通过D-STATCOM来实现煤炭输送带驱动的反作用力补偿外文翻译资料

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通过D-STATCOM来实现煤炭输送带驱动的反作用力补偿

摘要:本文讨论了常规的可行性和全静态无功补偿技术中使用煤输送带驱动器电能质量问题的解决方案，并描述了分布类型静态同步补偿器（DSTATCOM）原型在这样的应用中的特性和现场性能。他们由2级，3脚电压/电流源转换器（VSC / CSC），低通输入滤波器和Delta/ Y连接耦合变压器组成，以允许它们连接到中压负载总线。反应功率通过相移角控制在电容和电感区域中被控制。主导电压/电流谐波VSC / CSC通过选择性谐波消除方法被消除。开发的D-STATCOM显示甚至与最弱的供应的IEEE Std 519-1992相符合。D-STATCOM在输送带无功补偿中的应用可行性已在该领域得到验证。

关键词：输送带，感应电动机，STATCOM。

I.引言

输送带广泛用于将煤从制备和库存中运送到火力发电厂的燃料箱（图1）。它们可以由不同类型的电动机驱动，从传统的感应电动机驱动到单位功率因数交流电动机驱动^[1]。这些驱动器产生的主要电源质量问题是：i -功率因数非常低，常规驱动器的起动电流较高，将二次谐波注入旧式静态驱动器的电源。这些问题可以通过应用基于解耦链路转换器的现代交流电动机驱动来解决，其具有在几乎一致的功率因数^[1][2]处提供理论上无谐波操作的有源前端整流器。

然而，煤输送带驱动器通常基于恒速传统交流电机驱动。将这些电机驱动器升级到现代交流电机驱动器以解决其电源质量问题是不经济的。相反，应用VAr补偿器系统是一个更可行的解决方案。文献中尚未研究这种方法。

为了通过使用VAr补偿器系统解决煤输送带供电服务质量问题，可以采用不同的方法，如交流电动机的单独补偿，组补偿或混合。单个补偿通过永久连接的电容器组或断路器或接触器开关分流，每个交流电机的无源滤波器实现^[3]。另一方面，组补偿在公共耦合点提供所有交流电动机的无功补偿。^[2][4]。评估了这些方法，并且在技术和经济上已经发现使用现代的全静态或混合系统，例如基于可控硅控制电抗器的SVC或D-STATCOM进行组补偿。

本文介绍了分布式D-STATCOM的设计和实现，以解决Kemerkoy热电厂煤输送带恒速感应电机（IM）变频器的无功补偿问题。

实施的系统的性能已经根据无功功率补偿成功，对PCC的电压波动进行了评估，符合IEEE Std.519-1992的总谐波需求失真和减轻。已经表明，将D-STATCOM中央补偿技术应用于煤输送带驱动器的无功补偿技术对于其他已知技术（如使用现代的，统一的pf静态交流变频器，个别补偿补偿）是优选的电机通过开关电容器或基于TCR或TSC的SVC进行组补偿，其缺点将在本文中进行详细讨论。

图1：各种输送带段

II. 问题定义

在Kemerkoy火力发电厂，输送带将煤炭从准备煤矿和库存中心运送到工厂两条平行的路径。有几个输送带段，总长6公里。皮带输送机的布局如图2所示。

每个输送带段由异步电机以恒定速度驱动。传送带直线，上坡，下坡或混合，如图1所示。上坡式和直式输送带由鼠笼式感应电动机驱动，而下坡式（OPB54,55,57,58）由绕线转子感应电动机驱动。

图2：煤制输送带系统从准备和库存中心到Kemerkoy火力发电厂布局

图3：包括MV / LV感应电动机的煤输送带配电系统单线图

传送带电机驱动的配电系统的单线图如图3 所示。由于从库存中心到火力发电厂的燃料箱有两条平行的传送带，所以传动带的电动机由两条不同的6.3kV母线供电，这两条总线也由两条不同的架空线（OHL-1和OHL- 2），然后再分别采用31.S / 6.3kV配电变压器，如图3所示。这些电机的额定电压为6kV或0.4kV，如图3所示。长输送带由中压（MV）感应电机（1M）驱动，而较短的输送带由低压（LV）感应电机驱动。图3中的每个电机可以与图2中相应的输送带匹配。

从配电系统提供的电机列表见表1。所有鼠笼IM都通过电机接触器与母线连接和断开。这导致在电机启动期间产生高涌入无功电流。绕组电机IM配有直流注入制动设施和外转子电阻控制。在下坡输送带部分，无论输送带是否停止，在机械制动器工作之前，第一次直流注入制动技术是为了以便将主轴速度降低到适合的值。使用外部转子电阻器不仅用于起动目的，而且用于在直流注射制动操作模式期间转移散热和优化制动转矩。非常陡峭倾斜的一些上坡和下坡输送带部分由联接到公共轴的两个电动机驱动。

