靜止型動態無功補償裝置(SVC)在軋機系統中的應用

王長波 車正軍 金蔓辰

(東北特殊鋼集團有限責任公司,遼寧大連 116000)

靜止型動態無功補償裝置(SVC)在軋機系統中的應用

王長波 車正軍 金蔓辰

(東北特殊鋼集團有限責任公司,遼寧大連 116000)

文章介紹了靜止型動態無功補償裝置(SVC)原理,論述了SVC在軋機系統中的應用情況。

SVC TCR FC 電容器 電抗器

1 系統概述

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后，可以提供感性負載所消耗的無功功率，減少了電網電源向感性負荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，并且可以避免造成過大的電壓降，這就是無功補償。

東北特鋼集團大連基地環保搬遷項目扁鋼軋機平輥驅動為兩臺容量分別為4200kW的同步電機，立輥驅動為四臺容量分別為400kW的三相異步變頻電機，輔傳動(主要是輥道)驅動為三相異步變頻電機，三臺熱鋸主電機為480kW的三相異步變頻電機。

變頻調速的電機是典型的非線性負荷，在運行過程中會產生大量的諧波和諧間波向電網滲透，主傳電機在軋制過程中還會產生無功沖擊，造成電壓波動和閃變，負荷的功率因數也較低，增加了供配電系統的損耗。為減輕這些不利影響，滿足國家有關電能質量標準的要求，需要在10kV母線裝設一套靜止型動態無功補償裝置(SVC)。

2 SVC動態補償原理

2.1 SVC動態補償基本原理

為了消除電網污染和降低電網損耗，改善電能質量，通常需采用動態無功補償的辦法。本系統TCR+FC型SVC這種動態無功補償及濾波裝置來改善電網電能的質量，其中TCR部分采用相控電抗器+晶閘管閥組+全數字控制器+熱管風冷系統形式，FC部分采用3、5、7、11次4條支路形式，SVC裝置由FC裝置、TCR裝置及監控計算機系統三部分組成。如圖1所示，SVC裝置由TCR及FC兩部分組成。

(1)FC回路兼顧濾波及提供容性無功功率QFC。(2)TCR回路接成三角形電路，每一邊由反并聯晶閘管與相等電抗值的二個電抗器組成一個交流電壓控制器，通過控制晶閘管的觸發角α的大小，可使三個交流控制器的電流從零調節到額定值，即改變了TCR回路消耗的感性無功功率QTCR。圖2 中表明觸發角α與電抗器回路基波電流的對應關系。三次及其整數倍的諧波是零序電流性質，在TCR三角形回路內流動并不流到電源母線，從圖3可見αmin角設計得越小，三次諧波電流就越小，使TCR回路的損耗最小。(3)調節器自動跟蹤負載(具有嚴重沖擊無功功率)的工作狀態，發出與沖擊負荷相關的TCR晶閘管的觸發脈沖。(4)通過光電轉換及高壓光纜的傳遞，使觸發脈沖觸發各晶閘管。(5)不同的觸發角，改變了TCR主電抗器的電流量，從而改變了TCR回路的感性無功。(6)通過TCR回路的感性無功功率的跟隨作用，使用戶流入電網的無功功率趨于零(或一定值)即∑Q=QTCR+QFC+QLod≈0(或一定值)。(7)由于調節器的動態響應速度快，響應時間＜10毫秒，即實現了無功功率的實時動態補償。(8)通過調節器的檢測、運算和調節作用，使不平衡負荷得以平衡，抑制電網的負序分量。

2.2 SVC裝置原理框圖(圖4)

SVC連接到系統中，電容器提供固定容性無功功率Qc，通過具有完好線性特征的補償電抗器的電流決定了從補償電抗器輸出的感性無功值QTCR，感性無功與容性無功相抵消，只要QN(系統)=QV (負載)-QC+QTCR=恒定值(或0)，功率因數就能保持恒定，電壓幾乎不波動。最重要的是精確控制晶閘管觸發，獲得所需的電抗器的電流。根據采集的進線電流及母線電壓經運算后得出要補償的無功功率，計算機發出觸發脈沖、光纖傳輸至脈沖放大單元，經放大后觸發可控硅，得到所補償的無功功率。

