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SVG无功补偿技术在矿井供电系统中的应用
摘要：分析了SVG (Static Var Generator，静止无功发生器)无功补偿技术在新疆哈密大南湖一矿6 kV配电网的应用，并通过仿真验证了该方法的有效性。实验结果表明，SVG无功补偿技术可以有效实现矿井供电系统动态无功补偿，能有效抑制供电系统谐波污染，有助于提高矿井供电系统功率因数，改善供电质量。
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目前煤矿电力系统的主要负荷设备是交流或直流输电机器（如皮带机、采煤机等）。在实际条件下，这些机器工作功率因数偏小，对煤矿供电系统功率因数造成了影响，使得电能损耗加重。因此，有必要采用先进的无功补偿技术对煤矿供电系统进行优化升级。大南湖一矿同样存在以上问题，因此将SVG无功补偿技术应用在大南湖一矿供电系统中，并进行了分析。
1、矿山概况
大南湖一矿供电系统由多个独立的操作系统组成，各子系统之间存在一定的耦合关系[1]。该矿的供电系统配有1个额定电压为110 k V的高压变电站，其中包括2个额定电容器，以补偿电路中6 k V侧母线的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ段的无源电力。为了提高系统的电压质量，电路上并行设置了电容组和滤波电感。由于经常使用第一和第二段，1个额定值为7.7 Mvar的FC (Ferrule Connector，金属套连接器）谐波补偿器[2]是稳定电网所必需的。为了保证电力系统的稳定运行，必须定期对系统进行测试和维护。
采用FC谐波补偿器和电容器组时，6 k V母线的无功补偿情况如表1所示。
表1 6 kV母线无功补偿情况
2、SVG监控系统
SVG监控系统可实时监控电路电压和电流等。它对供电网的安全稳定运行起着重要的作用，是保证电网正常运行和可靠供电的基础。SVG监控系统可以实时显示供电时间、供电天数、供电月份等数据，对供电系统设备参数历史数据进行记录，并同步记录各用户运行情况，便于用户时刻查询。SVG监控系统能在电源系统发生故障的情况下自动发出警报，并且配备了实时绘图工具。它能对设备的运行状况进行记录和分析，从而实现远程控制、故障诊断及事故处理等功能。通过Modbus通信协议能实现SVG系统监控，且该操作能在网上实施[3,4,5]。
3、SVG无功补偿技术的应用
3.1 SVG控制
SVG无功补偿技术可以对煤矿供电系统的正常工作进行有效控制。经SVG将抑制谐波调整为零功率电流，是电流直接控制，否则为电流间接控制。SVG由于体积小、质量小，被广泛应用于各种场合，包括地下高压电网、矿山低压电网、城市配电网等。电流直接控制是最常见的方法，不需要测量交流电压基波的相位和幅值，即在SVG工作时直接测量无功电流，然后控制无功功率。
3.2 SVG的运行测试
3.2.1 试验条件
1)电力供应状况。经上级电力公司验收，35 k V变电站直接进行三线输入运行，1#线为工作输入线，2#线为备用线，3#线未形成。35 k V母线被直接切断时，可以分成两部分，保持额定电压为6 k V，提供直接电源，并在电源的一端可以检测到状态信息。
2)负载状态。采用3 600 k V·A变压器作为主井机，采用12台脉冲整流器和2 250 k V主井机直接输送电流。对于负载能力大的系统，需要增加辅助设备，以提高整体效率。1台1 600 k V·A变压器用作二次电流脉动，它包括1个六脉冲整流器和1个1 000 k V直流电动机，外加2个主风扇和1个备用风扇。通过直流电阻试验和交流电压负载损耗试验，使母线实现安全稳定工作。具体试验时，必须保证母线正常运行，也就是承载运行。因此，必须保证母线具有足够高的可靠性和安全性，这样才能使整个系统稳定运行，母线达到供电要求。
3)检测方法。为了确保测试数据的准确性，需要在每个测试周期内多次测量被测试设备的运行参数。由于谐波变化是不均匀的，每3 ms可以收集1次数据。为了确保测试数据的准确性和可靠性，必须对采样点和相关参数进行校准。为了确保测量数据真实有效，每个工作周期收集1次数据，共收集数据不少于8次。在本研究中，取样点被安排在总线Ⅰ段的入口点。使用SVG后，即使在大功率负载下，仍能对电能和波形数值进行检测[6,7,8]。
3.2.2 测试结果
无功补偿情况测试中，对比谐波电流的测试值和标准值（见表2）。从计算结果看，二者相差很大，因此需要对谐波电流值加以修正以满足现场要求。SVG应用之前的供电系统参数如表3所示。
表2 母线I段谐波电流值
表3 SVG应用之前供电系统参数
