煤矿主井提升机谐波治理及无功补偿(完整版)实用资料.doc

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1、煤矿主井提升机谐波治理及无功补偿（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）煤矿主井提升机谐波治理及无功补偿侯继才 姜筱瀛 胡腾蛟(煤炭工业部合肥设计研究院摘要 本项目涉及谐波治理、TSC控制技术、同步机可调无功补偿利用等领域。本装置可广泛应用于610kV系统滤除大功率晶闸管变频装置所产生的各次谐波,同时补偿巨大冲击无功。装置投入后能极大的消除电网谐波污染,实现动态无功补偿,提高供电质量。关键词:谐波治理;无功补偿;TSC;功率因数;畸变率Harmonic treatment and Var compensation for lifterof main well at

2、Zhangji Mining companyHou Jicai Jiang Xiaoying Hu Tengjiao(Hefei design & research instituteAbstract The program is involved with harmonic treatment, TSC control technology, synchronous motors adjustable compensation application and so on. The device can be widely applied to treat harmonic caused by

3、 610kV system filtering big-capacity thyristor frequency conversion devices and compensates huge impact Var. After the use of the device, it can eliminate harmonic pollution, realize dynamic Var compensation and improve supply quality.Keywords: harmonic treatment;Var compensation;TSC;power factor;di

4、stortion rate1 引言在供电系统母线上的大功率晶闸管整流装置,当给冲击负荷供电时,会产生巨大的无功冲击和谐波电流,功率因数极低,给电网造成电压波动和谐波污染,严重影响供电质量。功率因数过低会导致降低输变电设备的供电能力,系统损耗增加。大量的高次谐波会产生谐波损耗,降低用电设备效率,加速电力电缆绝缘老化,使机电设备产生震动和噪声,降低寿命,干扰继保、通信等弱电回路。因此矿井供电系统中的无功冲击和谐波污染必须根据电能质量公用电网谐波GB/T14549-93、电能质量电压允许波动和闪变GB12326-90、矿山电力设计规范GB50070-94、煤炭工业矿井设计规范GB50215-94 等

5、国标进行治理。2项目概述淮南张集矿井是一座设计年生产能力为4.0Mt/a 的特大型现代化矿井,其主井提升机采用23000kW 的双电动机拖动,由12脉动交交变频装置供电,运行于110kV中央变电所6kV-II段母线上,本段母线还带有同步通风机及其他少量负荷。现场通过对本段母线测试发现,在提升机起动和运行过程中给变电所6kV母线造成以下影响:(1主井启动时有功最大可达8.4MW,匀速运行时6.0MW;启动时无功冲击可达12Mvar,匀速运行时4.9Mvar,制动时7.2Mvar。并且一个提升周期内变化巨大,电网功率因数过低,在0.30.89范围内波动,平均在0.56 左右,电压波动为12%左右。

6、(211、13、23、25次特征谐波电流较大,其含量远远超过国标规定值,其中11次谐波电流高达97.4A,由谐波产生的电气设备噪声及振动较大。(3由于整流装置触发角的误差而产生的2、4、6、8、10等偶次谐波电流也超过国标规定值, 6kV母线电压总谐波畸变率最大THDu=16.34%,远远大于国标规定的4%。设计前通过对谐波电流值计算以及现场实测值,根据国标电能质量公用电网谐波GB/T14549-93,得矿井6kV 母线谐波电流如表1,测出6kV 母线无滤波器时的功率因数变化曲线如图1。表1滤波器投入前注入6kV 母线侧电网的谐波电流电压畸变率超标超标超标超标超标超标超标超标注:6kV 母线电

7、压总谐波畸变率THDu =16.34%4%,超过国标规定 图1 滤波器投入前6kV 侧电网功率因数变化曲线无功冲击补偿和偶次谐波滤除是本工程的难点。2002年张集矿正处于试投产期,资金比较缺乏,所以我们按既能大量节约投资,又能解决巨大冲击负荷的无功补偿、滤除谐波电流的指导思想作为方案设计依据。3 方案设计的确定根据张集矿主井提升机提升过程产生无功冲击和谐波电流特点,即启动时无功冲击大,造成电网电压波动大,同时产生大量的特征谐波和偶次谐波;停止时所需无功却很小,所以考虑设置LC 滤波兼补偿的串联谐振滤波补偿器,并采用TSC 自动投切滤波补偿器组,同时利用本段母线上的一台3200kW 同步通风机,

