10KV中频炉供电系统动态无功综合补偿滤波装置

2011-10-23苏宏立朱向华

浙江工商职业技术学院学报 2011年1期

苏宏立朱向华应涛杨路

（中国联合工程公司，浙江杭州 310022）

在供电系统中，供电的质量指标、电网运行的安全可靠性和经济性是最根本的问题。快速合理地调节电网无功功率，对交流电网的稳定和系统电压的调节、合理分配及限制电网过电压方面有着十分重要的意义。

无功功率是电力系统的一个重要运行参数，它的平衡程度直接影响着电网电压的稳定程度。因此在保证系统安全可靠的前提下，有针对性地采用无功补偿和谐波抑制措施，降低网损和电压损耗，提高电压水平，改善电能质量，是电力生产和电网管理所追求的目标，也是中频炉供电系统必须遵循的原则。

10KV中频炉项目，系统负荷主要为六台中频炉，由10KV母线进行配电，分别为4台容量为1500KVA的2T中频炉、2台容量3000KVA的5T中频炉，其中2台2T和1台5T的中频炉在一段母线上，另外的再另一段母线上。中频炉负荷属于非线性负荷，运行时不仅会产生大量高次谐波，导致系统电压、电流波形畸变，降低电能质量；而且还会产生大量的无功，引起电网电压波动，严重时影响带载设备的安全运行，降低了生产效率。为了保证系统投入后安全经济运行，滤除系统高次谐波、提高系统功率因数、改善电气环境、降低网损、节约能源，需要采用良好的设备对系统综合治理。

1 动态无功补偿技术研究与比较

传统的无功补偿模式采用固定并入供电系统一定容量补偿装置的模式，其阻抗是固定的，无法跟踪负载无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿；而应用在10kV中频炉的无功补偿，属于负载型补偿，负荷变化频繁；因此，固定补偿模式不适应于这种场合，应采用快速动态无功补偿模式。

目前，性能可靠在其他供电系统应用较广泛的静止型动态无功补偿装置（SVC）技术包含以下几种方式：

一是机械式分组投切电容器（MSC）普遍采用真空接触器投切，投切瞬间开关会产生电弧，电容器回路的通断过程中产生操作过电压和冲击电流，触头易产生电弧重燃，对电容和系统的安全运行产生较大影响。同时，这种方式也无法对系统变化快速跟踪补偿，无法满足负荷频繁启停的补偿要求，无法满足频炉供电系统末端对无功补偿的要求，同时，接入系统的电容器组易于系统产生谐振，也不利于其在频炉供电系统的使用。

二是晶闸管分组投切电容器（TSC）用晶闸管代替接触器进行电容投切，与接触器进行电容投切相比，晶闸管的操作寿命长，并通过投切时间的精确控制减少投切的冲击电流，但同样不具备连续无功调节，而且无法避免谐振隐患。

三是晶闸管控制电抗器（TCR）+固定电容装置（FC）可以平滑调节无功补偿容量，快速响应系统变化静止无功发生器（SVG）：一般指自换相电力半导体变流补偿技术，与其他的动态补偿方式相比，具有速度快、谐波小、体积小等优点。该技术已成为动态无功补偿技术的发展方向，特别适用于配电和负荷系统的无功补偿。

文中针对10KV频炉供电系统的特点，提出了无源HVC自动谐波滤波装置与高压有源APF动态无功综合补偿滤波装置相结合的技术方案，整套装置在对负荷进行补偿滤波的整个控制过程中，HVC与APF互相配合，既能保证滤波补偿效果，又可避免无功过补，属于一种比较先进的补偿、滤波方式。

2 系统总体设计

针对用户供电系统的负荷分布状况及负荷生产特点，本文建议采用高压APF+动态无功综合补偿滤波装置的技术方案，即无源HVC自动谐波滤波装置与高压有源APF动态无功综合补偿滤波装置有机结合，整套装置在补偿滤波整个过程中，补偿实现动态连续调节，滤除系统各次谐波，保证系统的安全性和稳定性。

对中频炉整流装置所产生的特征性谐波采用HVC自动谐波滤波装置方的案进行谐波治理。对系统其他低次谐波及系统无功补偿，采用高压有源APF动态无功综合补偿滤波装置的方案，APF的容量设置充分考虑滤波支路所能提供的基波无功，有效对系统的非特征性5、7次以下各次谐波进行滤除。

HVC采用真空接触器自动投切滤波电容器组，主要用来吸收系统特定次数谐波兼起无功补偿的作用。APF采用半导体电力电子器件来构建整流和逆变电路，可以滤除系统5、7次以下低次谐波，还可以对负荷实现双向补偿和连续调节，补偿容量设计足够时实现功率因数补偿接近为1。在对负荷进行补偿滤波的整个控制过程中，HVC与APF互相配合，既能保证滤波补偿效果，又可避免无功过补，属于一种比较先进的补偿、滤波方式。