由表2可知，母线Ⅰ段的11次和13次谐波电流测试值超过标准值，导致功率因数降低。SVG固定补偿装置投入运行后，如果母线负荷过高，可能会出现无功功率过载，导致系统启动频率过高，影响系统的电压稳定性[9]。
运行SVG后，进行电网试验，确保电流的高次谐波达到标准值。从计算结果看，测试值和标准值相差很大，因此需要对供电系统参数加以修正以满足现场要求。此外，还应注意电压不能太高。增大6 k V母线的功率因数，确保达到0.98，降低最大无功冲击，提高系统的电压稳定性和安全性，使整个供电系统稳定可靠。
投入SVG后，供电系统的参数如表4所示。
表4 投入SVG后的供电系统参数
投入SVG后的三相电压输出波形、三相电流输出波形分别如图1、图2所示。当三相电源发生故障时，可以通过控制逆变器开关装置调节系统的输出电压和频率，从而改变三相电压和电流。通过分析图1和图2，可以看出三相电压是稳定的，但是负载发生波动，电流因此增大，三相电压也随之下降到6.0 k V，当负荷降低时，电压稳定在6.2 k V左右。
图1 投入SVG后的三相电压输出波形图（2022年8月30日）
图2 投入SVG后的三相电流输出波形图（2022年8月30日）
图3显示了投入SVG后经过无功补偿的三相电流波形。在此基础上，分析三相电流中谐波成分和基波分量对电网电能质量的影响。
图3 SVG回路电流与网侧电流（2022年8月30日）
由图3可看出，经过SVG无功补偿后的波形比未加之前更加平缓稳定，可以有效利用SVG实现系统的无功补偿。通过对SVG新型无功补偿器与传统无功补偿器动态无功补偿和谐波治理情况的分析，可得出以下结论。
1) SVG的应用可以提高煤矿电网功率因数、治理谐波、抑制电压波动，达到节能降耗和改善电能质量的效果，是一种经济实用、改善供电质量的设备。
2)谐波特性好。SVG自身不产生谐波电流，而且能有源滤除负载产生的各次谐波电流，很好地满足无功补偿与谐波治理的综合需求。
3)运行安全性可靠性高。SVG为可控电流源，不会产生过电流，不会产生谐波使电压放大，尤其适合煤矿等对安全性要求高的用户使用。
4)运行损耗小，运行效率高，节能效果显著。
5)占地面积小。由于自身没有谐波，不需要滤波器组，占地面积大大减小。
6)可靠性高、维护量小。满足IGBT (InsulateGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）功率模块N+1运行方式，1个模块故障旁路可继续运行，可靠性大大提高；模块化设计，安装、调试、维护工作量小。
SVG功率单元电压波形如图4所示，最大电压值为900 V，最小电压值为700 V。
图4 SVG功率单元的电压波形（2022年8月30日）
4、结束语
为了改善大南湖一矿无功补偿FC装置中投切电容器的性能，将新的动态无功补偿装置SVG投入煤矿供电系统使用。实践证明，SVG在大南湖一矿的动态无功补偿、降低谐波污染、提高煤矿供电质量方面发挥着重要作用。
参考文献:
[1]岑佑华.露天转地下开采关键技术研究[J].中国矿山工程,2009,38(6):3-7.
[2]鲁楠.煤矿供电SVG无功补偿技术的应用研究[D].淮南:安徽理工大学,2016.
[3]白玮.SVG无功补偿在选煤厂供电系统中的应用[J].能源与节能,2016(8):187-188.
[4]赵萌萌,江新峰,胡琴洪,等.SVG在光伏电站无功补偿中的应用[J].电力电容器与无功补偿,2016,37(3):35-38.
[5]鲁楠,陶玉,孔维贺,等.SVG无功补偿技术在煤矿电网中的应用研究[J].煤矿机械,2015,36(8):250-253.
[6]杨健.矿井供电系统无功补偿研究[J].山东煤炭科技,2016,34(11):132-133.
[7]付志林.SVG无功补偿装置无功电流检测技术研究[D].郑州:郑州大学,2016.
[8]孟海强.矿井综采工作面无功补偿技术应用研究[D].西安:西安科技大学,2015.
[9]郑为进.智能低压SVG型无功补偿控制器的研究[D].上海:上海工程技术大学,2015.
文章来源:蒋亚奇.SVG无功补偿技术在矿井供电系统中的应用[J].能源与节能,2023(10):210-212.
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期刊名称：电力与能源
期刊人气：1710
主管单位：上海科学院
主办单位：上海市能源研究所上海市电力公司上海市工程热物理学会
出版地方：上海
专业分类：电力
国际刊号：2095-1256
国内刊号：31-2051/TK
邮发代号：4-674
创刊时间：1980年
发行周期：双月刊
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2023-10-27
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