某集團(tuán)礦業(yè)有限公司東鞍山燒結(jié)廠移動(dòng)式SVG補(bǔ)償站應(yīng)用

楊玉武 宋愛民

【摘要】本文通過東鞍山燒結(jié)廠因提高產(chǎn)能需要，增設(shè)一套移動(dòng)式SVG高壓靜止無功發(fā)生裝置，設(shè)備投運(yùn)后，設(shè)備對大小和頻率都有變化的諧波、無功功率以及三相不平衡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，從而為電網(wǎng)和用電負(fù)荷提供快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和諧波濾除，有效提高電網(wǎng)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性、抑制母線電壓閃變提高功率因數(shù)，取得了良好的運(yùn)營效果和經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】礦山 燒結(jié)廠 供電系統(tǒng) SVG靜止無功發(fā)生裝置

1、燒結(jié)廠概況

東鞍山燒結(jié)廠是鞍鋼礦山公司的大型選礦廠之一，已有40年的生產(chǎn)歷史，選礦車間耗電占全公司用電的30%左右，磨礦占選礦耗電的50%以上。主要負(fù)載以燒結(jié)機(jī)，上料系統(tǒng)、配料室配、料系統(tǒng)、一次混合、二次混合、燒結(jié)、環(huán)冷、篩分系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間以皮帶連接，輔助設(shè)備有循環(huán)水、余熱利用、煤氣預(yù)熱爐、除塵系統(tǒng)等。

由于提高產(chǎn)能要求，既有配電室已經(jīng)無法提供設(shè)備安裝空間，本次提升改造以移動(dòng)式，無功補(bǔ)償配電站形式裝備燒結(jié)廠。高寒地區(qū)的高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償室外使用案例較少，對設(shè)備的質(zhì)量和運(yùn)行效果都是一種考驗(yàn)。

2、供電基本參數(shù)描述：

東燒結(jié)廠7#進(jìn)線母線進(jìn)線端電壓畸變率大約為0.7%，東燒結(jié)廠8#進(jìn)線母線進(jìn)線端電壓畸變率大約為0.5%，符合國標(biāo)（4%以內(nèi)）;

東燒結(jié)廠7#進(jìn)線母線負(fù)載率低，進(jìn)線電流正常運(yùn)行250A左右，電流畸變率大約為3.7%，諧波電流不大。

東燒結(jié)廠8#進(jìn)線母線進(jìn)線電流正常運(yùn)行60A左右，電流畸變率大約為1.5%，諧波電流不大。

整體電能：7#線最大負(fù)荷4000KW，需補(bǔ)償1200kvar～1500kvar，，最高功率因數(shù)0.87，最低0.83。

8#線最大負(fù)荷6000KW，需補(bǔ)償2400kvar～3000kvar，8#線最高功率因數(shù)0.81，最低0.76。

3、SVG靜止無功發(fā)生裝置改造的意義：

東鞍山燒結(jié)廠配電系統(tǒng)中，系統(tǒng)功率因數(shù)較低，低功率因數(shù)會(huì)導(dǎo)致增加線路損耗，占用變壓器設(shè)備容量，增加企業(yè)的電費(fèi)開支，加大生產(chǎn)成本，因此，無論從提高用電設(shè)備的利用率，降低線路損耗，還是從提高供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性來考慮，都應(yīng)該進(jìn)行電能質(zhì)量的治理。合理的提高功率因數(shù)，可以提高用電設(shè)備的有效容量和效率，減少線路損耗、設(shè)備浪費(fèi)和電能損失，節(jié)約用電成本，得到一個(gè)安全、潔凈的用電環(huán)境。

7#增設(shè)一套10KVSVG1.5M移動(dòng)箱式補(bǔ)償站、8#增設(shè)一套10KVSVG3M移動(dòng)箱式補(bǔ)償站，投運(yùn)當(dāng)月功率因數(shù)為0.97，每月節(jié)約電量5%以上。經(jīng)過一年的運(yùn)行，設(shè)備對高寒地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)性非常好，低溫運(yùn)行狀態(tài)良好。

4、SVG靜止無功發(fā)生器工作原理

SVG——靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator， 簡稱SVG）是當(dāng)今無功補(bǔ)償領(lǐng)域最新技術(shù)的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的重要組成部分。SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可控的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化，自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無功功率以及諧波濾除，對電網(wǎng)無功功率、諧波實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無級補(bǔ)償。

SVG利用大功率電力電子器件（如IGBT）組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(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，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖1 SVG工作原理