3 系统详细设计过程

3.1 无功补偿容量的计算

为了使系统功率因数达到0.95以上，对2台2T和1台5T中频炉为一组在10KV母线上进行集中补偿。计算建议补偿容量如下：

单段母线补偿容量：Q 补=S×COSΦ1（tanΦ1－tanΦ2）=2000Kvar。

序号名称容量补偿前功率因数补偿后功率因数补偿容量Kvar 备注1 2T中频炉 1500KVA 0.8 0.95 500 2 2T中频炉 1500KVA 0.8 0.95 500 3 5T中频炉 3000kVA 0.8 0.95 1000 4合计补偿容量2000

3.2 系统谐波总电流及滤波装置容量确定

3.2.1 滤波容量确定。对于整流装置而言，产生的谐波电流次数为：n=kp±1

式中：n－谐波次数

k－正整数，取 1、2、3、4…

p－脉动数（6脉动、12脉动）

﹙对于 6脉动整流器特征谐波为 5、7、11、13…﹚对于12 脉动整流器特征谐波为 11、13、23、25…，5、7、11、13…次谐波是非特征谐波。特征谐波电流值大小为：In=I1/n。非特征谐波电流值大小取决于控制角、负荷及系统阻抗，取In=（0.1～0.2）I1/n。

3.2.2 总谐波电流计算

名称容量（KVA）基波电流（A） 11次谐波（A） 13次谐波（A） 23次谐波（A） 25次谐波（A）2T中频炉 1500 86.6 7.9 6.7 3.8 3.5 2T中频炉 1500 86.6 7.9 6.7 3.8 3.5 5T中频炉 3000 173.2 15.8 13.4 7.6 7 20.5 16.8 9.2 8.4合计 20.5 21

3.2.3 10KV母线谐波国标允许值。国家标准限制GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》给出了基准容量为100MVA，10kV公共连接点的各次谐波电流允许值，谐波电流限制如下表所示：

表1 谐波电流限制

表2 公用电网谐波电压限制

因此，可得出结论：系统产生的11、13…次谐波电流均已超标。

3.2.4 滤波支路确定。滤波装置各支路的设计根据谐波发生量的次数和大小进行，满足公共连接点的电压畸变率和流入系统的各次谐波电流要求的前提下，要避免在某次谐波频率下产生谐波谐振，以保证滤波装置的长期安全运行。

中频炉12脉动整流装置运行时除了产生11、13…次特征谐波电流，还会产生5、7…次非特征谐波。滤波支路设计11、13次二组滤波通道，11次做成单调谐滤波通道，13次做成高通滤波通道，能达到良好的滤波效果。设计时考虑10KV系统背景谐波及安装维护的方便问题，为了在尽可能小的电容器容量下同时满足本工程要求，选择滤波器实际安装容量如下：

滤波装置各支路的设计根据谐波发生量的次数和大小进行，满足公共连接点的电压畸变率和流入系统的各次谐波电流要求的前提下，要避免在某次谐波频率下产生谐波谐振，以保证滤波装置的长期安全运行。滤波支路容量参数的确定详见如下：

序号滤波次数 11 13次高通1电容器安装容量（Kvar） 1200 1200 2每台电容器额定容量（Kvar） 200 200 3电容器安装台数 6 6 4每相电容器额定电压（KV） 8.2 8.2 5基波补偿容量（Kvar） 600 600 6 HVC滤波器安装总容量（Kvar） 2400 7 HVC基波补偿总容量（Kvar） 1200 8 APF 容量（Kvar）1000 9设备选型 H.APF-10/3400（1000A+1200H11+1200HP13）10 总基波补偿容量（Kvar） 2200

3.3 设备组成及柜体尺寸单套APF+HVC-10/3400kvar组成及尺寸如下表

数量：共计两套

序号项目型号数量（套）单套尺寸（宽×深×高mm）1控制柜 APF+HVC-WH 1 1200×1600×2600

2连接变压器柜 DYB-10/1 1 2200×1600×3000 3进线电抗器柜 DK-1 1 1200×1600×2600 4功率单元柜 APF-10/1000 1 1200×1600×2600 5 HVC 滤波电容柜（11次滤波） HVC-10/1200-11 1 1600×1600×2600 6 HVC 滤波电容柜（13次滤波） HVC-10/1200-13 1 1600×1600×2600 7合计 3400kvar 6 9000×1600×2600

说明：由于滤波电抗器是空芯结构，整体采用的是框架式结构。