为了清楚地识别电力质量问题，仔细研究供电和运行状况，对配电系统和皮带电机的不同点进行电压，电流和功率测量。

表1：煤输送带系统中的电机一览表SC-IM：鼠笼式感应电动机WR-IM：绕线转子感应电动

机

图4给出了收入计量点（31.5kV，50Hz）的有功和无功功率变化的采样记录。图4中无功功率的过冲由传送带中大型MV / LV IM频繁直接启动引起。这种电机启动次数可能会超过每天50次。1M在全负载电流下四到八次，从而在直接启动期间成比例的无功功率。该滞后电流导致系统阻抗两端的电压降。

图4：输送带系统在OHL-1的有功和无功功率的变化

PCC（31.SkV）的这种电压降不能被视为电压暂降^[5]，因为输送带中甚至最大电机（630kW）的直接启动导致低于额定值的10％的电压降。在线启动期间无功功率需求和电源电压相应下降的采样记录如图5所示a和b（记录在不同的时间段，但绘制在公共图上）。这些应分为^[5]（lt;25Hz，间歇持续时间，典型电压幅值在0.1-7％）中定义的电压波动。在现场观察到，输送带电机产生的电压波动表现为白炽灯的光输出的有害变化以及LV配电系统（230V /相）存在的气体放电灯的光输出的显着降低。因为它们的数值小于7％^[5]，假设这些电压波动对其他类型的工业和客户负载几乎没有影响。

在土耳其，电力消费者按月计费。根据土耳其能源市场监管局发布的现有无功能量法规，月电电价的电感和电容无功电能不应超过表2中给出的极限值。如表2所示，这些极限值使得工厂的平均功率因子按月计算非常接近于一致。此外，在超过罚款限额的结算期间，所有的每月无功能源消耗都受到惩罚。目前，kV Ar-h的单价是kW-h单价的50％，即非常昂贵。

图5：无补偿输送机MV-IM的直接启动

图6：输送带系统中典型的250kW感应电动机的无功功耗（测量）

表2：土耳其能源市场监管局最近施加的无功能量的罚款限额

根据目前国家电力质量法规^[10]，
bull;电压和电流谐波，如IEEE Std.519-1992，
bull;光闪烁：Pst 1.15; Bmt 0.85在MV水平

以下观察结果可从研究中得出，记录的波形如下：

a. 根据热电厂和输送带系统的运行计划，电机的多样性在很大范围内变化。
b. 输送机电机在部分负载下运行。在图6中给出了样本记录。在观察期间，图6中的点c和d分别对应于卸载和最大负载传送带部分。
c. 在每月的电费账单中，平均功率因数（pf）观察到在0.45左右变化。这意味着设备的平均pf与输送机电机的平均pf一样低。
d. 测量PCC的电压谐波和THD值远低于IEEEStd中规定的极限值。519-1992。

e. 由于传送带电机驱动器是常规的电机驱动器，因此不会出现任何显着的电流谐波问题。
f. 闪烁值符合现有的电能质量标准，用于频繁的直接在线启动笼式输送带电机。
g. 电机在恶劣的环境条件下运行，如图7所示（在运行环境中存在大量的煤粉，高湿度和高温）。 对于新安装的空间限制，在一个广泛区域中的41个电动机的分布和一些电动机的室外位置是在电动机基础上实现个别电力质量解决方案的另外的缺点。

总之，Kemerkoy的煤输送带的电力质量问题可以减少为无功功率补偿问题。输送带可以配备具有快速瞬态响应的非均匀无功功率补偿系统，以调节电压波动。

图7：煤粉覆盖的低电压1M

III. 传统解决方案

1. 单独补偿

IM的单独补偿如图8.a和b所示。在下坡输送带中，使用MV绕线转子感应电动机。大多数时候，感应电机正在以发电模式工作，以便通过再生制动来检修输送机。为了停止输送带，定子端子与电源断开，并且转子制动与转子电阻控制一起施加，不仅可以提高制动转矩，而且可以转移转子中散热的热量。因此，这样的1M不能由永久连接的固定电容器补偿（图8.a）。在这种情况下，固定电容只能通过单独的接触器或断路器连接（图8.b）。

