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摘 要：功率因数是电网考核用电企业的电能质量的重要参数之一，功率因数低于电网要求，用户需要从电网吸收多余的无功功率，损耗大，电能质量差，还要面临多使用的无功功率缴纳的无功电费，因此针对功率因数不达标的工业用户必须及时进行无功补偿改造。
关键词：无功功率；功率因数；无功补偿
中图分类号：TB1531.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0022-02
某煤矿企业建设于十几年前，采用集合式并联电容器装置，但限于负荷变化级差大，无功补偿不是欠补就是过补，每年因为功率因数考核不达标缴纳了高额的无功电费，也降低了该煤矿企业的电能质量。受该煤矿企业委托，结合实际情况，笔者对该煤矿无功补偿系统进行的改造设计。
1 现有供电系统
煤矿35 kV变电站现有变电站内装有2台主变（35/10 kV，
20 000 kVA），高低压侧均为单母线分段接线，母线均分列运行。10 kV两段母线分别为个负荷中心提供电源，10 kV出线二十六回。在10 kV两段母线上分别挂接一套集合式并联电容器装置，具体参数，见表1和表2。
两套集合式并联电容器无功补偿装置目前均采用手动投切方式对系统进行无功补偿，分1200、2400、3600三级投切。
2 现有供电系统电能质量
通过实际调研发现，目前的无功补偿无法实时跟踪系统负荷变化，以1#变压器10 kV侧为例进行采样分析。煤矿35 kV变电站1#主变低压侧无功功率，如图1所示。
从图中负荷情况分析，目前煤矿早班为检修班，负荷较少，中班与晚班为生产班，负荷偏大。经调研，负荷主要有主井提升设备、副井提升设备、主通风机、排水泵、采油泵等，部分为波动性负荷，2#变压器系统与1#变压器系统类似。
3 现有补偿方式的弊端
采用手动投切的集合式并联电容器无功补偿装置在对冲击性负荷/动态负荷负荷补偿时存在以下问题。
3.1 产生冲击电流
投切时间不能控制，有冲击电流，对电网产生冲击，系统电压波形产生缺口，严重时产生过电压和过电流，降低供电质量和干扰弱电设备的正常运行。机械式开关如果多次动作会引起开关烧毁，降低使用寿命，影响了装置自身的正常工作。
3.2 投切速度慢
采用开关投切电容器，开关动作速度慢，容易造成过补或欠补。
3.3 开关不能频繁投切
重复投切电容器需要较长的放电过程，必须保证一定的时间间隔，无功补偿失去控制。
3.4 电容器使用寿命短
对电容器在全压状态下的投切次数直接影响到电容器的使用寿命，频繁投切会加快电容器容值衰减，出现过压击穿，甚至发生爆炸。
对于冲击性负荷/动态负荷的系统，单纯的采用静态补偿是无法满足负荷对补偿装置无冲击投切、频繁投切、跟踪补偿的要求的。补偿时必将出现无功欠补或无功到送。
4 改造方案
对现有的系统进行监测时发现1#变压器无功功率在 -1 744～+3 696 kvar之间变化，2#变压器无功功率在-2 855～
3 710 kvar之间变化，存在过补和欠补现象。从实际情况来看，要将现有的系统功率因数提高至0.95，采用3 600 kvar的补偿容量不能满足需求。
本次改造主要目的是：一是将现有无功补偿装置改造成动态跟踪的无功补偿方式，二是将无功补偿容量提高，使系统功率因数高于0.95。
根据目前该煤矿供电系统负荷运行情况计算，将功率因数提升至0.95时无功补偿容量单套不能小于5 000 kvar，改造时还需要考虑到将系统中存留的部分谐波滤除。
4.1 动态无功补偿
目前比较成熟的动态无功补偿主要分为三类，一是自动分组投切的电容器组，二是MCR型，三是SVG型。
第一种的自动分组投切的电容器组可实时监测系统情况，由负荷选择投切的电容器组容量，对系统进行动态补偿。但该补偿形式存在明显弊端，即自动投切的电容器组多采用接触器投切，多次频繁切断、闭合容易产生过电压对系统造成危害，频繁投切还容易造成电容击穿的严重后果，危害系统安全，比较适合级差稳定的补偿需求。
