1、02煤矿电能质量治理技术的研究与应用计划任务书项目编号：中国平煤神马集团科研项目计划任务书项目名称： 煤矿电能质量治理技术的研究与应用 承担单位： 中国平煤神马集团天成环保工程有限公司 开发机构： 中国平煤神马集团天成环保工程有限公司 起止年月： 2015.01-2015.12 项目负责人： 朱承功 一、 立项依据和目的意义电能是当今社会应用最广泛的能源，它的应用程度标志了一个国家科技和经济的发展水平。电力市场逐步开放以后，电能成为一种商品，商品应当具有良好的质量，这使得电能质量问题成为电能交易过程中供用双方关注的重大技术问题。随着科学技术的发展，各种精密的电子设备、自动化生产线和微处理器控制
2、的设备广泛应用，它们对电能质量的敏感度不断增加，因此电力用户对电能质量的要求不断提高。理想的公用电网是指以单一恒定的电网标称频率（我国采用50Hz）、规定的若干电压等级和正弦波形的交流电向用户供电，且这些运行参数不受用电负荷的影响，始终保持三相电压和负荷电流的平衡，保证用电设备以单位功率因数吸取电能，并连续不中断地对电气设备供电卜引。但是，随着化学冶金工业和电网设备的发展，大量的非线性负载和电力电子设备接入了电网，如大型电弧炉、连轧机、电力机车、变频装置和整流装置。尤其是近年来我国电气化铁路发展迅速，其牵引式负荷属于整流负荷，供电方式是工频单相式交流供电，是典型的谐波源、负序源和波动源。这些负
3、载频繁波动会吸收大量的无功功率，使得功率因数降低，引起电压波动和闪变，产生大量的负序电流和谐波电流，造成三相不平衡和畸变等诸多电能质量问题。这些负面因素不但影响用电设备性能，还会对电网造成无功功率冲击，使系统局部电压不稳、功率因数恶化，甚至会影响整个电力系统的正常运行。我国是一个煤炭大国，煤矿作为电力系统一级供电负荷对供电可靠性要求极高。随着煤矿产能的提升，现代化装备水平的提高，大量电力电子功率器件及装置在矿井电网被广泛应用，这些设备在给矿井生产带来节能和高效的同时，也给供电网络电能质量造成了严重的问题。电能质量问题给煤矿电网中的所有用电设备带来危害，轻则增加能耗，缩短设备寿命，重则造成严重的
4、用电事故，直接威胁到煤矿企业的安全生产。因此 针对煤矿电网中出现的电能质量问题 进行科学的分析研究 寻求有效的手段来控制和调节电能质量对煤矿电网安全可靠运行具有十分重要的现实意义。二研究内容和技术方案 1、研究内容随着煤矿产能的提升，现代化装备水平提高，大量电力电子功率器件及装置在矿井电网被广泛应用，这些设备在给矿井生产带来节能和高效的同时，也给供电网络电能质量造成严重的污染。谐波放大或谐振引起设备损坏、负序和谐波严重超标引起保护误动作等危害煤矿企业的安全生产。因此，如何根据煤矿电能质量的实际情况，对其提出相应的解决方案使我们的主要研究内容1、对电能质量问题进行研究。主要包括电能质量的定义、危
5、害、分类 相关标准对电能质量各项指标的规定，电能质量的治理技术等，为进一步的研究提供理论基础和依据标准。 2、对出现电压不平衡和电流谐波等电能质量问题的原因进行分析。通过谐波源定位研究和三相不平衡原因的研究，确定电能质量问题的主要根源是在本系统内部还是来自与该供电系统相连的外部系统，为制定合理的电能质量治理方案提供依据。 3、结合电能质量问题的实际情况，比较各种治理技术，确定了适合该变电站的电能质量治理方案，并进行了设备的选型。对该治理方案的效果进行了分析和评价。2、实施方案：1、对电能质量问题进行研究。主要包括电能质量的定义、危害、分类 相关标准对电能质量各项指标的规定，电能质量的治理技术等
6、，为进一步的研究提供理论基础和依据标准。2、针对对某一煤矿的电能质量进行全面测试。并依据相关标准对测得的电能质量各个指标进行评估，得到该矿变电站电网存在的电能质量问题。3、对出现电压不平衡和电流谐波等电能质量问题的原因进行分析。通过谐波源定位研究和三相不平衡原因的研究，确定电能质量问题的主要根源是在本系统内部还是来自与该供电系统相连的外部系统，为制定合理的电能质量治理方案提供依据。 4、结合电能质量问题的实际情况，比较各种治理技术，确定了适合该变电站的电能质量治理方案，并进行了设备的选型。对该治理方案的效果进行了分析和评价。三新产品市场技术应用前景预测电能质量下降对煤矿电网电力设备安全运行的主
7、要影响有以下几个方面：谐波对电容器的影响。电容器的投入运行，一方面恶化了电网的谐波状况，另一方面自身的安全运行也因此受到严重威胁。由于电容器容抗与频率成反比，它对谐波电压最为敏感，谐波电压会加速介质老化，容易发生故障和缩短使用寿命，过大的谐波电流会使电容器过负荷和出现不允许的温升，在发生谐振时，谐波可使电容器成倍地过负荷，出现异常声响、熔丝熔断、“鼓肚”等现象，有时电容器根本不能投入运行。在有些情况下由于电容器的存在引起严重的谐波放大现象，致使其他设备无法正常运行，不得不将电容器组断开，电网被迫在低的功率因数下运行。谐波对电机的影响。谐波电流不仅会产生附加损耗，使电机过热，还会使电机产生振动，
