6MVarSVG与3MSVG+3MFC无功补偿与谐波治理方案比较0904

1、Sieyuan 思源电气编号：080903大屯煤电集团姚桥煤矿动态无功补偿与谐波治理技术方案思源电气股份有限公司二八年九月Sieyua n?思源电气努力做到比用户期待的更好目录一概述 31.1 功率因数低31.2 供电线路长，损耗大 31.3 谐波问题31.4 冲击电压降问题 3二系统情况与测试结果 42.1 大屯煤电集团姚桥煤矿基本情况 42.2 I段母线测试结果 42.3 H段母线测试结果 9三电能质量限值 133.1 6KV谐波电压限值133.2 谐波电流值允许值 13四测试结果分析及补偿方案比较 134.1 测试结果分析 134.2 3MVARSVG+4MVARFC补偿方案与6MVAR

2、SVG补偿方案比较 144.3 补偿效果分析比较 154.4 系统主接线原理图 17大屯煤电集团姚桥变电站动态无功补偿与谐波治理技术方案第11页共18页一概述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，随之而来的变化是机械设备的装 机功率也越来越大，供电距离也越来越长。大多存在以下问题：i.i功率因数低煤矿开采设备耗能高，效率低。如井下输送机负荷率小于 40%，采煤机负荷率 小于60%，风机泵类负载的效率只有50%左右，存在大马拉小车现象，使得设备 容量得不到充分利用，煤矿自然功率因数偏低，吨煤能耗增大。1.2供电线路长，损

3、耗大随着采煤距离的延伸，供电线路越来越长，少则几km,多则几十km，由于线路损失大，致使电网末端电压偏低，驱动采掘机械的电动机出力不足，工况恶化， 机电事故增多。1.3谐波问题现代化矿井大部分设备的控制系统均由电力电子器件组成，其中主、副井的绞 车、提升机等都是典型的非线性冲击负荷，它对电网电能质量污染严重，使供电系 统出现很大的电压波动和幅值很大的谐波电流，对设备的安全运行造成了很大的影 响，同时也增加了系统的损耗。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

4、所引起的电压闪变 等因素确定。”1.4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，贝U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%。二系统情况与测试结果2.1大屯煤电集团姚桥煤矿基本情况大屯煤电集团姚桥煤矿矿井设1座35KV变电所，变电所内装备两台SZ9-25000/35 35/6KV 容量分别为2

5、5MVA、20MVA的主变。6KV为单母线分段, 每段母线补偿电容器为1500kvar x 2。2.2 I段母线测试结果测试时间：1段母线：3月21日12: 383月21日19 : 58U段母线：3月21日21 : 063月22日05 : 20测试仪器：德国METRL PQAplus增强型电能质量分析仪 测试单位：思源电气股份有限公司a. 瞬时电压电流波形瞬时电压、电流频谱|VoltagesMagnitudes (20.03.2008. 20:20:20)CurrentsVoltage Ph2 (%) Thd = 1. 49%一16土20=242* H3A40U 448T2二.1thd150厶

6、12亠162124232364044 48：525050500510443322Current Ph2 (%)Thd = 2.92%60thd5.0Voltage Ph1 (%) Thd = 1.61%5.0Current Phi (%) Thd = 3.06%4.5 4.54.0 4.03.5 3.53.0 3.02.52.52.0 2.01.5 1.51.011.0|0.5 10.5 I0*004J8驻邙哪Current Ph3 (%)Thd = 3.03%121620 24 28 3Q 36 40 44 4852二3.02.52.01.51.0 _0.5 _0b. 母线电压、电流三相电流

7、母线三相电流最大值在1000A左右，个别情况下瞬时冲击可达1500A ;三相 电流最小值大约200A左右，母线电流波动较大。三相电压 母线电压最大值大约6.18kV，最小值大约5.6kV，可见6kV母线电压波动较大c. 功率因数Periodics (1 段母线.PMD)1.010.960.920.870.830.780.730.690.640.600.550.500.460.410.370.320.270.230.180.140.09Relation 1 : 921.03.2008. 19:58:0021.03.2008. 12:38:00Pfti+ Min系统功率因数最高时可达1.0，最低时

8、仅为0.4，通常情况下不超过0.8，需要 对系统进行无功补偿。d. 无功波动Qti+ (MVAr) Max无功功率最大值可达11MVar，通常情况下系统无功功率最大值大约为 7MVar， 最小值大约为2MVar，系统无功功率波动较大。e. 谐波电压总畸变率系统谐波电压总畸变率最大值可达15%，最小值也有2%，系统电压畸变严重。f. 5次谐波电流Periodics (1 段母线.PMD)11.70I1 h5 (A)5次谐波电流最大值大约11.5A。g. 7次谐波电流Periodics (1 段母线.PMD)I1 h7 (A)7次谐波电流通常情况下最大值大约15A，瞬时冲击最大值可达33Ah. 1