第二种的MCR型动态无功补偿装置，采用无级调节（连续）实时对系统进行补偿，相应速度快，采用自然冷却方式，后期维护量小，技术成熟稳定，是理想的补偿形式。该装置通常采用磁控电抗器和FC支路组合的形式，既可无功补偿又可安装相应的滤波支路，MCR型动态无功补偿装置目前在煤矿供电系统中也大量应用。但磁控电抗器补偿容大时体积较大，容易受占地限制。
第三种的SVG型动态无功补偿装置，它由晶闸管通过电抗器连接在系统中，可对系统的感性无功和容性无功进行补偿，也可滤除系统谐波。在对系统进行补偿时，能实时跟踪负荷变化，通过晶闸管调整补偿的容量，响应速度快，补偿效率高。该装置优点是占地小，补偿速度快，动态跟踪，实时响应。
4.2 改造方案
综合来看，第一种的自动式分组投切电容器组明显弊端较大，不适合负荷变化较大的该煤矿使用。MCR型和SVG型动态无功补偿装置均能满足矿井无功补偿的需求，改造成动态无功补偿装置后，有效补偿容量与现有补偿容量保持不变，以下将对该两种方式提出相应改造方案。
方案一：利用原有的电容器组，保持现有的电容器设备不变的同时再增加1 400 kvar的电容器组，在无功补偿系统中在增加两台单台容量为5 000 kvar的磁控电抗器。工作时将现有的 5 000 kvar电容器组全部投入，配合新增的两台测控电抗器调节感性无功的输出，达到系统无功平衡。
方案二：将原有的集合式电容器组完全拆除。安装2套高压SVG动态无功补偿装置，SVG有效补偿容量5 000 kvar。该方案中SVG装置不设置电容器柜，考虑到设备自身损耗和滤波功能设备最终容量由设备厂家计算得出。无功补偿改造方案对比表，见表3。
以上两种方案均可满足将现有补偿方式改造成动态补偿的要求，两种方案各有利弊。
方案一能有效利用现有设备，投资较少，但该方案不具备滤波功能。
方案二中SVG不设置电容柜，补偿效果好。整体造价较高，但占地面积小，改造简单，比较适合本次占地受限的改造项目。
5 结 语
改造项目要基于现有的系统考虑，考虑因素众多，往往比新建项目更难设计。目前的各种无功补偿手段都可达到提高功率因数的要求，但具体采用哪种技术还需要针对负荷性质、场地布局、设备投资、工程建设难易程度、对现有系统是否有影响等诸多因素来决定，各种技术都有适应的区域，需要灵活运用。
参考文献：
[1] 罗强.新安煤矿供电系统无功补偿优化改造[J].中州煤炭，2011，（1）.
关键词：无功功率；功率因数；无功补偿
中图分类号：TB1531.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0022-02
某煤矿企业建设于十几年前，采用集合式并联电容器装置，但限于负荷变化级差大，无功补偿不是欠补就是过补，每年因为功率因数考核不达标缴纳了高额的无功电费，也降低了该煤矿企业的电能质量。受该煤矿企业委托，结合实际情况，笔者对该煤矿无功补偿系统进行的改造设计。
1 现有供电系统
煤矿35 kV变电站现有变电站内装有2台主变（35/10 kV，
20 000 kVA），高低压侧均为单母线分段接线，母线均分列运行。10 kV两段母线分别为个负荷中心提供电源，10 kV出线二十六回。在10 kV两段母线上分别挂接一套集合式并联电容器装置，具体参数，见表1和表2。
两套集合式并联电容器无功补偿装置目前均采用手动投切方式对系统进行无功补偿，分1200、2400、3600三级投切。
2 现有供电系统电能质量
通过实际调研发现，目前的无功补偿无法实时跟踪系统负荷变化，以1#变压器10 kV侧为例进行采样分析。煤矿35 kV变电站1#主变低压侧无功功率，如图1所示。
从图中负荷情况分析，目前煤矿早班为检修班，负荷较少，中班与晚班为生产班，负荷偏大。经调研，负荷主要有主井提升设备、副井提升设备、主通风机、排水泵、采油泵等，部分为波动性负荷，2#变压器系统与1#变压器系统类似。
3 现有补偿方式的弊端
采用手动投切的集合式并联电容器无功补偿装置在对冲击性负荷/动态负荷负荷补偿时存在以下问题。
3.1 产生冲击电流
投切时间不能控制，有冲击电流，对电网产生冲击，系统电压波形产生缺口，严重时产生过电压和过电流，降低供电质量和干扰弱电设备的正常运行。机械式开关如果多次动作会引起开关烧毁，降低使用寿命，影响了装置自身的正常工作。