在上坡或直立的输送带中，通常使用中等压力的鼠笼式IM。这些可以通过永久连接的固定电容器部分地补偿。所有输送带部分均配有故障安全机械制动器。为了避免由于供电中断期间机械制动故障而在陡峭的上坡输送带中自发激励1M，永久固定电容器的安装容量不应超过驱动机器的空载无功功率需求的80-100％^[6][10][15]。在这种情况下，为了完全消除自励风险，建议通过电容接触器将固定电容连接到电机端子。因此，安装的电容器额定值可以大于^[3][6][11]中推荐的等级。然而，实现并不如上所述那么简单。传送带电机的位置彼此不是太远，这意味着两个相邻电机之间的电缆电感非常低。这要求对^[7][5]的电容器的浪涌电流分量的限制。因此，对于这种情况，固定电容器应配备串联连接的浪涌电流限制电抗器，以保持浪涌电流小于电容器组额定均方根电流的100倍^[8]。在短的输送带部分，通常使用LV鼠笼式IM。这里也可以使用永久连接或接触器开关固定电容器。这些问题与上述上坡和下坡输送带的问题相同。由于MV或LV输送带电机通常以部分负载运行，因此功率因数较低，因此该补偿策略可能会失败，满足无功电能或功率因数规定中规定的罚款限制。这证明使用额外的团体补偿设施是必要的，因为将在下面的小节中讨论。

B.组补偿

由于每个电动机的多样性可能远低于100％，并且传送带上的负载可能会从一个时间到

另一个时间差异很大，所以采用组补偿的设施应该是可调整的，可以在0到100％的范围内控制安装补偿能力在几个步骤。

组补偿方法覆盖了图8.a-c所示的补偿技术的应用。然而，中心补偿技术仅覆盖图8.c ^[12]中给出的解决方案。组或中央补偿设施将连接到中压公共汽车。然后通过使用用于MV区域的低段的接触器和用于MV区段的更高段的断路器，每个电容器组将连接到MV总线，适用于电容器切换。

再次，根据^[7][8]，每个电容器组应配备浪涌电流限制电抗器，条件是配电系统中不存在显着的电压和电流谐波。在总线电压畸变或工厂周围存在重要谐波源的情况下，并联电容器组应设计为失谐或调谐谐波滤波器的形式。分流电容器组步骤应特别设计，特别是如果无功电能或功率因数限制非常严格，如表2所示。例如，对于Kemerkoy的每个传送带，永久连接到电机端子的180 kVAr低压电容器将通过MV接触器和975 kVAr MV并联电容器连接电动机端子，并将其连接到MV母线需要通过断路器来满足表2中的无功电能规定。所有开关电容器组都将配备浪涌电流限制电抗器。因此，两条皮带线路的总装机容量应为5540千伏安。

进一步的困难是需要将IP65室在室外设施中应用，高昂的人工成本用于安装几个单独的补偿器，以及定期检查和维护产生的高运行成本。这些因素阻碍了设计者将传统解决方案应用于传送带的无功补偿问题。

此外，传统的解决方案无法缓解IM频繁的在线启动引起的电压波动。这是因为在常规解决方案中，开关电容器组的响应时间不能令人满意地跟踪电动机起动时无功功率的快速变化（图4）。因此，建议对输送带电机的无功补偿问题采用全静态中心解决方案。

图8：用于多电机应用的常规无功补偿技术。（a）电容器直接连接到电机端子的单独补偿，（b）接触器开关电容的单独补偿，（c）组补偿^[3]

C.完全静态解决方案

恶劣的环境条件和静态解决方案的复杂性意味着中央补偿技术，而不是基于电机的个别解决方案。所产生的无功功率和闪烁补偿系统应直接或通过耦合变压器连接到最合适的MV母线。因为这种系统的装机容量是中等的，即几个MV Ar，在相对较短的时间内设计静态系统通过耦合变压器连接到MV总线的电压较低，比直接连接更经济。这是因为直接连接需要功率半导体的串联操作，从而导致中功率范围内昂贵的系统。图9示出了适用于所述补偿问题的完全静态系统的单线图。它们的装机容量如图10所示（根据功率吸收约定）在从0至 Q感性的范围内通过假定输送带的该无功功率消耗来补偿变化：

尽管基于晶闸管开关电容器（TSC）的解决方案比其他开关电容器便宜，并且可以实现无瞬变开关，但它将具有以下缺点。

bull;背对背连接的晶闸管开关将承受峰 - 峰母线电压，因此需要更高电压的晶闸管。

bull;它提供逐步控制

bull;如果分布系统中存在电压和电流谐波，这些并联电容可以与分布式变压器或耦合变压器的漏电电抗形成串联谐振电路。谐振频率显然随连接到MV总线的分流电容组的数量而变化。可以通过以失谐无源滤波器的形式设计每个分路支路来消除共振风险。

静态VAR补偿器（SVC）由分流纯电容器组或调谐并联谐波滤波器（HF）和晶闸管控制反应器（TCR）组成。这是最常见的解决方案，特别适用于电弧和钢包炉和轧机驱动。它在无功功率补偿方面非常

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