8、在异步电动机中，较大的谐波电流将降低额定转速下的有效转矩，并在较低转速下引起寄生转矩，这种寄生转矩可能使异步电动机在启动后无法达到它的额定转速。谐波对继电保护自动装置和控制设备的影响。由于各种继电保护装置都是按工频条件设计的，谐波的存在将引起它们的误动作，特别是当存在较大负序谐波时，对系统的负序保护更具有不良的影响。谐波电流能影响甚至破坏利用电力线路作为联系通道的远动装置的动作。母线电压的畸变，还能引起整流设备触发脉冲控制装置的触发周期不稳定，使晶闸管的触发角或触发时间价格不相等，影响整流设备的正常运行。谐波对通信系统的影响。电网中出现持续谐波干扰后会对通信系统产生严重影响，这是因为谐波对邻近
9、的通信线路产生了静电感应和电磁感应。通信线路上的杂音降低了信号的传输质量，并可能干扰信号的正确传输。同时，谐波还能使架空线路产生过电压，加速电缆线路的老化，使变压器功耗增大，引起局部过热，增大计量仪表的误差。电网电压偏差的影响。一般来说造成电网电压偏差的最主要原因是无功功率的传输。另外，电力电容器的投切对母线电压偏差的影响也是十分大的。电压偏差产生的危害是很明显的，电压偏高将损坏绝缘设备，电压偏低将使异步电动机转速降低等。瞬态电压的影响。瞬态电压会增加电网的谐振，造成瞬态高电压、大电流。电子设备运行中，电压的瞬态变化将作为一个扰动信号输入而产生效应。电子设备的直流电源是由电网交流电源经过整流后
10、获取的，因而交流电源的波动必然导致直流电源的波动。虽然直流电源一般有专用的稳压装置或者稳压线路，但通常相对稳定电源的输出是不稳定的，特别是当电压的波动幅度过大时，数控装置可能出现数字乱跳、动作紊乱的现象，单稳态电路可能引起稳态翻转、错误动作的现象。加速电器设备老化，缩短使用寿命。频率偏移的影响。产生频率偏差的主要原因是发电机有功出力与有功负荷不平衡。当频率偏低时，汽轮机低压级叶片将由于振动加大而产生裂纹，甚至发生断落事故；频率的降低也将引起交流电动机转速相应降低，更加影响火电厂的出力，引起频率下降的恶性循环，频率的下降也会使电动机的转速下降影响煤矿生产。电压波动与闪变的影响。当电压变化超过允许
11、值时，就不能满足用户对电压质量的要求，会导致设备运行性能不良，出现过电流、过热、保护装置误动作及设备烧坏等事故，并且设备性能、生产效率、产品质量都将受到影响。其不良影响包括：1)影响产品质量如焊接工作由于电压波动造成电弧不稳而影响焊接质量；电弧炉由于电压波动影响金属熔炼时间和电能消耗。2)影响设备使用寿命电压长期偏高，会使电热元件寿命缩短。电容器电压如果长期超过额定电压的5%，将因过热面击穿。当电压较额定电压高5%时，白炽灯的使用寿命将缩短50%。电视机的显像管电压高低的波动也都会缩短显像管的使用寿命。 3)造成照明光通量的变化照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，影响工效，时间久了，将使人的视
12、力减退。变化频率过高，还会使工作人员注意力分散。闪变使电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度振荡，因此，对安全生产及人体健康都是极为不利的。 4)影响设备的正常运行 闪变增加电网的谐振，造成瞬态高电压、大电流。电子设备运行中，电压波动将作为一个扰动信号输入而产生效应。电子设备的直流电源是由电网交流电源经过整流后获取的，因而交流电源的波动必然导致直流电源的波动。虽然直流电源一般有专用的稳压装置或者稳压线路，但通常相对稳定电源的输出是不稳定的，特别是当电压的波动幅度过大时，数控装置可能出现数字乱跳、动作紊乱的现象，单稳态电路可能引起稳态翻转、错误动作的现象。加速电器设备老化，缩短使用寿命。因此，电能质
13、量的好坏直接关系到煤矿企业安全生产和发展，在煤矿电网电力管理中具有越来越重要的地位。为了保证煤矿电网的电能质量，必须对电能质量进行改善，采取合理的措施提高电能质量。随着煤矿电网电能质量的日益恶化，对煤矿电网电能质量进行改善治理在煤矿的生产、安全和经济效益方面具有必要性。四、计划进度2015年1月-2015年5月 调查研究阶段2015年6月-2015年8月 设计研制阶段2015年9月-2015年11月 工业性试验阶段2015年12月 鉴定验收阶段五、实现本项目目标具备的条件本项目的实施既需要技术上的保障，也需要基础条件的保障。中平能化集团天成环保工程有限公司现有职工139人，其中具有大专以上学历
