SVG在義翔鋁業供電系統無功補償中應用

衛學武 王 曾 胡治國 艾永樂

(1.義煤集團 義翔鋁業有限公司，河南 澠池 472400；2.河南理工大學，河南 焦作 454003）

0 引言

義煤集團義翔鋁業有限公司(以下簡稱義翔鋁業)是年產30萬噸氧化鋁的大型企業。氧化鋁是由鋁礬土礦生產而來。從鋁礬土礦出合格的氧化鋁需要經過溶出、沉降、分解、焙燒等幾大生產流程。生產過程要求對運送物料的各種泵能夠在DCS控制下變速運行。因此對變頻器的要求是既要有負載特性接近恒轉矩負載特性，又要求變頻器有足夠大的啟動力矩和較高的過載能力。變頻器的使用必然會輸出的大量高次諧波，影響功率因數和降低供電電源效率。為此需要對義翔鋁業電源進線側的電能質量進行考察與評價，以便采取適當的對策。

1 義翔鋁業10kV供電系統現狀

為了掌握10kV進線側的電能質量，采用WT3000電能質量分析儀對10kV進線回路在二次側的計量回路進行24小時不間斷測試。測試方案如圖1所示。測試數據如表1所示。

圖1 10kV進線電能質量測試方案

1.1 母線諧波電流允許值確定

根據非基準短路容量諧波電流的計算依據（參考GB/T 14594-93《電能質量·公用電網諧波》）[1,2]，即按照式（1）進行換算。

式（1）中：Sk1——用接入點可能出現的最小運行方式時的短路容量（MVA）；

Sks——電網基準短路容量(MVA)；

Ih——第h次諧波電流允許值(A);

Ihs——基準短路容量下，第h次諧波電流允許值(A)。

根據義翔變電站的10kV側母線實際最小短路容量和利用式（1）計算各次諧波電流的限制值。義翔站10kV側母線最小短路容量為101MVA，計算進線各次諧波電流允許值如表1所示。

1.2 進線諧波測試結果

應用圖1的測試方案，對義翔鋁業10kV變電站諧波電流進行測試。2～25次諧波電流95%概率測試值如表2所示。

表2 諧波電流測試值

對照表1極限值和表2實測值可以發現10kV側5次諧波電流95%的概率值為35.91，超過了限制值20.2A，屬于嚴重超標。

功率因數測試曲線如圖2所示。有圖2曲線可以發現，平均功率因數低于0.85，應采取措施，提高功率因數，以增加供電電源使用效率。

圖2 功率因數變化曲線

2 治理方案

治理方案在技術上要具有先進的無功補償設備。在補償效果上，實現精補細補。原則上，不采用傳統的落后的補償技術，如分組投切無功補償。SVC裝置[3]中的無源濾波支路只能濾除固定次數的諧波含量，難以滿足濾波要求。SVG靜止無功發生器裝置，其功能不僅具有無功補償，而且具有有源濾波功能。根據義翔鋁業變電站特點，SVG具有節約投資成本，節約土建費用，更重要的是具有很好的治理效果。

SVG靜止無功發生器主要由IGBT逆變電路[3,4]、直流側儲能元件和連接電抗器構成?？刂破鞑捎貌煌目刂撇呗苑謩e實現無功補償和諧波治理兩種功能。工作原理如圖3所示。

圖3 SVG工作原理

以三相大功率電壓逆變器為核心，通過諧波和無功電流檢測電路檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量，然后補償電流發生電路根據指令電流運算電路得出補償電流的指令信號。驅動IGBT逆變電路產生實際的補償電流，該補償電流與負載電流中的諧波與無功電流大小相等、方向相反，從而有針對性地抵消負荷電流中的諧波電流，達到無功補償與補償諧波的目的。SVG主要由自換相的電力半導體橋式變流器、連接電抗器構成[5,6]，如圖4所示

圖4 SVG與系統連接示意圖

3 治理后效果

按照確定的SVG選擇方案，最終確定了直掛式SVG連接方式。并與2010年8月安裝投入運行。SVG投入無功補償和濾波后，各次諧波電流實測數據如表3所示。功率因數變化曲線如圖5所示。

表3 投入SVG后測試值

圖5 投入SVG后功率因數實測曲線

對照表1允許值（極限）和表2實測值可以發現10kV側5次諧波電流達到了抑制現在95%的概率值僅有5.86A，有低于限制值20.2A。說明SVG裝置的投入運行，具有較好的濾波效果。

功率因數測試曲線如圖所示。功率因數均高于0.93，功率因數達到了提高。

SVG投入運行前后的各次諧波電流95%的概率值比較棒圖如圖6所示。

圖6 諧波電流對照表

4 經濟效益分析

義翔鋁業變壓器容量為6.3MVA，月用電量為130×105kWh，平均功率因數為0.8。功率因數由0.84，補償到0.93時的經濟效益?；倦娰M按每kVA每年180元，功率因數為0.85時，電量電費按0.74元/kWh收費計算。功率因數為0.93時，電量電費按0.6元/kWh收費計算。補償裝置每kVA的投資按60元，資產折舊率為10%，無功補償設備的有功損耗為其額定容量的3%。計算過程如下。

（1）計算補償容量

補償前 cosφ1=0.85，tanφ1=0.75， 平均有功功率為 P1=350×10000/30/24=4861（kW），無功功率為 Q1=P1×tanφ1=3645.75（kvar），視在功率S1=P1/cosφ1=4861/0.85=6076.25kVA。經補償后，功率因數為cosφ2=0.93，tanφ2=0.426，視在功率 S2=P1/cosφ2=4861/0.93=5283.7kVA。

（2）補償前義翔鋁業的年支出費用

基本電費為 6076.25×180/10000=109.4.4(萬元)；

電量電費為 130×12×0.72=1125.6（萬元）；

總支出電費為109.4+1125.6=1235（萬元）。

（3）補償后義翔鋁業年支出費用

基本電費為 5283.7×180/10000=95.1(萬元)；

電量電費為 130×12×0.6=936（萬元）；

總支出電費為95.1+936=1031.1（萬元）。

無功補償設備投資為150萬元，則資產折舊費為15萬元；

補償后每年經濟效益為1235-1031.1-15-936×3%=161.52（萬元）。

5 結束語

文中提出了SVG的治理方案并實施于義翔變電站，節省了無功補償裝置的投資和濾波裝置占地面積。SVG采用電源模塊進行無功補償，補償后的功率因數在0.93以上；SVG濾除諧波且不產生諧波放大，還實現了義翔鋁業集團注入電網的諧波電流達到國家標準，各次諧波電流按照電網短路容量基準下低于允許值；保證在正常失諧情況下，系統阻抗變化時，保證不發生諧振，有效擬制電壓波動及閃變。SVG投入運行后能起到改善電能質量、保證電網安全運行的目的，運行可以做到無人值守，設備運行參數可通過RS485通訊接口上傳到控制室，即全自動運行，實現無人值守。每月因功率因數提高到0.93以上為企業節約費用14萬元左右，具有很高的經濟效益和實用價值。

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