SVG+FC 無(wú)功補(bǔ)償方案在國(guó)外某項(xiàng)目中的應(yīng)用

徐文超

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

在一些工程項(xiàng)目中， 由于整流系統(tǒng)以及大量變頻器裝置的存在，電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生諧波現(xiàn)象。諧波不僅會(huì)影響變壓器、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的正常工作，還會(huì)增加電容器的損耗和輸電線路的功耗。因此，為了消除諧波，項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)設(shè)置諧波濾波裝置。 FC 單調(diào)濾波器對(duì)特定頻率諧波的濾除具有很好的效果，同時(shí)能發(fā)出容性的無(wú)功，提高感性設(shè)備的功率因數(shù)，從而達(dá)到節(jié)能的效果，因而得到廣泛的運(yùn)用。但這種濾波器，在某些運(yùn)行方式下會(huì)造成電網(wǎng)無(wú)功過(guò)補(bǔ)，使系統(tǒng)中的無(wú)功呈現(xiàn)容性， 這是電網(wǎng)所不允許的。 另外，容量較大的FC 單調(diào)濾波器在投切過(guò)程中，可能會(huì)造成系統(tǒng)電壓的驟升和驟降， 從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了消除以上隱患，同時(shí)濾除電網(wǎng)中超標(biāo)的特征次諧波， 提高用電負(fù)荷的功率因數(shù)， 一般會(huì)采用SVG 與FC 單調(diào)濾波器配合使用的方案。 本文以剛果（金）RTR 工程項(xiàng)目為背景，闡述 SVG 與 FC 單調(diào)濾波器在該項(xiàng)目中的配合運(yùn)用。

1 SVG 和FC 單調(diào)濾波器的定義

SVG也叫靜止無(wú)功發(fā)生器， 是采用全控型電力電子器件組成的橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置，能夠提供從感性到容性的連續(xù)、平滑、動(dòng)態(tài)、快速的無(wú)功功率補(bǔ)償。 其基本工作原理是將電壓源型逆變器，經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋兩個(gè)部分， 其中逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件IGBT 組成。 工作中，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT 器件的開關(guān)，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，因此整個(gè)裝置相當(dāng)于一個(gè)調(diào)相電源。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中所需的無(wú)功，并進(jìn)行計(jì)算，可迅速發(fā)出大小相等、相位相反的無(wú)功，即：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)中存在超前無(wú)功（容性無(wú)功）時(shí)，SVG 通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)出感性的無(wú)功， 使電網(wǎng)保持高功率因數(shù)的滯后無(wú)功（感性無(wú)功）運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)中存在滯后無(wú)功，且功率因數(shù)較低時(shí)，SVG 通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)出容性的無(wú)功，使電網(wǎng)保持高功率因數(shù)的滯后無(wú)功（感性無(wú)功）運(yùn)行。因此，SVG 能實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)高功率因數(shù)的運(yùn)行。另外，SVG 采用新型電力電子器件IGBT，開斷時(shí)間小于10 μs，閉環(huán)響應(yīng)速度在10 ms 以內(nèi)，響應(yīng)速度非常快，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

FC 單調(diào)濾波器由濾波電抗器和濾波專用電容器構(gòu)成。 電抗器和電容器在特征次諧波頻率下形成LC 串聯(lián)諧振，對(duì)某特征次諧波相當(dāng)于一個(gè)低阻抗通道，使諧波電流大部分流入濾波回路，即：能夠?qū)⒛程卣髦C波全部或大部分吸收，維護(hù)良好的用電環(huán)境，保障電氣設(shè)備安全運(yùn)行；同時(shí)，還能提高電網(wǎng)功率因數(shù)，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。 但其也存在著一些缺點(diǎn)：1）僅提供固定無(wú)功功率；2）對(duì)于變動(dòng)較大的負(fù)荷易造成“過(guò)補(bǔ)”或“欠補(bǔ)”；3）不能一直電壓波動(dòng)和電壓閃變。