9、1次谐波电流Relation 1 : 921.03.2008. 19:58:0021.03.2008. 12:38:00Periodics (1 段母线.PMD)11次谐波电流最大值大约60A左右，通常情况下也会有36A。i. 13次谐波电流27.2225.9024.5923.2721.9520.6319.3117.9916.6715.3514.0412.7211.4010.088.767.446.124.803.482.170.85I1 h13 (A)13次谐波电流最大值大约26A左右。j. 23次谐波电流Periodics (1 段母线.PMD)16.4015.6214.8314.0513

10、.2612.4811.6910.9110.129.348.567.776.996.205.424.633.853.062.281.490.71Relation 1 : 921.03.2008. 19:58:0021.03.2008. 12:38:00I1 h23 (A)23次谐波电流最大值可达16Ak.25次谐波电流Periodics (1 段母线.PMD)13.78I1 h25 (A)25次谐波电流最大值可达13A2.3H段母线测试结果Sieyua n?思源电气努力做到比用户期待的更好ii段母线（主井绞车）a. 三相瞬时电压电流波形VoltagesMagnitudes (21.03.2008

11、. 20:21:20)Currents5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50Voltage Ph2 (%) Thd = 2.12%Current Ph2 (%) Thd = 3.73%5.0121&2024283236404448525660thd505050505104433221Voltage Ph3 (%) Thd = 2.02%4.03.53.02.52.01.5 _1.0 _0.5 _0TL._8-l.l-12-162024283236404448525660thd大屯煤电集团姚桥变电站动态无功补偿与谐波治理技术方案第12页共1 8页b. 三相电压、电流三相电

12、流（A）三相电流通常情况最大值1060A，瞬时冲击最大值可达1500A三相电压Sieyua n?思源电气努力做到比用户期待的更好大屯煤电集团姚桥变电站动态无功补偿与谐波治理技术方案第1 1页共1 8页母线三相电压最大值为6.15kV左右，通常情况最小值在5.9kV，瞬时波动最小值可达5.67kV。c. 功率因数Periodics (2 段母线.PMD)0.93Pfti+ Min功率因数最大值大约为0.92，最小值在0.7左右d.无功波动Periodics （2 段母线.PMD）Qti+ (MVAr) Max无功功率通常情况下最大值在5.5MVar，瞬时冲击最大值可达9.8MVarSieyua

13、n?思源电气努力做到比用户期待的更好e. 5次谐波（A）5次谐波电流通常情况下最大值可达 40A，瞬时冲击最大值可达80A , 5次谐波含量很大。f. 7次谐波（A）g. 11次谐波（A）11次谐波通常情况最大值为9A，瞬时冲击最大值可达15Ah. 13次谐波（A）13次谐波通常最大值为4A，瞬时最大值可达9.5A大屯煤电集团姚桥变电站动态无功补偿与谐波治理技术方案第21页共1 8页三电能质量限值3.1 6kV谐波电压限值电网标称电压k V电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率，奇次偶次64.03.21.63.2谐波电流值允许值母线短路容量为75MVA时6kV系统各次谐波电流允许值:电压等级各次

14、谐波电流的允许值（A）23456789101112136kV32.325.516261118996.4125.39.8各次谐波电流的允许值（A）1415161718192021222324254.65.14.07.53.56.753.23.73.05.62.75.1四测试结果分析及补偿方案比较4.1测试结果分析I段母线从电压、电流瞬时波形中可以看出，电压、电流均发生了一定程度的畸变；绞车运行时产生的谐波含量大，尤其是 11、13、23、25次谐波严重超标，同 时，通过电容器组投切前后的对比可以看出，电容器组对5，7次谐波产生了放大作用，同时虽然5，7次谐波在大部分时间内不超标，但是在个别情况下

15、，5，7次急剧增加，达平时的15倍以上；电压畸变率最大时超过15 %，大大超过国标要求的4%以内的范围；绞车运行时的无功冲击非常大，瞬时无功最高已经超过11Mvar，平时维持在7Mvar左右，功率因数最低时不足 0.1 ;绞车运行时的电压波动的非常厉害，最低降为5.5kV。电流最高时瞬间可超过1500A，极易造成保护误动。U段母线从电压、电流瞬时波形中可以看出，电压、电流均发生了一定程度的畸变；绞车运行时产生的谐波含量大，尤其是 5、7次谐波严重超标，5次谐波电流 最高超过160A，电压畸变率接近国标要求的4%以内的范围；绞车运行时的无功冲击非常大，瞬时无功最高已经接近10Mvar，平时维持在

16、5Mvar左右，功率因数最低时不足0.7;绞车运行时的电压波动的非常厉害， 电压波动范围为6.165.65kV o电流最高 时瞬间可超过1500A，极易造成保护误动。6kV I段母线中各次谐波电流列表：谐波次数5711132325谐波电流大小(A)11.51560261613谐波电流允许值(A)2618129.85.65.16kV I段母线中11、13、23、25次谐波电流均超标，尤以11次最严重6kV II段母线中各次谐波电流列表：谐波次数571113谐波电流大小(A)4013.594谐波电流允许值(A)2618129.86kV II段母线中5次谐波电流严重超标。由以上对系统数据的分析结果可

