SVG靜態(tài)無功補(bǔ)償在冷軋廠的應(yīng)用

劉希國

（山東鋼鐵集團(tuán)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(shè)備的一大“公害”，諧波的產(chǎn)生不可避免，必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的用電設(shè)備造成危害，如何消除諧波，提高電網(wǎng)質(zhì)量，保護(hù)用電設(shè)備，是用電行業(yè)的一個(gè)重要課題。電網(wǎng)諧波主要由發(fā)電設(shè)備（電源端）、輸電設(shè)備以及電力系統(tǒng)非線性負(fù)載等三個(gè)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(fù)載的影響，基波電流發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生了諧波。主要的非線性負(fù)載有UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。SVG靜態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)作為抑制諧波一種有效手段，對(duì)于提高電網(wǎng)質(zhì)量和提高功率因數(shù)具有很好的效果，目前被廣泛應(yīng)用在電力、冶金、煤炭等用電行業(yè)中。

1 應(yīng)用背景

國內(nèi)某冷軋廠軋機(jī)采用5機(jī)架連軋模式，軋機(jī)主傳為五臺(tái)同步電機(jī)，卷曲機(jī)為兩臺(tái)異步電機(jī)，其控制系統(tǒng)采用ABB ACS6000系列變頻器。變頻器的供電設(shè)備為四臺(tái)10kV整流變壓器，其上級(jí)電源來自于能源動(dòng)力廠的110kV變電站。軋機(jī)輔傳系統(tǒng)采用西門子S120變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。在最初的工廠設(shè)計(jì)中，電氣系統(tǒng)中預(yù)留了濾波設(shè)備的位置。通過實(shí)際的運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)酸軋生產(chǎn)時(shí)，在同一回路上的其他用電設(shè)備出現(xiàn)了異常，如磨輥間電氣設(shè)備上的電子板出現(xiàn)燒損的現(xiàn)象，電抗器出現(xiàn)高溫?zé)龘p等，再如自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障，通過排查發(fā)現(xiàn)變頻器的控制單元損壞。通過分析認(rèn)為這些問題與電網(wǎng)中的諧波干擾有關(guān)，后經(jīng)過電能質(zhì)量分析儀檢測(cè)電網(wǎng)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)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(wǎng)中增加了SVG靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，以解決電網(wǎng)中的諧波干擾問題。

2 方案設(shè)計(jì)

首先在選用濾波裝置時(shí)，對(duì)于選擇SVG或SVC做了一個(gè)分析，SVG相比于SVC的一大優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定控制，使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。在酸軋產(chǎn)線，由于軋機(jī)在運(yùn)行中電機(jī)的負(fù)載變化較大，電網(wǎng)電壓會(huì)發(fā)生一定的波動(dòng)甚至閃變，這種波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)上的設(shè)備的影響較大，輕則造成系統(tǒng)跳電，重則導(dǎo)致設(shè)備損壞。SVG可以根據(jù)系統(tǒng)無功電壓的要求，快速地釋放或者吸收無功功率，動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償即可使系統(tǒng)電壓維持在一定的范圍內(nèi)。在控制中加入了電壓調(diào)節(jié)器，其作用是將測(cè)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(shù)，根據(jù)電壓-電流曲線得到所需的無功電流值。再由電流的閉環(huán)控制，使發(fā)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(tài)就隨著系統(tǒng)情況的變化而變化。當(dāng)系統(tǒng)電壓較高時(shí)，裝置就輸出更多的感性無功；當(dāng)系統(tǒng)電壓較低時(shí)，裝置就輸出更多的容性無功，就使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)了。

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

圖1為冷軋廠濾波設(shè)備的一次系統(tǒng)圖，QF0、QF1為高壓開關(guān)，R為預(yù)充電電阻。當(dāng)調(diào)試運(yùn)行時(shí)，QF0閉合，QF1斷開，預(yù)充電使功率單元控制部分可以正常工作。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，QF1閉合，電阻短接。當(dāng)SVG出現(xiàn)故障或者停機(jī)檢修時(shí)，把QF0斷開，使SVG從系統(tǒng)中脫離出來。

圖1 SVG 一次系統(tǒng)圖

3 原理分析

SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置采用級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輸入側(cè)不需要變壓器，采取鏈節(jié)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(shí)提高輸出的諧波性能。

如圖2所示，每相級(jí)聯(lián)12個(gè)功率單元，主回路上連接有串聯(lián)電抗器L，預(yù)充電電阻R。采樣信號(hào)有8個(gè)，三相系統(tǒng)電壓和電流，以及SVG輸出A和C相電流。直流側(cè)電容起儲(chǔ)存能量和進(jìn)行功率交換的作用，正常運(yùn)行時(shí)電抗會(huì)消耗少量的有功功率，以及功率器件的開關(guān)損耗等。

圖2 SVG靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置拓?fù)鋱D

SVG變流器裝置和交流系統(tǒng)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(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電壓幅值高于輸出電壓，這時(shí)SVG裝置發(fā)出感性無功功率，此時(shí)負(fù)載性質(zhì)為容性；如果裝置輸出電壓幅值高于系統(tǒng)電壓，這時(shí)變流器發(fā)出容性無功功率，負(fù)載性質(zhì)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(tǒng)電壓相等，這時(shí)變流器既不發(fā)出容性無功功率也不吸收感性無功功率，即此時(shí)的系統(tǒng)無功為零，為負(fù)載理想的工作狀態(tài)。

因此，通過調(diào)節(jié)裝置輸出電壓的幅值，SVG無功補(bǔ)償裝置可以實(shí)時(shí)的快速吸收或者發(fā)出系統(tǒng)所需要的無功功率，從而實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的目的。

功率單元拓?fù)湓韴D如圖4所示，整機(jī)工作前先進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)直流電壓達(dá)到設(shè)定值可停止預(yù)充電，即讓單元控制回路可以工作為止。直流側(cè)電容為儲(chǔ)能元件，電阻為均壓元件，保證各個(gè)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(hào)，其中兩根傳送通訊信息，另外兩根傳遞PWM信號(hào)，采用雙極性空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制G1～G4 IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。每個(gè)單元僅有三種可能的輸出電壓狀態(tài)，當(dāng) G1和G4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為1；當(dāng)G2和G3導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為-1；當(dāng) G1和G2或者G3和G4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為0。

4 應(yīng)用情況

系統(tǒng)投用后，電網(wǎng)質(zhì)量明顯得到改善，軋機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)中其他設(shè)備的影響徹底消除，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)SVG系統(tǒng)投用后，功率因數(shù)顯著提高，節(jié)電效果顯著。

5 結(jié)束語

SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)在國內(nèi)某冷軋廠的應(yīng)用為同類軋鋼產(chǎn)線提供一個(gè)成功的應(yīng)用案例，具有很好的借鑒作用，在軋鋼行業(yè)可推廣使用。