3.2 投切速度慢
采用开关投切电容器，开关动作速度慢，容易造成过补或欠补。
3.3 开关不能频繁投切
重复投切电容器需要较长的放电过程，必须保证一定的时间间隔，无功补偿失去控制。
3.4 电容器使用寿命短
对电容器在全压状态下的投切次数直接影响到电容器的使用寿命，频繁投切会加快电容器容值衰减，出现过压击穿，甚至发生爆炸。
对于冲击性负荷/动态负荷的系统，单纯的采用静态补偿是无法满足负荷对补偿装置无冲击投切、频繁投切、跟踪补偿的要求的。补偿时必将出现无功欠补或无功到送。
4 改造方案
对现有的系统进行监测时发现1#变压器无功功率在 -1 744～+3 696 kvar之间变化，2#变压器无功功率在-2 855～
3 710 kvar之间变化，存在过补和欠补现象。从实际情况来看，要将现有的系统功率因数提高至0.95，采用3 600 kvar的补偿容量不能满足需求。
本次改造主要目的是：一是将现有无功补偿装置改造成动态跟踪的无功补偿方式，二是将无功补偿容量提高，使系统功率因数高于0.95。
根据目前该煤矿供电系统负荷运行情况计算，将功率因数提升至0.95时无功补偿容量单套不能小于5 000 kvar，改造时还需要考虑到将系统中存留的部分谐波滤除。
4.1 动态无功补偿
目前比较成熟的动态无功补偿主要分为三类，一是自动分组投切的电容器组，二是MCR型，三是SVG型。
第一种的自动分组投切的电容器组可实时监测系统情况，由负荷选择投切的电容器组容量，对系统进行动态补偿。但该补偿形式存在明显弊端，即自动投切的电容器组多采用接触器投切，多次频繁切断、闭合容易产生过电压对系统造成危害，频繁投切还容易造成电容击穿的严重后果，危害系统安全，比较适合级差稳定的补偿需求。
第二种的MCR型动态无功补偿装置，采用无级调节（连续）实时对系统进行补偿，相应速度快，采用自然冷却方式，后期维护量小，技术成熟稳定，是理想的补偿形式。该装置通常采用磁控电抗器和FC支路组合的形式，既可无功补偿又可安装相应的滤波支路，MCR型动态无功补偿装置目前在煤矿供电系统中也大量应用。但磁控电抗器补偿容大时体积较大，容易受占地限制。
第三种的SVG型动态无功补偿装置，它由晶闸管通过电抗器连接在系统中，可对系统的感性无功和容性无功进行补偿，也可滤除系统谐波。在对系统进行补偿时，能实时跟踪负荷变化，通过晶闸管调整补偿的容量，响应速度快，补偿效率高。该装置优点是占地小，补偿速度快，动态跟踪，实时响应。
4.2 改造方案
综合来看，第一种的自动式分组投切电容器组明显弊端较大，不适合负荷变化较大的该煤矿使用。MCR型和SVG型动态无功补偿装置均能满足矿井无功补偿的需求，改造成动态无功补偿装置后，有效补偿容量与现有补偿容量保持不变，以下将对该两种方式提出相应改造方案。
方案一：利用原有的电容器组，保持现有的电容器设备不变的同时再增加1 400 kvar的电容器组，在无功补偿系统中在增加两台单台容量为5 000 kvar的磁控电抗器。工作时将现有的 5 000 kvar电容器组全部投入，配合新增的两台测控电抗器调节感性无功的输出，达到系统无功平衡。
方案二：将原有的集合式电容器组完全拆除。安装2套高压SVG动态无功补偿装置，SVG有效补偿容量5 000 kvar。该方案中SVG装置不设置电容器柜，考虑到设备自身损耗和滤波功能设备最终容量由设备厂家计算得出。无功补偿改造方案对比表，见表3。
以上两种方案均可满足将现有补偿方式改造成动态补偿的要求，两种方案各有利弊。
方案一能有效利用现有设备，投资较少，但该方案不具备滤波功能。
方案二中SVG不设置电容柜，补偿效果好。整体造价较高，但占地面积小，改造简单，比较适合本次占地受限的改造项目。
5 结 语
改造项目要基于现有的系统考虑，考虑因素众多，往往比新建项目更难设计。目前的各种无功补偿手段都可达到提高功率因数的要求，但具体采用哪种技术还需要针对负荷性质、场地布局、设备投资、工程建设难易程度、对现有系统是否有影响等诸多因素来决定，各种技术都有适应的区域，需要灵活运用。
参考文献：
[1] 罗强.新安煤矿供电系统无功补偿优化改造[J].中州煤炭，2011，（1）.