8、无功功率能在1979kVar 内自动连续可调功能,组成一套动态补偿滤波系统。 3.1 滤波器组数的设置及容量考虑特征谐波、偶次谐波的量值,提升机启动时冲击无功较大、停止运行时无功较少的特点,同时考虑本段母线上的同步通风机无功补偿作用,我们利用计算机程序计算确定各种方案的滤波器参数,画出相应阻抗特性曲线,避开与系统有可能发生谐振的谐振点,为避免滤波补偿装置的投入对低次谐波电流的放大作用,本方案设置3次、4次、5次单调谐滤波器,6次、11次高通滤波器,并调整滤波器参数,通过模拟计算使滤波补偿装置投入后流入电网的各次谐波电流不超过国标规定值。经过对多种方案运行计算结果的比较、优化,选出最佳方案如下:

9、3次 单调谐滤波电路F 3 Qc3=300kVAR 1组4次 单调谐滤波电路F 4 Qc4=900kVAR 1组5次 单调谐滤波电路F 5 Qc5=600kVAR 1组6次+HP 高通滤波电路F 6+HP Qc6=2400kVAR 1组11次+HP 高通滤波电路F 11+HP Qc11=3300kVAR 1组 滤波装置总容量: Qc =7500kVAR3、4、5次单调谐滤波器补偿容量1094kvar ; 6、11次两组高通滤波器无功补偿容量3788 kvar ,总补偿量4882 kvar 。系统接线如图2。整套滤波补偿装置投入后,能有效滤除偶次谐波、特征谐波并达到国标规定值,主井运行时流入系统

10、所有的谐波电流都小于国标规定值,电压畸变率THDu =3.7%4%,功率因数在0.40.99范围内波动,平均在0.92左右,使矿井供电质量得到极大的改善。3.2 利用TSC 投切技术实现有级动态补偿TSC 技术是采用晶闸管串接入滤波器电路中,实现对滤波器电路电流的通断控制,晶闸管的动作时间在20ms 内,从而能实现快速投切滤波器,达到动态补偿功能。同时TSC 装置本身不产生谐波,损耗小,价格低投资少。上述滤波补偿装置直接投入使用时不能根据主井运行变化情况相应改变补偿容量,在主井一个运行周期内将使电网发生周期性严重过补。因此本方案考虑采用TSC 装置投切滤波器组,在主井停止运行时切除滤波器组,防

11、止过补偿。滤波器设计时就考虑主井启动、运行、停止时无功冲击特点,3次、4次、5次单调谐滤波器合用一个高压柜,长期投入,主井停止时不过补;6、11次两组高通滤波器共用一个开关柜,主井运行时投入,主井停止运行时切除,防止过补。在电压过零时自动投切6、11次高通滤波器。经计算研究决定采用有一套TSC 控制开关自动投切6、11次两组滤波器,实现有级动态补偿。3.3 与矿井同步通风机结合成动态补偿系统:变电所6kV -II 段母线上只带有主井、通风机及其他少量三级负荷,由滤波器参数可知,3、4、5次单调谐滤波器补偿容量为1094kvar ,6、11次两组高通滤波器无功补偿容量为3788 kvar ,在主

12、井停止运行,切除6、11次两组高通时还有1094kvar 的补偿容量,仍然过补偿。同时主井运行过程中无功波动范围较大。矿井在供电方案设计时就考虑在与主井提升机接于同段母线上设一台3200kW 同步矿井通风机,一用一备,其无功功率最大可在1979kVar 内连续可调,相应功率因数在0.7范围内变化。本段母线上矿井同步通风机功率因数可在0.7范围内连续自动可调、相应输出无功为1979kvar ,其励磁系统能在20ms 内自动调节无功。这样由TSC 控制能自动投切的滤波装置和同步通风机组成的补偿系统总的无功补偿范围为:-6861kvar 0。TSC 自动投切的滤波装置在一个提升周期内用于补偿较大的无

13、功冲击,而矿井同步通风机用于提升过程中或停止时较小变化的无功补偿,两者相结合构成动态补偿系统,使矿井供电质量得到极大的改善。滤波装置投运后测得本段6kV 母线谐波电流如表2,功率因数变化曲线如图3,平均功率因数为0.92,完全满足用户的要求。 图2 滤波补偿装置一次原理图表2 滤波器投入后注入6kV 侧电网的谐波电流电压畸变率谐波次数 2 3 4 5 6 7 8 10 11 13 23 25 测试值(A 28.8 13.1 18.4 22.2 16.6 12.7 12.8 8.6 15.8 12.9 8.6 7.9 允许值(A 57.2 45.2 27.9 45.2 18.6 31.9 14.

