR TSC 根据铝家坨矿新井提升机的工作特性及电网参数 设计采用 TCR 方式 即晶闸管控制电抗器 其主要特点 有 可对无功功率进行无级调节 保持电网电压稳定 反应速度快 跟随时间约为 10ms 半个交流周期 采用电磁触发 抗干扰性强 操作简便 维护费用低 TCR 主电路见图 3 2 1 工作原理 TCR 型动补装置的补偿原理见图 4 图 4 中 QC为电容器功率 QL为负载感性无功功率 QLS为补偿器 所提供的感性无功功率 当负载起动时 补偿器无功功率 QLS降为 0 此时容性无功功率 QC全部用于补偿负载无 功功率 QL 当负载 进入等速运行阶段后 控制器提供一部分感性无功功率 QLS 以补偿容性 无功功率的多余部分 负载休止时 补偿器全部容量投入 用于补偿容性无功功率 QC 控制器感性无功功率 QLS对负载的感性无功功率 QL和电容器组的容性无功功率 QC起平衡 作用 以使系统电压及功率 因数保持为恒定值 控制器感性无功电流的大 小通过控制角 进行调节 不 同控制角 时的电流波形见图 5 调节范围 90 180 相当于 0 90 控制 器每相有两组反并联晶闸管组 成 只有在交流周期的每半周 过零点触发另外的晶闸管 90 才能保持电流的 连续性 图 6 中阀 1 导通正半 周 阀 2 导通副半周 TCR 型 动补装置由 AC 控制器 主电抗 器及滤波回路 开关装置等组 成 见图 3 下面介绍各单元的功能 AC 控制器 用于控制主电抗器的电流 额定电流 600 1500A 调节范围 0 30MVA 可以直接与 6kV 或 10kV 系统相连 每相由若干晶闸管反并联 分别固定在框架内 晶闸管采用水冷系统 空气绝缘 每只晶闸管配一只脉冲变压器 各脉冲变压器为并联连接 电磁触发 动态均压采用 RC 电路 可避免各阀端电压的不平衡 紧急触发电路采用 BOD break over diodes 元件 其功能是当晶闸管的端电压超过 某一指定值时 BOD 立即触发晶闸管 将高压泄放到电抗器等设备上 以避免过高的行波电 压 对晶闸管产生破坏作用 AC 控制器具有足够的安全系数 当某一个晶闸管击穿短路后 仍能正常工作 晶闸管 故障后有灯光指示 可在停机检修时予以更换 晶闸管的冷却水系统为闭路循环 水质为去离子水 通过一台热交换器对循环水降温 三相电抗器为 形连接 在对称控制时 3 次谐波不会进入电网 计算时按最大可能 的谐波电流 主电抗器 主电抗器与 AC 控制器配合 产生可变的感性无功功率 主电抗器为空心结构 自然空 冷 为了避免晶闸管承受过高的短路应力 将每相电抗器分为两部分 中间接 AC 控制器 当某一部分 电抗器发生短路后 晶闸管最大承受 2 倍的额定电流 滤波回路 单调谐滤波回路由电容器和电抗器组成 电容器选用全膜介质的滤波电容器 具有较高 的场强和稳定性 并装有内放电电阻 电抗器为空心结构 带抽头可调 在谐振频率下 XCn XLn 可对相关谐波形成近似短路回路 以吸收谐波电流 滤波器的滤波效果及电网阻抗 曲线见图 7 高通滤波回路由电容器 电抗器和电阻器组成 在谐振频率以上呈现低阻抗 可以同时 吸收特征频率及其以上的谐波 滤波回路均为 Y 形连接 设中性点不平衡保护 其他保护有过压 失压 过电流 速断 等保护 3 动态无功补偿控制系统介绍 控制系统的任务是通过测量系统变量及人为给定量 计算出系统的有功功率 无功功率 电容器组的容性无功功率和主电抗器的感性无功功率 经过运算处理 产生相应的触发脉冲 调节 AC 控制器的控制角 控制主电抗器的无功功率 以使电网电压保护稳定 调节控制系统接线见图 8 3 1 控制系统的组成及功能 整个控制系统由测量单元 计算单元 处理单元 触发单元和同步单元组成 3 2 测量单元 测量以下变量 提升机电流 补偿回路电流 AC 控制器电流 6kV 或 10kV 线电压 电流电压信号采用三相输入 虽然对于三相对称负荷 采用单相测量方法比较简单经济 但 由于对输入信号进行滤波而使测量值具有惯性 因此 为了保证调节速度 需采取三相全信 号输入 3 3 6 3kV 电压测量 通过 6300 100V 电压互感器得到 100V 交流电压 然后在降至 7 07V 输入电子电路 交 流输入信号经三相全波整流器整流滤波 放大为直流 10V 相当于交流 6 3kV 3 4 电流测量 提升机回路 补偿回路和 AC 控制器回路均采用 5A 电流互感器 然后再经 5 0 1A 中 间电流互感器将信号输入电子回路 3 5 计算单元 计算单元根据输入信号计算出各回路的有功功率 无功功率 3 6 处理单元 处理单元包括一个电压及功率因数调节器 一个电流调节器和线性化环节和触发单元 3 7 同步单元 同步单元的作用是使触发脉冲与电网交流电压同步 以保证晶闸管触发正确 同步单元由锁相环及锯齿波形发生器组成 锁相环产生一个跟随电网频率及相应的时钟 信号 并使锯齿波发生器产生与电网交流电源同步的锯齿波 触发脉冲产生电路将锯齿波电压与控制电压进行比较 当锯齿波电压大于控制电压时 产生触发脉冲 由于锯齿波与电网交流电压是同步的 所以触发脉冲与电网电压也能保持同 步 4 在我国煤矿的应用前景 该装置应用于开滦吕家坨煤矿以来 经过两年多的运行 已经取得了明显的节能及提高 电网电压质量的效果 具有良好的经济及技术效益 主要有以下几点 提高电压质量 电压质量的好坏直接关系电器设备的安全运行 提升机直流系统向电网注入谐波电流 使 电压正弦波形发生畸变 并引起晶闸管电路触发不同步 电动机力矩不稳 电网谐振时 可诱 发电缆放炮等事故 提升机等大功率负载频繁起动 无功冲击导致电网电压产生波动 对井上下电器设备产生干扰 采用这套动补滤波装置后 可以吸收谐波 补偿无功功率 改善电压质量 减少损耗 提高主变压器利用率 在未投动补滤波装置时 电网自然功率因数很低 负载所需的有功功率和无功功率均由 电网提供 使变压器和电网线路的损耗增加 同时带负荷能力降低 投入动补滤波装置后 电网和主变压器仅传输有功功率 可提高效率 减少损耗 铝家坨矿新井 35kV 变电所现有两台主变压器运行 投入动补装置后 可实现一台主变 运行 另一台主变备用的供电方式 仅基本电费每月可节省 10 多万元 调控运行 防止过补 以往在煤矿地面变电所设计中 通常在 6 10 kV 母线并接电容器组 对电网进行固定 式补偿 由于提升机为短时循环工作制的负载 一个提升机循环分为 加速 等速 减速和 休止几个工作状态 各阶段所需功率均不同 而电容器组只