SVG技術(shù)及其在線材及棒材軋鋼廠的應(yīng)用

張江泳

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

進(jìn)入21世紀(jì)，采用IGBT電力電子大功率元件的靜止無功功率發(fā)生器SVG逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)，用于大型輸電設(shè)備及線路的無功補償，但由于SVG價格昂貴，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用很少。近年來，隨著SVG技術(shù)日趨成熟和國產(chǎn)化的發(fā)展，SVG也開始應(yīng)用于工業(yè)用戶。目前基于鏈?zhǔn)綋Q流器技術(shù)的SVG+FC裝置價格已具有了相當(dāng)?shù)母偁幜Γ鸩介_始應(yīng)用于線材廠和棒材廠。本文主要闡述基于鏈?zhǔn)綋Q流器SVG+FC裝置在線材及棒材軋鋼廠的應(yīng)用。

1 靜止無功功率發(fā)生器SVG的基本原理

SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或直接并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康模?］。SVG為基于電壓源型變流器的無功補償裝置，不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件IGBT的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的交換。原理見圖 1［2］。

圖1 SVG基本原理圖

由于SVG通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，就像一個電壓型逆變器，只不過其交流側(cè)輸出接的不是無源負(fù)載，而是電網(wǎng)，因此SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，通過交流電抗器接到電網(wǎng)上。連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的，這個電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流。因此，改變SVG交流側(cè)輸出電壓的幅值及其相對于系統(tǒng)的相位就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。

2 基于IGBT器件鏈?zhǔn)綋Q流器的SVG技術(shù)

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)SVG屬于多電平結(jié)構(gòu)，其每相單個功率單元采用單極倍頻調(diào)制方法，可實現(xiàn)交流側(cè)電壓三電平輸出，而每相整體采用載波移相調(diào)制方法，則可實現(xiàn)更多電平數(shù)的電壓輸出(見圖2～6)。鏈?zhǔn)綋Q流器每相由多個功率模塊輸出串聯(lián)而成，功率模塊采用N+1冗余運行結(jié)構(gòu)。模塊控制采用PWM控制技術(shù)，電路簡單，抗干擾能力強，可靠性高，一個鏈節(jié)單元損壞后仍可繼續(xù)滿負(fù)荷運行。另外，SVG對外部系統(tǒng)運行條件和結(jié)構(gòu)變化不敏感。

圖2 IGBT器件電路示意圖

圖3 輸出電壓示意圖

圖4 鏈?zhǔn)綋Q流器電路示意圖

圖5 鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電壓示意圖

圖6 各單相橋輸出電壓

3 鏈?zhǔn)綋Q流器SVG+FC裝置技術(shù)優(yōu)勢及性能特點

鏈?zhǔn)綋Q流器SVG+FC裝置的應(yīng)用見圖7［2］。

基于鏈?zhǔn)綋Q流器SVG+FC裝置的主要技術(shù)優(yōu)勢及性能特點:

1)動態(tài)響應(yīng)時間快。SVG具有10 ms以內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)時間，有些可達(dá)到5 ms。因此，SVG可在極短時間之內(nèi)完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉(zhuǎn)換，對快速的沖擊負(fù)荷具有更好的補償效果，對電壓閃變則有更好的抑制效果。

2)優(yōu)異的諧波輸出特性。SVG自身產(chǎn)生的諧波含量極低，既可以輸出近似正弦波的無功電流用于電網(wǎng)補償，也可以輸出設(shè)定次數(shù)的諧波電流，對負(fù)載的諧波和無功進(jìn)行補償，實現(xiàn)有源濾波的功能，即SVG輸出電流是完全有源可控的，可完全滿足用戶的需要［3］。

首先看模型6，工作穩(wěn)定度對社會距離的影響雖然是正向的，但是很小，并不具有統(tǒng)計顯著性，因此沒有把握將結(jié)論推論到研究總體，假設(shè)四沒有得到統(tǒng)計分析上的支持。其原因是這種工作穩(wěn)定度和主觀社會經(jīng)濟(jì)地位有著比較大的相關(guān)性，因此其中很大一部分被主觀社會經(jīng)濟(jì)地位解釋掉了。

3)補償功能多樣化。SVG裝置可以實現(xiàn)多種補償功能:負(fù)載無功補償、負(fù)載諧波補償、在補償負(fù)載不平衡的同時補償負(fù)載無功和諧波。

4)占地面積小。SVG裝置占地面積小，安裝尺寸一般只有SVC的1/5～1/3。SVG成套裝置中只包括啟動柜、功率柜、連接電抗器、控制柜及FC 諧波濾波裝置［4－5］。

5)運行范圍寬。SVG能從額定感性無功工況到額定容性無功工況連續(xù)輸出，并能和固定電容器組合，即SVG+FC可以構(gòu)成任意范圍的連續(xù)補償。更重要的是，SVG受系統(tǒng)電壓影響很小，在系統(tǒng)電壓變低時，SVG還能輸出與額定工況相近的無功電流，在欠壓模式下補償效果更好［6］。

圖7 SVG+FC應(yīng)用

4 線材及棒材軋鋼廠的軋機主電機及其主傳動裝置的配置現(xiàn)狀

占30%國內(nèi)鋼材產(chǎn)量的生產(chǎn)建筑鋼材的普通線材廠和棒材廠，除少量生產(chǎn)線采用全交流系統(tǒng)外，絕大部分生產(chǎn)線的軋機主電機主要采用直流電機，軋機主傳動裝置采用直流調(diào)速裝置。

絕大多數(shù)線材廠和棒材廠生產(chǎn)線的軋機主電機及主傳動配置現(xiàn)狀如下:

