FC+SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在鋼鐵廠棒材生產(chǎn)線中的應(yīng)用

鄭學(xué)奇

摘 要：某鋼鐵廠棒材生產(chǎn)線在棒材軋制過程中產(chǎn)生大量的感性無功以及高次諧波，本文介紹了一種安裝FC+SVG型無功補(bǔ)償裝置以解決該生產(chǎn)線電能質(zhì)量問題的方案。裝置投運(yùn)后，大大降低了系統(tǒng)的無功損耗，并濾除了電網(wǎng)中影響較大的高次諧波，提高了電網(wǎng)的安全性，達(dá)到了預(yù)期效果，并產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：SVG；棒材；動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.022

1 引言

某鋼鐵廠棒材軋制生產(chǎn)線工藝升級改造，將原有棒材生產(chǎn)線延伸。電氣設(shè)備方面，將原有8臺直流660V，功率均為 600kW的直流電機(jī)改造成單獨(dú)傳動(dòng)的精軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)，并新增7臺粗軋軋機(jī)，1～3#、4～5#、6～7#新增軋機(jī)分別由3臺直流660V，功率均為 1200kW的直流電機(jī)分組傳動(dòng)。直流電機(jī)均采用6脈動(dòng)整流裝置，因此在軋機(jī)工作過程中產(chǎn)生大量5、7、11、13次等高次諧波，5、7次諧波電流含量均超過國標(biāo)允許值。諧波電流流入系統(tǒng)后，使得電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，嚴(yán)重降低發(fā)輸變電設(shè)備，整流變等負(fù)荷設(shè)備，微機(jī)保護(hù)等控制裝置的運(yùn)行可靠性。同時(shí)新增設(shè)備也產(chǎn)生大量的感性無功。原先在6kV系統(tǒng)母線上配置的濾波器一方面無法滿足改造后供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償需求，產(chǎn)生的諧波無法濾除。另一方面，軋機(jī)為沖擊性負(fù)荷，過鋼的瞬間無功沖擊很大，供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)也很大，原有濾波裝置無法解決。

2 電能質(zhì)量治理方案

（1）電能質(zhì)量治理設(shè)備選擇。由該生產(chǎn)線改造后電氣設(shè)備的配置情況可以分析出供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，整個(gè)6kV供電系統(tǒng)需要一個(gè)全面的電能治理方案，用以解決包括無功補(bǔ)償、高次諧波以及電壓閃變在內(nèi)的電能質(zhì)量問題。早期的機(jī)械投切無功補(bǔ)償裝置、飽和電抗器響應(yīng)速度慢，無法應(yīng)對該生產(chǎn)線在棒材軋制過程中引起電壓閃變和無功快速變化。TCR型靜止無功補(bǔ)償裝置近年來在電能質(zhì)量治理方面得到了廣泛應(yīng)用，具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償效果好等特點(diǎn)，與濾波器配合使用可以很好的解決功率因數(shù)低、諧波、電壓閃變等問題，但是SVC在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生諧波，運(yùn)行損耗較大，而且占地面積大，投資較大。近年快速發(fā)展的高壓靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器（SVG）相較SVC而言，不僅占地面積更小，投資少，而且響應(yīng)速度更快，響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到10ms以內(nèi)，更能夠適應(yīng)過鋼時(shí)造成的電壓閃變。此外SVG不會產(chǎn)生諧波，沒有二次污染。綜上因素考慮，決定在傳動(dòng)設(shè)備所在的6kV系統(tǒng)新增一套FC型無源濾波補(bǔ)償裝置和一套SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，解決設(shè)備改造造成的電能質(zhì)量問題。