14、的各类专业技术人员89人，占职工总数的64%，研究生7人，公司资质力量雄厚，具备一级建造师5人，二级建造师15人，有高级职称人员5人，中级职称人员15人，初级职称人数为25人。主要管理理人员32人、均为大专以上文化水平、年龄在25-42岁之间，是一支年富力强的专业化环保工程施工、生产队伍。我单位与多年从事催化剂的研究的东北师范大学和吉林师范大学联合对该项目进行研究，项目组成员有专门从事有机合成、无机水热合成、化学工艺等多方面的研究人员。公司具有河南省建设厅下发的环保工程专业承包一级资质、机电设备安装、防腐保温工程专业承包三级资质及河南省环保产业协会颁发的环境工程设计乙级资质证书，具备了较强承建
15、大中型环保工程的能力。六项目研究人员名单姓名性 别年 龄职称承担内容负责人刘战宇男41工程师项目决策项目参加人路献品女43工程师项目论证王艳红女40助理经济师项目管理朱承功男40助理工程师项目管理花金岭女32工程师项目管理刘清明男29助理工程师项目论证郑博男26技术员项目实施宋娜女30技术员项目研究张磊男30助理工程师项目研究廖亮男30技术员项目实施姜文涛男32技术员项目实施郭磊男助理工程师项目实施七经费总概算费用名称金额(万元)备注经费总概算调研费5设计研究费180工业性试验费120咨询论证费10验收鉴定费5合计320八经费支出明细预算表费用名称小计金额(万元)2014年2015年科研人工费
16、8科研设备仪器折旧3开发试验设备租赁费33开发用材料与用品、半成品50中间试验费2试验矿的开挖费技术交流费技术培训费水电费及其他能源消耗2技术图书资料费2科研开发设备调整费技术咨询费委外科研试制费开发机构办公费关键设备仪器摊销额（10万下）科研用无形资产的摊销项目前期论证费与技术开发相关其他费用合计100.九、技术的先进性与技术资料目前，国内外对于电能质量治理技术的研究已经很成熟，大体可分为无源和有源两种治理技术。无源治理技术采用电容、电抗的组合来主要实现谐波抑制和无功的动态补偿，有源治理技术则是利用电力电子技术对电能输出的可控来实现电能质量的全面治理。1、无源类技术无源治理技术即根据供电系统
17、实际情况利用电容、电抗的相互配合，提供谐波低阻通路，使谐波导入大地脱离电网。它工作在基波时呈容性，能够同时补偿电网中感性无功功率。在实际使用时，无源LC滤波器常常和晶闸管控制的静止无功补偿设备(Static Var Compensators，SVC)结合起来应用，作为用来动态补偿无功、治理谐波的手段。目前，国内常采取的治理技术通常可分为以下两类：1.1相控类技术（TCR）相控类技术即为晶闸管相控电抗器(thy-ristor controlled reactor，简称TCR)。TCR的单相基本原理，其单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联。这样的电路并联到电网上，相当于电感负载的交
18、流调压电路的结构。TCR的技术特性如下：1)动态连续性。TCR在整套装置中主要起可变感性无功功率的作用,晶闸管的触发延迟角有效移相范围为901800，从而实现感性的无功功率快速、平滑的调节。2)谐波特性。TCR装置采用相控技术，在动态调节系统无功功率的同时，也会向系统注入3、5、7次等谐波，各谐波含量随着晶闸管控制角的改变而有所不同。因此，在三相控制系统中通常将TCR装置接成三角形，使3次及其整数倍次的谐波电流在闭合的三角形中回流，而不至于流入系统中。3)有功损耗。TCR装置的有功损耗主要包括晶闸管导通、轮换和电抗器自身的电阻性损耗，以及配备散热装置等配套系统的损耗。由于TCR装置采用的是相控
19、技术，晶闸管直接承受一次系统电流，导致装置发热量大，加大了装置的有功损耗。4)体积大。在工程应用中，TCR装置一般需要一个庞大水冷却系统对发热的晶闸管散热，所以所需的占地面积非常大。1.2磁控类技术（MCR）磁控类技术即为磁阀式可控电抗器(magnetically controlled reactor，简称MCR)，MCR的原理接线图如下图所示，电抗器两个工作铁芯面积均为S，每一铁芯均有长度为的小截面段，面积为。工作铁芯长度为铁芯有效长度减去图中的小截面长度。四个匝数为N/2的线圈分别对称地绕在两个半铁芯的柱上，半铁芯柱上线圈的总匝数为N，控制绕组的总匝数为，各铁芯柱的上下绕组都有一个抽头比为