5、裝置構(gòu)成

單臺HTSVG裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示。裝置由控制柜、功率柜、啟動(dòng)柜和連接電抗器（或變壓器）組成。

圖2成套裝置結(jié)構(gòu)圖

6、技術(shù)優(yōu)勢

SVG是目前最為先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置，基于電壓源型逆變器的補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它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的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。從技術(shù)上講，HTSVG較傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置有如下優(yōu)勢：

（1）響應(yīng)速度更快

SVG響應(yīng)時(shí)間：≤5ms。

傳統(tǒng)SVC響應(yīng)時(shí)間： ≥20ms（太快可能引起電抗和電容器產(chǎn)生振蕩）。

SVG可在極短的時(shí)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，這種無可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償。

（2）電壓閃變抑制能力更強(qiáng)

SVC對電壓閃變的抑制最大可達(dá)2：1，SVG對電壓閃變的抑制可以達(dá)到5：1，甚至更高。SVC受到響應(yīng)速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會(huì)隨補(bǔ)償容量的增加而增加。而SVG由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。

（3）運(yùn)行范圍更寬

SVG輸出電流不依賴于電壓，表現(xiàn)為恒流源特性，能夠在額定感性到額定容性的范圍內(nèi)工作，具有更寬的運(yùn)行范圍。而SVC本質(zhì)是阻抗型補(bǔ)償，輸出電流和電壓成線性關(guān)系。因此系統(tǒng)電壓變低時(shí)，同容量SVG可以比SVC提供更大的補(bǔ)償容量，電壓電流特性如下圖所示：（SVG若配合同容量固定電容器可構(gòu)成0-2倍容量的動(dòng)態(tài)容性無功補(bǔ)償器，性價(jià)比更高。）

（4）補(bǔ)償功能多樣化

HTSVG不僅具有快速補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率的目的，還能夠根據(jù)用戶實(shí)際需要，對負(fù)荷諧波電流、負(fù)序電流等電能質(zhì)量問題進(jìn)行綜合補(bǔ)償。

（5）優(yōu)異的諧波輸出特性

HTSVG采用了載波移相PWM技術(shù)和功率單元級聯(lián)多電平技術(shù)，自身產(chǎn)生的諧波含量極低，裝置輸出側(cè)無需濾波器。

SVG既可以輸出近似正弦波的無功電流（不含諧波，用于電網(wǎng)補(bǔ)償），也可以輸出設(shè)定次數(shù)的諧波電流（用于負(fù)荷諧波濾波），即SVG輸出電流是完全有源可控的，完全滿足用戶的需要;而SVC產(chǎn)生大量不可控的諧波電流，又附帶大量不可控的無源濾波支路來實(shí)現(xiàn)自身產(chǎn)生的諧波電流的濾波。

（6）占地面積小

由于無需高壓大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%。

（7）、更高效率、更低損耗

多個(gè)H橋功率單元級聯(lián)多電平技術(shù)和載波移相PWM調(diào)制技術(shù)，輸出電壓、電流諧波畸變率低，諧波損耗小，系統(tǒng)損耗小;

多DSP和FPGA協(xié)同控制，控制精度高、速度快;

同時(shí)濾除多達(dá)20種諧波，最高可濾除至25次諧波，且可對每次諧波進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。

7、無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)能效益分析（以7號線為例計(jì)算）

根據(jù)目前系統(tǒng)電能質(zhì)量情況，靜止無功發(fā)生器容量為1500kvar，有功平均功率為3600KW，功率因數(shù)取cosφ取0.84計(jì)算，補(bǔ)償后目標(biāo)功率因數(shù)大于0.95以上，治理后對整個(gè)配電系統(tǒng)有以下的益處。

（1）、 降低線路功率損耗線路損耗降低28%。

設(shè)輸電線路導(dǎo)線電阻R，其功率損耗為：

ΔP=3I2R=3

式中：U―線路線電壓;I-線路電流;R-每相線路電阻;

P-線路有功功率;Q-線路無功功率;cosφ-線路功率因數(shù)

由上式可以看出，在電路電壓U，傳送的有功功率P不變的情況下，對由相同線路電阻R的線路，線路損耗ΔP和cosφ的平方成反比。負(fù)荷的功率因數(shù)高時(shí)，流過輸電線中的電流就越小，供配電線路的電能損失就越小。ΔP（0.84/0.95）^2≈0.78ΔP