棒材廠:粗軋機組、中軋機組及精軋機組的軋機主電機采用直流電機，部分配置有棒材減定徑機組的軋機主電機有些采用直流電機，有些采用交流電機。直流電機主傳動裝置采用直流調(diào)速裝置，交流電機的主傳動裝置一般采用三電平交－直－交調(diào)速裝置或LCI調(diào)速裝置。

線材廠:粗軋機組、中軋機組及預(yù)精軋機組的軋機主電機采用直流電機，精軋機組主電機有些采用直流電機，有些采用交流電機，部分配置有線材減定徑機組的軋機主電機有些采用直流電機，有些采用交流電機。直流電機主傳動裝置采用直流調(diào)速裝置，交流電機的主傳動裝置一般采用三電平交－直－交調(diào)速裝置或LCI調(diào)速裝置。

直流調(diào)速裝置會產(chǎn)生比較大的無功沖擊負(fù)荷和較大的高次諧波電流(主要是以5次、7次、11次及13次為代表的奇次諧波)。LCI調(diào)速裝置也會產(chǎn)生一定的無功沖擊負(fù)荷和較大的高次諧波電流。采用三電平交－直－交調(diào)速裝置基本上不產(chǎn)生無功沖擊負(fù)荷，但會產(chǎn)生一定的比較高的高次諧波電流。

無功沖擊會引起電網(wǎng)電壓波動及電網(wǎng)電壓降低，嚴(yán)重時電氣設(shè)備不能正常工作，降低工作效率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，而直流調(diào)速裝置中產(chǎn)生的有害高次諧波電流，會使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生諧波損耗，使發(fā)電、輸電、變電和用電設(shè)備效率降低，加速電力電纜絕緣老化，影響繼電保護(hù)自動裝置動作的準(zhǔn)確性，對通訊線路和控制信號造成電磁及射頻干擾。所以線材和棒材軋鋼廠都要進(jìn)行無功沖擊及諧波治理。

線材廠和棒材廠的供電電壓等級一般為10 kV或6 kV，無功沖擊和諧波治理一般集中設(shè)置在10 kV或6 kV進(jìn)行。治理無功沖擊傳統(tǒng)上采用靜止型動態(tài)無功補償裝置SVC，治理諧波采用濾波器FC。

5 線材及棒材軋鋼廠的無功沖擊負(fù)荷及無功補償容量

按上述大多數(shù)生產(chǎn)線的配置，一般產(chǎn)量在50～75萬噸線材生產(chǎn)線的無功沖擊負(fù)荷在3～7Mvar，無功補償容量為6 ～10Mvar;產(chǎn)量100萬噸及以上線材生產(chǎn)線的無功沖擊負(fù)荷為8～12Mvar，無功補償容量為10～16Mvar;80～120萬噸棒材生產(chǎn)線的無功沖擊負(fù)荷為4～7Mvar，無功補償容量為10～15Mvar。

線材和棒材軋鋼廠要按供電系統(tǒng)電能質(zhì)量要求(包括電壓波動限值、諧波電流限值、諧波電壓畸變率限值及功率因數(shù))，根據(jù)無功沖擊負(fù)荷及無功補償容量進(jìn)行無功沖擊及諧波治理。

6 SVG+FC在線材及棒材軋鋼廠的應(yīng)用

國內(nèi)由鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器SVG和固定電容器共同構(gòu)成的SVG+FC裝置，按各自容量的不同可組合成多種補償范圍的有源動態(tài)無功和諧波濾波裝置。SVG+FC裝置既可以利用SVG滿足無功沖擊補償，補償部分諧波電流，又可以利用FC濾除高次諧波，進(jìn)行無功補償以提高功率因數(shù)。

國內(nèi)電壓等級在10 kV及以下、容量為8Mvar及以下的SVG成本與SVC的成本相比有相當(dāng)?shù)母偁幜?。其電壓等級與線材和棒材軋鋼廠供電電壓一致，容量大小又正好適用于線材和棒材軋鋼廠的無功沖擊負(fù)荷及無功補償容量的范圍。

目前，產(chǎn)量在50～75萬噸的線材生產(chǎn)線一般采用SVG±5～6Mvar+FC 5～8Mvar;產(chǎn)量在80～120萬噸棒材生產(chǎn)線一般采用SVG±5Mvar+FC5～10Mvar;產(chǎn)量100萬噸及以上的線材生產(chǎn)線的一般采用SVG±6Mvar～±8Mvar+FC6～10Mvar。

SVG所具有的技術(shù)優(yōu)勢和性能特點，對電網(wǎng)質(zhì)量的改善非常顯著，可以降低鋼鐵廠的用電成本，加上其價格的競爭力，預(yù)計未來SVG+FC裝置將越來越多地應(yīng)用于線材和棒材軋鋼廠。

［1］粟時平，劉桂英.靜止無功功率補償技術(shù)［M］.北京，中國電力出版社，2006.

［2］XDVAR系列有源動態(tài)無功和諧波濾波裝置(Static Var Generator)［Z］.天津:天津市先導(dǎo)倍爾電氣有限公司，2011.

［3］李亞平，姚建國，黃海峰.SVG技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005(23):80－82.

［4］段大鵬，孫玉坤，潘春偉.基于三相VSI的SVG動態(tài)建模與仿真研究［J］.高電壓技術(shù)，2006(6):84－87.

［5］白茜，李鵬.基于分布式發(fā)電與SVG優(yōu)化配置的調(diào)壓方法［J］.電力自動化設(shè)備，2007(7):101－103.

［6］翁利民，張莉.SVC與 SVG的比較研究［J］.冶金動力，2005(5):1－4.