（2）系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算。根據(jù)供電設(shè)計(jì)參數(shù)35kV短路容量為S35=300MVA，35/6kV主變壓器取短路壓降Uk取值8%，計(jì)算基準(zhǔn)容量Sj取100MVA，經(jīng)計(jì)算6kV系統(tǒng)短路容量S6=115（MVA）。根據(jù)6kV系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷計(jì)算可得系統(tǒng)有功P=5884（kW），無功Q=6002（kVar）。計(jì)算視在功率S=8406（kVA），自然功率因數(shù)cos φ=0.7。由于在軋機(jī)生產(chǎn)過程中，主要的沖擊負(fù)荷是粗軋機(jī)造成的，且各臺粗軋機(jī)造成沖擊在時(shí)間上并非同時(shí)發(fā)生。因此可按照粗軋機(jī)中容量最大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)沖擊負(fù)荷與其他電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)荷的疊加作為系統(tǒng)沖擊的估算。取粗軋機(jī)中容量最大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)容量為1200kW；根據(jù)估算系統(tǒng)沖擊無功Qp=7.6（MVar）。此外，由于棒材軋線主傳動(dòng)設(shè)備采用的電力電子變流器為非線性負(fù)荷，工作期間產(chǎn)生大量的高次諧波，主要是5、7、11、13次諧波，其中5次較大。根據(jù)理論計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)，得6kV系統(tǒng)各次諧波電流發(fā)生量（見表1）。

（3）無功補(bǔ)償設(shè)備參數(shù)選擇。依據(jù)國標(biāo)中功率因數(shù)、電壓閃變以及諧波限值的規(guī)定，并根據(jù)上節(jié)各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)，確定動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償與濾波裝置總輸出容量為8Mvar，其中SVG容量為±4Mvar。濾波器設(shè)置5次和7次濾波支路，總安裝容量為5.1Mvar，有效容量為4Mvar。其中5次濾波支路安裝容量為2.7Mvar，7次濾波支路安裝容量為2.4Mvar。濾波電容器額定電壓為。

3 SVG介紹

（1）級聯(lián)式SVG原理。級聯(lián)式SVG的基本原理是將H橋變流器功率單元通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，主控板根據(jù)控制算法運(yùn)算，通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)H橋變流器功率單元輸出電壓的相位和幅值，使功率單元吸收或者發(fā)出系統(tǒng)所需的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

（2）級聯(lián)式SVG結(jié)構(gòu)。為該供電系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的級聯(lián)式SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，結(jié)構(gòu)上包括電抗器柜、啟動(dòng)柜、控制柜和功率柜。主電路中的進(jìn)線連接電抗器安裝于電抗器柜中，連接電抗器用于調(diào)節(jié)SVG的輸出電流。啟動(dòng)柜功能是在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，變流器通過啟動(dòng)充電電阻接入電網(wǎng)，避免合閘沖擊。變流器直流側(cè)電容建立起工作電壓后，真空接觸器合閘，變流器直接接入電網(wǎng)，SVG進(jìn)入工作狀態(tài)。功率柜主要元件為H橋變流器功率單元，本套裝置每相使用8臺功率單元串聯(lián)構(gòu)成單相變流器。功率單元采用具有自關(guān)斷能力的大功率IGBT?？刂乒裰兄饕刂齐娐?、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路等?？刂齐娐穭t采用雙DSP + 雙FPGA架構(gòu)，根據(jù)采樣電路采集的電流、電壓等信號，通過DSP主控板內(nèi)的控制算法，經(jīng)運(yùn)算將輸出信號通過驅(qū)動(dòng)電路送至功率柜內(nèi)的功率單元，實(shí)現(xiàn)對功率單元的控制。驅(qū)動(dòng)電路與功率單元間采用光纖通訊。

4 電能治理效果

6kV FC+SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后，在提高系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制電壓閃變以及濾除高次諧波方面均達(dá)到預(yù)期效果，各項(xiàng)指標(biāo)均符合國標(biāo)允許值。治理后的系統(tǒng)功率因數(shù)基本保持在0.99以上，大大高于0.90的國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)電壓波動(dòng)也完全符合電壓波動(dòng)d<2% 的要求。在高次諧波污染治理方面，因?yàn)闉V波器參數(shù)設(shè)計(jì)得當(dāng)，流入6kV母線的各次諧波電流值均低于國標(biāo)限值，尤其是對5、7、11、13次諧波電流的治理效果顯著。6kV母線諧波電壓總畸變率也降至3.69%。

5 結(jié)語

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在該生產(chǎn)線的成功運(yùn)用，大大提高了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低了電能損耗，保證了電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)也創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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