2 工程實(shí)例

以下結(jié)合剛果（金）RTR 工程項(xiàng)目，闡述SVG 與FC 單調(diào)濾波器在項(xiàng)目中的配合運(yùn)用。

RTR 項(xiàng)目是集采、選、冶工藝于一體的大型銅鈷資源綜合利用項(xiàng)目，其生產(chǎn)原料來(lái)自某尾礦庫(kù)，該尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)堆存的為某銅鈷選礦廠于1952 至1997年排出的尾礦。本項(xiàng)目的目標(biāo)是從尾礦中回收銅、鈷資源，生產(chǎn)工藝為：采用水力采礦+兩段攪拌浸出+高、低品位萃取+電積提銅+沉鈷。 設(shè)計(jì)規(guī)模：原礦處理能力為 5 600 kt/a，年產(chǎn)陰極銅 70 kt（LME A 級(jí)銅），年產(chǎn)鈷金屬量14 kt（35%為氫氧化鈷產(chǎn)品）。

本項(xiàng)目為了提高調(diào)節(jié)物料平衡的靈活性， 達(dá)到節(jié)能的目的，電機(jī)大多采用6 脈波變頻器控制。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)模，將電積車間設(shè)置為兩個(gè)系列，每個(gè)系列均采用2 套電壓為185 V、電流為 60 kA 的12 脈波整流系統(tǒng)。 因此，本項(xiàng)目供配電系統(tǒng)中存在大量的諧波。

在該項(xiàng)目中， 系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的主要負(fù)荷為2 套整流系統(tǒng)和低壓變頻設(shè)備。其中：每套整流系統(tǒng)配置有2 臺(tái)整流變壓器和2 臺(tái)整流器， 每臺(tái)變壓器容量為 7.2 MVA，變比為 33 kV/0.196 kV，6 脈波，短路阻抗為10%。每套整流系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過(guò)兩套整流變壓器相位差，等效為12 脈波整流裝置工作，每套整流系統(tǒng)的工作容量為2×7.2 MVA； 當(dāng)其中一套整流系統(tǒng)中某1 臺(tái)變壓器或某1 臺(tái)整流器故障時(shí)，該套整流器為6 脈波整流工作， 每套整流系統(tǒng)的工作容量為7.2 MVA。根據(jù)整流設(shè)備的特征諧波頻譜可知，系統(tǒng)正常工作時(shí)主要諧波的諧波次數(shù)為12n±1 次，而當(dāng)整流系統(tǒng)故障時(shí)則主要諧波的諧波次數(shù)為6n±1 次。 本項(xiàng)目另外一個(gè)主要諧波源為AC 525 V 的低壓變頻器。根據(jù)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，該變頻設(shè)備工作總?cè)萘考s為6 600 kW，主要諧波的諧波次數(shù)為6n±1 次。

本項(xiàng)目配電系統(tǒng)情況為：總進(jìn)線采用一回120 kV架空進(jìn)線，通過(guò)120 kV 母線分配給2 臺(tái)容量分別為80 MVA/120 MVA、變比為120 kV/33 kV 主變壓器供電，33 kV 采用單母線分段接線。 正常運(yùn)行時(shí)，兩段33 kV 母線分列運(yùn)行（兩臺(tái)主變也分列運(yùn)行）；當(dāng)一段33 kV 母線故障或檢修時(shí)，另一段33 kV 母線帶全部的負(fù)荷（僅1 臺(tái)變壓器運(yùn)行）。 兩套整流系統(tǒng)分別掛在兩段33 kV 母線上，另外，AC 525 V 變頻設(shè)備所帶的負(fù)荷也盡量平均分布在兩段33 kV 母線所帶的配電系統(tǒng)內(nèi)。 本項(xiàng)目中，33 kV 母線側(cè)系統(tǒng)最小短路電流為11.73 kA，120 kV 母線側(cè)系統(tǒng)最小短路電流為6.5 kA。 業(yè)主要求在系統(tǒng)的各種運(yùn)行方式下，120 kV側(cè)功率因數(shù)不小于 0.95；33 kV 母線側(cè)及 120 kV 母線側(cè)諧波應(yīng)滿足33 kV 母線側(cè)電壓畸變率THDU≤6.5%，120 kV 母線側(cè)電壓畸變率 THDU≤3%。