20、的抽头，有晶闸管T1、T2接在上下两抽头之间，处于不同铁芯柱的上下两个绕组进行交叉连接后并联接到电网的电源中，续流二极管横跨在交叉端点上。磁阀式可控电抗器的原理接线图在整个工作范围内，只有电抗器的小截面段的磁路处于饱和状态，其余段均工作在未饱和的状态，调节小截面段的磁路饱和度可以改变电抗器的容量。由于晶闸管接于控制绕组抽头之间，其上电压很低，仅为系统额定电压的1%左右，保证了系统运行的可靠性。MCR的特性如下：1)动态连续性。MCR装置通过调节附加线圈上的晶闸管导通角达到了平滑、快速地改变感性无功功率的输出，晶闸管的触发导通角有效调节范围为0180。与TCR相比调节范围更大。2)谐波特性。磁控
21、电抗器在单相运行方式下，不使用滤波装置时，MCR的谐波畸变率小于3%，所以在使用MCR时可不使用专门的滤波装置。3)有功损耗。通过采用新型的自屏蔽式铁心结构，使铁心饱和区域的漏磁通通过相邻不饱和的区域铁心从而形成自屏蔽，由于整个铁心由饱和区域和非饱和区域交替形成，从而大幅度地降低了电抗器的有功损耗。4)运行稳定性。MCR装置的核心控制器件晶闸管接于控制绕组中，其承受的电压低、所流过的电流小，发热量少，即无需复杂的冷却系统，装置运行稳定可靠。5)体积小。在工程应用中，MCR装置既可以设计成油式自冷却型，也可以设计成干式，结构紧凑，设计灵活。电能质量无源治理技术虽然应用十分广泛，但仍存在一些固有缺
22、陷，如控制精度低、响应速度慢，当系统结构或参数发生变化时，系统性能不稳定，无法实现对某些电能质量指标的改善等。2.有源类技术（SVG）有源类技术是利用现代电力电子技术对输出电能实现精确可控来对电能质量治理的一种手段。静止无功发生器SVG（Static Var Generator），是采用全控型器件的一种新型的电力电子装置。SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿和电能质量治理的目的。下面将对SVG的工作原理和工作特性进行说明，并与其他无功
23、补偿装置进行比较分析。2.1 SVG的工作原理SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电阻和电抗器(包括变压器的漏抗及电路中其它电抗)或直接并联在电网上，根据输入系统的控制指令，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足系统所要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。2.2 SVG工作特性同TCR等传统SVC装置一样，改变控制系统的参数可以使得到的电压-电流特性上下移动。但与传统SVC(TCR和SVC等)电压-电流特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的电压-电流特性向下调整时，SVG可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的
24、最大无功电流ILmax和ICmax维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。而对传统的SVC，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。因此SVG的运行范围比传统的SVC大，SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域，而SVG的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域。这是SVG优越于传统SVC的一大特点。此外，对于那些以输电补偿为目的的SVG来讲，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其它直流电源(如蓄电池组，采用电流型变流器时直流侧用超导储能装置等)，则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对于电力系统来说是非常有益的，也是传
25、统的SVC装置所望尘莫及的。对于装置中的谐波问题，SVG可以采用桥式变流电路的多重化技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数的谐波减小到可以接受的程度，也可以通过控制策略的优化，在检测无功电流的同时也检测谐波电流，对两者同时进行补偿。在平衡的三相电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时功率之和在任何时刻都等于三相总的有功功率。各相的无功能量在交流侧来回往返而三相电源和负载之间没有无功流动，所以理论上讲SVG的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。考虑到变流电路吸收的电流的谐波成分以及有功能量的损耗，其直流侧仍需要一定大小的电容作为储能元件，但其容量远比SVG所能提供的无功