17、见，要求动态无功补偿装置在对系统进行无功 补偿的同时，还要治理系统中的谐波电流。SVG动态无功补偿装置响应时间短，能够快速跟踪系统无功变化，对系统提供 动态无功补偿。4.2 3MVar SVG+4MVar FC 补偿方案与6MVar SVG 补偿方案比较经过对测试数据的分析，在 6kV母线上配置容量为6MVar的动态无功补偿装 置，即可满足对系统功率因数补偿的要求。补偿方案可采用6MVar的SVG动态无功补偿装置或采用3MVar SVG+3MVar FC的补偿方案，两种方案各自的特点及优 缺点对比如下：性能参数6MVar SVG型补偿装置SVC+成套补偿装置 (3MVar SVG+3MVar

18、FC)无功补偿范围-6MVar6MV ar0MVar6MVar无功补偿能力感性/容性双向可调只能提供容性无功（SVG与FC配合），SVG单独补偿可提供-3MVar3MVar的补偿范围（FC切除）补偿可靠性输出无功容量不受母线电压变 化影响，在系统电压较低时能 够对系统电压提供有效的支撑FC实际输出无功受母线电压影响较 大,当母线电压较低时其补偿容量下降 很快，对系统的电压支撑能力较弱谐波特性能够滤除13次以下的谐波电 流，对于13次以下的谐波电流 无法治理SVG能够滤除13次以下谐波电流，FC 配置成高通滤波器，可滤除13次以上的谐波电流，能够对 25次以下的谐波 电流进行有效治理。占地 面积

19、小稍大运行经济性高，损耗较SVC+小较高，SVG需发出感性无功功率来抵 消FC的容性无功。运行安全性可控电流源，无谐振及谐波放 大危险FC并联电容器设计与系统阻抗有关， 存在低次谐波放大可能。可靠性维护性模块化免维护，安装维护简单维护工作量小施工工程量小较大4.3补偿效果分析比较两种补偿方案容性动态无功补偿范围相同，所以对于功率因数的补偿效果相 同，以下只对两种方案的谐波治理效果加以分析对比。1）6kV I段母线A）采用6MVar SVG补偿治理谐波，能够将13次以下的谐波完全滤除。 所需SVG谐波治理的容量为：QSVG1 =1.353 U . I212 Ii I13 -1002.7 kVar

20、对于I段母线，若将13次以下的谐波完全滤除，所需 SVG的谐波补偿容量为 1002.7kVar ;对于13次以上的高次谐波（23次、25次谐波），SVG则无法滤除, 23次和25次谐波将仍然会超标。B） 采用3MVar SVG+4MVar FC 的混合补偿和滤波方案，SVG主要治理13次以下的谐波，FC配置成11次高通滤波器，对高于13次以上的谐波进行治理。通过软件分析仿真，增加FC高通滤波器后，滤波效果如下（6kV系统短路容量取 75MVA）：谐波次数5711132325滤波前谐波（A）11.51560261613滤波后谐波（A）19.855.9625.6361.640.7750.62谐波电

21、流允许值（A）2618129.85.65.1由滤波结果可见，高于11次的谐波电流得到了大幅度衰减，FC滤波支路会与 系统阻抗在低次谐波发生并联谐振，对 3次、5次低次谐波产生一定程度的放大作 用。SVG滤除13次以下的高次谐波，则所需的SVG补偿容量为（谐波电流为FC 滤波后的谐波电流）：QSVG2F.35.3 U . I ； I； I ；=317.3 kVarSVG与FC配合进行谐波治理，能够将25次以下的各次谐波电流均限制在国 标要求限值以下。总结：对于6kV I段母线，采用6MVar SVG进行无功补偿和谐波治理，能够 有效滤除母线中所含的13次以下的谐波电流，但13次以上的谐波电流若超

22、标将无 法滤除；采用3MVar SVG+4MVar FC 的补偿和谐波治理方案，能够有效滤除 25 次以下的各次谐波电流。2）6kV II段母线6kV II段母线上的谐波电流主要为13次以下的谐波电流，其中尤以5次谐波 超标最严重。A）采用6MVar SVG补偿治理谐波，能够将13次以下的谐波完全滤除，由于 13次以上谐波电流均很小，滤波后能够保证 25次以下的各次谐波电流满足国标要 求。所需SVG谐波治理的容量为：QSVG1 =1.353 U .If I2 In I13 = 638.6 kVar对于I段母线，若将13次以下的谐波完全滤除，所需 SVG的谐波补偿容量为638.6kVar，能够保证25次以下的谐波电流均满足国标要求。B