根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行方式、負(fù)荷情況、短路參數(shù)以及業(yè)主對(duì)諧波的考核要求， 設(shè)計(jì)采用最先進(jìn)的ETAP軟件進(jìn)行精確地仿真和分析。分析發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目5 次、7 次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響較大，后通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算，確定了諧波治理的最佳設(shè)計(jì)方案， 即在每段33 kV 母線上配置1 套容量為13 190 kvar、能濾除5 次諧波的FC 濾波器以及1 套容量為12 880 kvar、能濾除7 次諧波的FC 濾波器。其中，5 次FC 濾波器裝置的電容C 為 36.83 μF， 電感 L 為 12.460 4 mH；7 次 FC 濾波器裝置的電容 C 為 36.83 μF，電感 L 為 6.239 8 mH。通過(guò)Etap 軟件再次仿真，得到電力系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下以及投入FC 單調(diào)濾波器的情況。 33 kV 母線側(cè)、120 kV 母線側(cè)的電壓畸變率以及120 kV 側(cè)的功率因數(shù)具體分析結(jié)果見表1。

表1 33 kV 母線側(cè)、120 kV 母線側(cè)電壓畸變率以及120 kV 側(cè)功率因數(shù)分析

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)分析， FC 濾波器對(duì)各種運(yùn)行方式下的諧波處理效果能滿足業(yè)主對(duì)諧波的考核要求，但無(wú)功補(bǔ)償方面存在缺陷。即，在某些情況下，無(wú)功補(bǔ)償可能會(huì)造成過(guò)補(bǔ)，使系統(tǒng)中的無(wú)功呈現(xiàn)容性。另外，考慮到FC 單調(diào)濾波器支路，其投入和切除均會(huì)引起無(wú)功的大容量變化，因此在投切過(guò)程中，出現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償量過(guò)大或過(guò)小的情況， 會(huì)造成系統(tǒng)電壓的驟升和驟降，增大系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 經(jīng)過(guò)計(jì)算，投切一組FC 單調(diào)濾波器支路會(huì)引起電壓波動(dòng)值為1.8%。 雖然本項(xiàng)目均為穩(wěn)定性負(fù)荷， 不會(huì)經(jīng)常投切FC 單調(diào)濾波器，且電壓波動(dòng)值為1.8%在《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》（GB/T 12326—2008）規(guī)定范圍內(nèi)，但對(duì)于用電設(shè)備來(lái)說(shuō)， 電壓波動(dòng)現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備壽命縮短，因此也應(yīng)盡可能消除。

為了解決以上的缺陷， 擬在33 kV 每段母線上增加1 套33 kV SVG（靜止無(wú)功發(fā)生器），利用SVG能夠提供從感性到容性的連續(xù)、平滑、動(dòng)態(tài)、快速的無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，解決上述缺陷。

結(jié)合全廠運(yùn)行負(fù)荷情況以及功率因數(shù)分析，在33 kV 兩段母線上各配置1 套容量為±8 000 kvar 的SVG（即每套SVG 可提供無(wú)功功率范圍為-8 000 ～8 000 kvar）。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)或過(guò)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，SVG 可快速響應(yīng)，迅速動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功，穩(wěn)定電壓波動(dòng)和保持系統(tǒng)的功率因數(shù)。SVG 投入使用后，當(dāng)每段母線的FC 單調(diào)濾波器全部投入時(shí)，與本段SVG組合可提供約17 200～33 200 kvar 的容性無(wú)功容量。在系統(tǒng)諧波達(dá)到治理要求的同時(shí)，也確保實(shí)現(xiàn)了業(yè)主要求功率因數(shù)不小于0.95 的條件。 本項(xiàng)目已投產(chǎn)3 年，在諧波治理、無(wú)功補(bǔ)償以及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面均達(dá)到相關(guān)要求，為本項(xiàng)目的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。

3 結(jié)語(yǔ)

在RTR 項(xiàng)目對(duì)SVG 與FC 單調(diào)濾波器配合使用的方案實(shí)例中， 充分利用FC 單調(diào)濾波器能提供容性無(wú)功和對(duì)特征次諧波的濾除功能，對(duì)項(xiàng)目中對(duì)感性負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償以及對(duì)相應(yīng)的特征次諧波進(jìn)行治理；同時(shí)利用SVG 能夠迅速發(fā)出從感性到容性的連續(xù)、平滑無(wú)功功率的功能，完美地解決了FC 單調(diào)濾波器投切所造成的電網(wǎng)無(wú)功的過(guò)補(bǔ)和欠補(bǔ)，以及大容量FC 單調(diào)濾波器投切時(shí)造成的電壓波動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了兩者的完美結(jié)合。 由此可見，在項(xiàng)目中將SVG與FC 單調(diào)濾波器配合運(yùn)用是一種行之有效的方案。