2.2.1 SVC補償容量的確定

(1)無功沖擊的計算：兩臺平輥軋機為交流同步電機，采用交-交變頻傳動，電機額定功率Ped=4200kW*2=8400kW，其最大有功沖擊及無功沖擊發生在咬鋼加速度段。

式中：i—咬鋼時電動機的過載倍數，取i=1.8。

ku—變流器的電壓計算系數(整流變二次電壓與電機額定電壓之比)，取ku=1。

ki—變流器的電流計算系數(整流變二次電流與電機額定電流之比)，ki=0.816(六脈整流)，ki=0.789(十二脈整流)。

立輥主機、熱鋸主機、輔傳動由于采用交-直-交換能方式，無功沖擊相對較小，因此在計算SVC的無功補償容量時，對交流傳動軋線可只考慮補償無功：Q＝2.19Mvar。

(2)允許無功變動量：10kV Smax為351.2MVA，最小短路容量暫按50%考慮為175.6MVA，折算到10kV母線國標允許電壓波動為2%，允許無功變動為：Qy=175.6×0.02=3.512Mvar。

(3)確定SVC補償容量：Qb=(21.98+2.19-3.512)=20.658Mvar，考慮有功壓降及主變、整流變的無功損耗，所以最終確定FC基波補償容量為20MVar，為防止空載時無功倒送，TCR補償容量為20MVar。

圖3 中表明TCR回路產生的各次諧波電流與觸發角α的對應關系

圖4

圖3-1濾波裝置工作原理圖

2.2.2 諧波電流分析

諧波疊加計算原則：根據國家標準《電能質量 公共電網諧波》GB/T 14549－93，先計算每個諧波源發生的諧波量，然后對多個諧波源的同次諧波電流進行迭加計算。

同次諧波電流相位角確定時采用下式進行計算：

式中： I1n為第一個諧波源的n次諧波電流， I2n為第二個諧波源的n次諧波電流，θn兩個諧波源諧波電流之間的相位角。相位角θn不能確定時：

3 濾波器設計

濾波器設計原則：(1)濾波器發出的無功應滿足補償功率因數、抑制電壓波動及閃變的要求；(2)選取的濾波電容器的額定電壓應保證濾波器的安全可靠運行。

3.1 濾波裝置工作原理

高壓無源濾波裝置一般由多條單調諧濾波支路，其等效原理圖如圖3-1所示。例如要濾除3、5、7次特征諧波，則只要將各支路的電容電感參數分別調諧到150、250及350HZ稍下的頻率，其每條支路在各自的調諧頻率上總阻抗接近為零(至少遠小于系統阻抗)，此時諧波電流就只流入濾波支路而不流入系統，從而達到濾波的目的。

本技術方案在設計時考慮到安全因素，在濾波裝置內部已經將各支路電容電感值分別調諧到150、250、350及550HZ稍下的頻率，保證濾波器與系統不出現諧振現象。（如圖3-1）

3.2 濾波器設計

根據濾波器設計原則，諧波電流分析，10kV母線濾波器設3、5、7、11次共四組濾波通道。根據注入系統諧波電流的超標情況，加裝3次、5次高通和7次、11次單調諧四組濾波器支路。交交變頻設備產生的諧波電流除整數次諧波較大外，同時含有0.1～30Hz的“次諧波”和非基波頻率整數倍的“間諧波”，3次、5次采用高通濾波器，目的是為了拓寬頻帶，濾除諧間波，降低諧振阻抗。FC部分總安裝容量約30Mvar，基波補償容量約20.37Mvar，從濾波效果仿真結果分析，設3、5、7、11次共四組濾波通道后，母線諧波電流全部滿足國標要求。

4 結語

通過在軋機系統上投運靜止性動態無功補償裝置(SVC)，達到了以下效果：(1)改善功率因數，減少電費開支，降低成本。(2)電網的傳輸損耗減少，從而使電網的經濟效益提高。(3)增加電網的輸電能力，從而使電網中的電氣設備容量得到充分利用。(4)抑制電壓波動和閃變，濾除高次諧波和抑制諧波引起的電網電壓畸變，提高電網運行安全性。(5)改善負荷的相間平衡。