古城煤矿电网无功补偿及谐波治理方案

古城煤矿电网无功补偿及谐波治理方案

张龙洋

山东东山古城煤矿有限公司山东省兖州区272100

摘要：该文结合古城煤矿供电系统实际，实测系统数据，分析了供电系统无功功率的状态及改进措施，实例说明35KV变电所采用SVG动态无功补偿装置能够对矿井供电系统进行优化，提高电网功率因数的同时，减少谐波电流的污染，对同类矿井具有一定的借鉴作用和参考价值。

关键词：电网；无功补偿；谐波治理

1.古城煤矿供电系统概述

古城煤矿35kV变电站两路架空线路LGJ-150/35kV架空线长3.5km，分别来自红庙变电站35kV母线Ⅰ、Ⅱ段，矿热电厂Ⅰ路接至6kVⅡ段母线，电厂Ⅱ路6kV接至2#主变低侧、电厂Ⅲ路经升压至35kV接至古城Ⅰ线。正常运行方式，矿热电厂1#发电机组与2、3#发电机组分列运行，1#机组发电供矿井负荷，剩余电量经1#主变与古城Ⅱ线并网；2、3#发电机组并列运行，经电厂主变升压至35kV在本变电所与古城Ⅰ线并网运行。6KV系统建矿时安装电容器2组，共2400Kvar，因设备使用年限较长、电容器老化比较严重，随着矿井容量的不断增加、供电距离越来越远及软启动、整流装置、变频器等设备的投入现有电容器已不能满足系统运行需要。

古城煤矿电网电能质量存在以下问题：

（1）无功功率补偿容量严重不足

古城煤矿电网6kV母线并列运行，两段母线共有固定电容器补偿容量为2400kvar。通过一个工作日的测试结果，在补偿无功功率2400kvar的情况下，古城煤矿电网无功功率最大缺口为3730kvar，最小缺口为1200kvar，其无功功率补偿容量严重不足，造成矿热电厂发电机容量浪费。

（2）无动态无功功率补偿能力

古城煤矿电网采用固定电容器进行无功功率补偿，当出现冲击负荷或者电网负荷波动较大时，系统的无功功率不能随着无功变化进行调节，造成系统无功波动，同时系统的电压也产生波动。另外，不能实现分相调节系统的无功功率，当电网出现不平衡时，无法进行调节。

（3）无谐波治理能力

电网存在谐波电流比较大的情况，目前古城煤矿电网不具备谐波治理的能力，无法抑制谐波对煤矿电网安全运行产生的危害。

2.方案设计

无功问题和谐波问题都会给电网的运行或效率带来不良的影响，同时也会对接在该公用电网中的其他用电设备带来一些不良的影响甚至危害。

当消弧线圈调谐不当和系统对地电容处于串联谐振状态时会引起中性点电压过高，而且会对上述无功问题和谐波问题进一步放大（电容器的应用也可能导致谐波放大现象），从而引起三相对地电压严重不平衡，会对电气设备的安全运行造成极大的威胁。因此系统必须考虑加装快速的无功功率补偿装置，以滤除谐波，平衡无功的波动。

静止无功发生器（SVG）可以快速平滑调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。

在系统发生短路故障情况下，SVG的动态无功调节能力可以加快故障切除后内部工况的恢复过程；在负载变化情况下，SVG可以使变电站的电压波动明显降低，对工艺设备及变电站安全运行和稳定电能质量均有很好的作用。

通过对现场供电系统有功功率、无功功率、功率因数电能质量参数实际测试了解分析：系统无功功率变化范围比较大（3000kvar~5000kvar），变化速度比较快，有一定的冲击性。功率因数不平稳，整体偏低；平均功率因数为0.8419，低的时候为0.74，最高时为0.899。

根据提供的技术资料及系统无功补偿容量的相关要求，设计方案考虑到系统无功不过补、欠补，由于系统功率因数较低，一般情况下在0.74左右，为补偿容量足够的情况下保证功率因数提高到0.96。无功补偿容量设计详见如下：

Q=K*P*（tanΦ1-tanΦ2）

=1.28*6000*（0.91-0.29）

=4761.6kvar

其中：Q——无功功率补偿容量，kvar

P——系统有功功率，KW

tgΦ1——补偿前功率因数所求出的正切值

tgΦ2——补偿后功率因数所求出的正切值

K——补偿系数，考虑到系统电压的波动性和电容器电压对补偿效果影响。一般取1.28

为了留有余量，最终确定SVG的容量为3Mvar。同时考虑到6kV母线分为Ⅰ、Ⅱ两段，为了避免检修或某段母线故障时影响负荷的正常生产，建议在每段6kV母线各安装一套SVG。

3.效益分析

由于古城煤矿电网主要由矿热电厂供电，同时允许无功倒送，所以古城煤矿电网安装SVG装置后效益分析按以下方式进行。没有安装SVG前，古城煤矿电网无功容量不足，故需要发电机有部分容量用于供给电网无功，安装SVG后，由于SVG可以进行双向无功补偿及快速的动态响应，所以可以保证系统的全部无功需求，此时发电机的容量可以全部用来产生有功功率供给古城煤矿电网，按照一个工作日的测试结果，古城煤矿电网一天从上级电网的用电量为10868kw.h，安装SVG后，古城电网一年节约的电量约为：

年可节约电量＝10868kW×365天/年=3966820kWh/年

年可减少煤耗量＝3966820kWh/年×0.335kg/kWh=1328885kg/年

年可减少二氧化碳排放量＝3966820kWh/年×1.3kg/kWh=5156866kg/年

式中：0.335kg/kWh为我国发电厂煤耗量的统计参数；

1.3kg/kWh为我国发电厂二氧化碳排放量的统计参数。

4.结论

经补偿后6kV母线的功率因数值高于0.95，单套SVG输出调节范围为-100%～100%，无功功率补偿能够满足要求，系统的谐波电流和6kV母线电压总谐波畸变率低于国家标准，谐波得到有效治理。