補(bǔ)償后損耗為原來78%，配電線路損耗降低28%。

增加電網(wǎng)的傳輸能力、提高電源設(shè)備利用率，提高11%帶載率。

若P1和P2分別為補(bǔ)償前后的有功功率，cosφ1和cosφ2分別為補(bǔ)償前后的功率因數(shù)，線路傳輸?shù)挠泄β试隽繛椋?/p>

ΔP=P2-P1=S（cosφ2-cosφ1）= S（0.95-0.84）=0.11S

從上式可以看出，在視在功率S（也可以認(rèn)為電路電流）不變的前提下，線路傳輸增加值為ΔP，從而提高了設(shè)備的利用率。

（2）、 減小電源設(shè)備容量，減少4%設(shè)備容量。

在保證有功負(fù)荷P不變的情況下，增加無功功率后，可以減小設(shè)備的容量為：

ΔS=P（1/ cosφ1-1/ cosφ2）

= P（1/0.84-1/0.95）

≈0.04P

當(dāng)cosφ提高后，在傳送同樣有功功率情況下，可以減小視在功率因數(shù)，節(jié)省設(shè)備投資。

（3）、改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，提高配電線路末端電壓。

配電線路電壓損失為：

式中：P-線路有功功率

Q-線路無功功率

UN-額定線電壓

R、X-線路電阻、電抗

ΔU-線路電壓降落

當(dāng)線路加裝補(bǔ)償電容器后，配電線路損失電壓為：

式中，QC-補(bǔ)償電容器容量

則其電壓損失減少的的百分?jǐn)?shù)為：系統(tǒng)電抗按6%考慮。

= =0.12%

可見，當(dāng)加裝補(bǔ)償電容器后，可使電壓損失下降，其下降值為ΔU%，從而改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，將線路末端電壓 提升0.12%左右。

8、電能質(zhì)量綜合治理節(jié)電分析

電能質(zhì)量治理后，保障設(shè)備安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量，同時(shí)減少線路損耗、設(shè)備浪費(fèi)和電能損失，節(jié)約用電成本，從諧波、無功功率、利率電費(fèi)方面對其進(jìn)行理論的節(jié)電計(jì)算。

（1）、提高功率因數(shù)后，無功功率節(jié)能。

提高系統(tǒng)功率因數(shù)，減小系統(tǒng)的無功功率，可以降低線路損耗和變壓器損耗。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)確定無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量0.02～0.05KW/kvar，根據(jù)線路及配電分布取相應(yīng)的值，以0.03KW/kvar進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際補(bǔ)償量為2000 kvar。

無功變化量*0.03*24*330=2000 kvar *0.03KW/kvar*24小時(shí)*330天=475200度。按工業(yè)電價(jià)0.6元/度計(jì)算，無功補(bǔ)償后每年可以節(jié)約大約28.5萬元。

（2）、提高功率因數(shù)利率電費(fèi)節(jié)能。

根據(jù)《關(guān)于頒發(fā)<功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法>的通知》（（83）水電財(cái)字第215號） 利率電費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算罰款及電費(fèi)數(shù)量：

變壓器出線處，補(bǔ)償前功率因數(shù)，

0.84

變壓器出線處，補(bǔ)償后功率因數(shù)，0.95

按照補(bǔ)償前功率因數(shù)0.84計(jì)算，每年下網(wǎng)電費(fèi)將提高5%。

每年多交電費(fèi)=本年用電度數(shù)*電價(jià)*5%

按照補(bǔ)償后功率因數(shù)0.95計(jì)算，每年下網(wǎng)電費(fèi)將下降0.75%。

每年獎(jiǎng)勵(lì)電費(fèi)=本年用電度數(shù)*電價(jià)*0.75%

因功率因數(shù)提高節(jié)約的電費(fèi)=每年多交電費(fèi)+每年獎(jiǎng)勵(lì)電費(fèi)

即利率節(jié)省費(fèi)用：

有功功率*（5%+0.75%）*電價(jià)*24*330=3600*5.75%*0.6*24*330≈983664元

利率電費(fèi)節(jié)約大約983664元。

9、結(jié)論

綜上所述，移動(dòng)式箱變靜止無功靜止無功發(fā)生裝置能夠解決老廠區(qū)，受用地及空間限制的無功需求短板，箱式靜止無功發(fā)生裝置在東鞍山燒結(jié)廠的應(yīng)用，解決了高寒地區(qū)戶外無功發(fā)生裝置無法投運(yùn)的問題，對于老廠區(qū)的技術(shù)改造具有實(shí)際意義，建議在相關(guān)地區(qū)推廣。