SVG靜態無功補償在冷軋廠的應用

劉希國

（山東鋼鐵集團日照有限公司冷軋廠）

0 引言

諧波尤其是高次諧波是電氣設備的一大“公害”，諧波的產生不可避免，必然會對電網中的用電設備造成危害，如何消除諧波，提高電網質量，保護用電設備，是用電行業的一個重要課題。電網諧波主要由發電設備（電源端）、輸電設備以及電力系統非線性負載等三個方面引起。眾所周知，理想的電源是周期性的正弦波，但由于受所帶非線性負載的影響，基波電流發生畸變，從而產生了諧波。主要的非線性負載有UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等。SVG靜態無功補償技術作為抑制諧波一種有效手段，對于提高電網質量和提高功率因數具有很好的效果，目前被廣泛應用在電力、冶金、煤炭等用電行業中。

1 應用背景

國內某冷軋廠軋機采用5機架連軋模式，軋機主傳為五臺同步電機，卷曲機為兩臺異步電機，其控制系統采用ABB ACS6000系列變頻器。變頻器的供電設備為四臺10kV整流變壓器，其上級電源來自于能源動力廠的110kV變電站。軋機輔傳系統采用西門子S120變頻傳動系統。在最初的工廠設計中，電氣系統中預留了濾波設備的位置。通過實際的運行情況發現，當酸軋生產時，在同一回路上的其他用電設備出現了異常，如磨輥間電氣設備上的電子板出現燒損的現象，電抗器出現高溫燒損等，再如自動化系統出現通信故障，通過排查發現變頻器的控制單元損壞。通過分析認為這些問題與電網中的諧波干擾有關，后經過電能質量分析儀檢測電網發現電網中的諧波比較明顯，主要5次、7次、11次諧波含量較高。在這樣的背景下該廠在電網中增加了SVG靜態無功補償裝置，以解決電網中的諧波干擾問題。

2 方案設計

首先在選用濾波裝置時，對于選擇SVG或SVC做了一個分析，SVG相比于SVC的一大優點是可實現系統電壓的穩定控制，使系統電壓穩定在一定范圍內。在酸軋產線，由于軋機在運行中電機的負載變化較大，電網電壓會發生一定的波動甚至閃變，這種波動對于電網上的設備的影響較大，輕則造成系統跳電，重則導致設備損壞。SVG可以根據系統無功電壓的要求，快速地釋放或者吸收無功功率，動態的補償即可使系統電壓維持在一定的范圍內。在控制中加入了電壓調節器，其作用是將測量到的控制量與參考值相比較，然后輸入到控制器的傳遞函數，根據電壓-電流曲線得到所需的無功電流值。再由電流的閉環控制，使發出或者吸收的電流等于給定的無功電流值，這樣SVG的工作狀態就隨著系統情況的變化而變化。當系統電壓較高時，裝置就輸出更多的感性無功；當系統電壓較低時，裝置就輸出更多的容性無功，就使得系統電壓穩定在一定的范圍之內了。

基于以上分析，本方案采用了SVG靜態無功補償裝置，該裝置能夠有效地保持母線電壓平穩，消除諧波干擾，補償系統無功，提高功率因數。

圖1為冷軋廠濾波設備的一次系統圖，QF0、QF1為高壓開關，R為預充電電阻。當調試運行時，QF0閉合，QF1斷開，預充電使功率單元控制部分可以正常工作。并網運行時，QF1閉合，電阻短接。當SVG出現故障或者停機檢修時，把QF0斷開，使SVG從系統中脫離出來。

圖1 SVG 一次系統圖

3 原理分析

SVG動態無功補償裝置采用級聯型多電平拓撲結構。輸入側不需要變壓器，采取鏈節取電使功率單元控制回路可以工作，控制方式采用載波移相PMW方式，一方面降低dv/dt，同時提高輸出的諧波性能。

如圖2所示，每相級聯12個功率單元，主回路上連接有串聯電抗器L，預充電電阻R。采樣信號有8個，三相系統電壓和電流，以及SVG輸出A和C相電流。直流側電容起儲存能量和進行功率交換的作用，正常運行時電抗會消耗少量的有功功率，以及功率器件的開關損耗等。

圖2 SVG靜態無功補償裝置拓撲圖

SVG變流器裝置和交流系統之間的無功功率交換可以通過改變變流器輸出電壓的幅值大小來加以控制，工作原理如圖3所示。如果網側系統電壓幅值高于輸出電壓，這時SVG裝置發出感性無功功率，此時負載性質為容性；如果裝置輸出電壓幅值高于系統電壓，這時變流器發出容性無功功率，負載性質為感性。

圖3 SVG 工作原理等效圖

如果裝置輸出電壓幅值和系統電壓相等，這時變流器既不發出容性無功功率也不吸收感性無功功率，即此時的系統無功為零，為負載理想的工作狀態。

因此，通過調節裝置輸出電壓的幅值，SVG無功補償裝置可以實時的快速吸收或者發出系統所需要的無功功率，從而實現快速動態調節無功功率的目的。

功率單元拓撲原理圖如圖4所示，整機工作前先進行預充電，當直流電壓達到設定值可停止預充電，即讓單元控制回路可以工作為止。直流側電容為儲能元件，電阻為均壓元件，保證各個單元的電壓均衡。

圖4 功率單元原理圖

功率單元通過光纖接收信號，其中兩根傳送通訊信息，另外兩根傳遞PWM信號，采用雙極性空間矢量正弦波脈寬調制（PWM）方式，控制G1～G4 IGBT的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態，當 G1和G4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為1；當G2和G3導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為-1；當 G1和G2或者G3和G4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為0。

4 應用情況

系統投用后，電網質量明顯得到改善，軋機運行時對電網中其他設備的影響徹底消除，提高了設備運行的穩定性，同時SVG系統投用后，功率因數顯著提高，節電效果顯著。

5 結束語

SVG無功補償系統在國內某冷軋廠的應用為同類軋鋼產線提供一個成功的應用案例，具有很好的借鑒作用，在軋鋼行業可推廣使用。