26、容量要小得多。另外，SVG连接电抗由于是滤除电流中高频成分，所以电感值也不大。2.3与其他补偿装置的比较SVG与常规的无功补偿装置相比，它具有以下几大优点：1)在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，SVG的性能大大优于传统装置；静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响；2)采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维护费用；同时，可通过电网调度自动化系统(SCADA/EMS)实现无功潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统(DPS)的组成部分；控制灵活、调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，响
27、应速度可达毫秒级；3)连接电抗小。SVG接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量，如果使用降压变压器将SVG连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，使所需的连接电抗器进一步减小； 4)谐波量小。在多种型式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波，如TCR型的5、7次特征谐波量比较大，占基波值的5%-10%；其它型式如SR、TCT等也产生3、5、7、11等次的谐波，这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难，而SVG则可以采用桥式交流电路的多重化技术、多
28、电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度；5)SVG中的电容器容量小，在网络中普遍使用也不会产生谐振，而使用SVC或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生；由于对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使SVG装置的体积小、损耗低；6)对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即SVG产生无功电流基本不受系统电压的影响；SVG的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部系统容量与补偿装置容量可比时，SVC将会变得不稳定，而SVG
29、仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压； 7)SVG的直流侧采用较大的储能电容，或者其它直流电源(如蓄电池组)后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。这对于电力网来说是非常有益的，这是SVC装置所不能比拟的。对于煤矿而言，随着采煤机械化和自动化程度提高，煤矿的电力系统中可采用SVG装置，应用SVG对提升机、绞车等矿井负荷无功补偿、谐波和闪变等问题进行综合治理，可实现如下功能：1)煤炭供电系统功率因数低、吨煤能耗增大，装设SVG进行补偿后，可减少无功损耗，节能降耗；2)变频调速和串级调速系统的应用加剧煤矿电网中谐波污染问题，SVG可以消除低次谐波，进而可改善电能质量；3)供电线路长，末端电压低，驱动采掘机械的电动机出力不足，装设SVG后可稳定电压，提高系统供电安全；4)煤矿中的大型负载启动时，SVG可减小电压波动和闪变，以确保设备的安全可靠运行。5)和传统的TCR型与MCR型SVC 相比，当用于无功负荷补偿时，SVG 具有极大的优越性，电压闪变的改善程度要比用传统SVC 高4-5 倍，同时由于电压稳定的效果好、自身不会产生谐波等原因，节能降耗的效果也要比传统SVC 装置高出1 倍以上。十、技术成果与形式设计图纸、验收证书十一、单位审查意见 （公章） 年 月 日 十二、公司审批意见（公章） 年 月 日