14、6 11.3 21.3 17.3 9.8 9.0 比较结果谐波电流全不超标,6kV 母线电压总谐波畸变率THDu =3.7%13,偶次16212807202100838/K h 1.62 1.280.720.180.080 213 2.1.3 公用电网谐波电压电流限值3.两个以上同次谐波电流的迭加首先将两个谐波电流迭加,然后再与第三个谐波电流迭加,以此类推。4. 两个及两个以上谐波源在同一节点同一相上引起的同次谐波电压的迭加公式和式(2-19或(2-20类似。共连接点有多个用户5. 同一公共连接点有多个用户每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之

15、比进行分配。第i 个用户的第n 次谐波电流允许值I ni 为:39/I I S S ni n i t =(/1 2.2 无功功率和功率因数22 2.2.1正弦电路的无功功率和功率因数2.2.2非正弦电路的无功功率和功率因数2222.2.3无功功率的时域分析2.2.4三相电路的功率因数2.2.5无功功率的物理意义2252.2.6无功功率理论的研究及其进展无功功率论的研究及其进展40/ 221 2.2.1正弦电路的无功功率和功率因数正弦电路中,负载是线性的,电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和电流分别可表示为u U t =2sin i I t =2sin(2-22I t I t =22cos s

16、in sin cos i i p q=+电流i 41/i 被分解为和电压同相位的分量i p 和与电压相差90的分量i q 。 221 2.2.1正弦电路的无功功率和功率因数i p 和i q 分别为i i I ti I t p =22cos sin sin cos (2-23I q p 和i q 分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。电路的有功功率为:P=UI cos 电路的无功功率为:Q=UI sin 42/ 221 2.2.1正弦电路的无功功率和功率因数定义S =UI =P 22视在功率S = UI =P+Q 功率因数有功功率与实在功率的比值。SP =正弦波电路中,功率因数常用cos

17、 来表示。 43/ 222 2.2.2非正弦电路的无功功率和功率因数在含有谐波的非弦电路中有功功率在含有谐波的非正弦电路中,有功功率、视在功率和功率因数的定义均和正弦波电路相同,物理意义也没有变化物理意义也没有变化。有功功率P 为12电压和电流的有效值分别为P uid t U I n nnn =201(cos (2-29U Unn =21I Inn =2144/S UI UInn nn =11(2-32 222 2.2.2非正弦电路的无功功率和功率因数仿照式(2-28,可以定义无功功率(2-3322这个定义只反映了能量的流动和交换,并不反映能量在负载中的消耗PS Q =能量在负载中的消耗。仿照

18、式(2-25也可以定义无功功率(2-34引入非正弦电路后可能出现些很不合理的现=1sin n nn nf I UQ 引入非正弦电路后,可能出现一些很不合理的现象,因此这种定义也不甚理想。45/ 222 2.2.2非正弦电路的无功功率和功率因数在非正弦的情况下,S 2P 2+Q f 2,因此引入畸变功率D ,使得S 2= P 2+Q f 2+ D 2(2-35比较可得Q 2= Q f 2+ D 2(2-36和Q f 不同,D 是不同频率的电压电流正弦波分量之间产生的。在公共电网中,考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功率,按照上述定义可以得到222211111cos sin f f P UI

19、Q UI P Q U I=+= 246/222222222222122n f n nnS U I U I UI D S P Q UI =+= 222 2.2.2非正弦电路的无功功率和功率因数在这种情况下,Q f 和D 都有明确的物理意义。Q f 是基波电流所产生的无功功率,D 是谐波电流所产生的无功功率。这时功率因数为=PS U I U II I11111co s co s co s 基波电总电流功流相移基波谐基波率电流波有功波电无功因47/形畸变电流流电流数 2232.2.3 无功功率的时域分析以上分析是从频域角度进行分析本节直观的以上分析是从频域角度进行分析,本节直观的从时域角度对无功功率

20、进行分析。时域分析原理i t G u t p (=把电流按照电压波形分解成有功电流i p (t 和无功电流i (t 两个分量,其中i (t 的波形与电压u (t 完全一致,即q p 式中G 为一比例常数,其取值应使一周期i p (t 内所消耗的功率和i (t 消耗的功率相等。可得:P 48/G U=2 2232.2.3 无功功率的时域分析 定义无功电流i q (t 为i q (t = i(t i q (t(2-42由式(2-39和(2-42可得(2-431T=即i p 和i q 正交。因此可求得i 、i p 和i q 的有效值之间关系如下0Ti i dt p q2220202221111T q p T qT pT I I dti i Tdt i Tdt i T dt i T I+=+=考虑到S =UI ,并定义P =UI p 、Q =UI q ,给上式两边同乘以U 22= P 2+ Q 2 (2-44q p 49/可得S Q ( 2242.2.4 三相电路的