SVC 静止无功补偿装置在轧钢供电系统中的应用
2012-07-02舒延国
舒延国
(重庆三环监理咨询有限公司,重庆 400000)
SVC(Static Var Compensator),是静止无功补偿装置的简称,区别于传统无功补偿方式(通过开关投切电容器或通过分接开关调节电容器端电压),SVC 属于动态无功补偿产品,它具有最快10 ms 的响应速度。SVC 成套装置一般由可调电抗(通过可控硅单元或硅阀调节),FC 无源滤波,以及控制和保护系统组成。目前,根据可调电抗器的调节方式及工作原理不同,又可分为TCR 型(晶闸管控制的电抗器)、TCT 型(晶闸管控制的变压器)、MCR 型(磁控电抗器)3 种类型。
重庆钢铁集团1780 热轧机电源为35 kV 三个回路进行供电,其中两个回路作为工作电源为,另一回路作为备用。在两个工作回路上装设有SVC 装置,以对该厂生产过程中所产生的感性无功进行动态补偿。同时,能够滤除有害的谐波电流。
1 谐波产生的原因
在大型冶金轧机中多采用交-交变频供电的同步电动机驱动,在变频器的变流过程中,电源波形失去正弦形状而呈阶梯形。典型波型见图1。
在图中,(a)图为六脉冲交流电路,整流变压器为Y/Y组别,变压器原边的A 相电流波形,B 相和C 相分别滞后它π/3 和4π/3 电角度。(b)图中为六脉冲,变压器组别为Y/△,变压器的原边电流波形。(c)图中为12 脉冲,变压器组别为Y/Y·△,变压器原边电流的波形。
由傅里叶级数理论,图1 中(a)图、(b)图、(c)图按奇函数展开为:
图1 电源波形示意图
对于(a)图,(b)图有f(x)= b1sinx +b5sin5x +b7sin7x +b11sin11x +b13sin13x +…
其中,则为基波幅值,b1、b5、b7、b11、b13为1 次、5 次、7 次、11次、13 次谐波幅值。
基波用于做功,其余其次谐波将污染电源,必须将其滤除。从值的表达式,可以看出=1/n,可见17 及19 次谐波幅值较小,对电源危害不大,在滤波器设计时可以将其忽略。
对于(c)图,将其展开为:
可见,采用12 脉冲变流电路,将5、7 次谐波滤除,总的谐波成份将减少很少。
由上分析可知,治理谐波主要对b5、b7、b11、b13,必须把它们从电源中滤除。
2 滤波器工作原理
图2 中表示了无源滤波器结构,当电抗和电容参数配置满足频率f 谐振,且i1(f)、i2(f)、i3(f)为三相对称,则它们就流进滤波器;对于“0”点,有:
图2 无源滤波器基本结构
这时,该次谐波就能被滤除。由前面分析所知,谐波电流为电流源生成,故在滤波过程中,只有少许由于自身体阻抗损耗。
前面列出的5 次、7 次、11 次、13 次谐波均满足式i1(f)+i2(f)+i3(f)=0,故均可被滤除。其它次谐波如h3、h6、h9等,为零序分量,无法进行滤除。
由此可见,滤波器对特定谐波起到滤波的作用,在接在50 Hz 电源上,有电流产生,一般呈容性,又能起到无功静止补偿作用。
3 滤波器校核
3.1 滤波器
结构简图如图3 所示。
图3 三次谐波滤波器结构
电抗器参数:35 kV 200 A 47.14 mH
电容器参数:7.3 kV 400 kvar 24 μF
电容器额定电流:Ie=400/7.3 =54.8 A
可允许长期电流:I=4Ie=219.2 A
等效电容值(4 并4 串):C=24 μF
电容可承受电压:U=4 ×7.3 =29.2 kV
当频率为f=50 Hz
电抗值:
容抗值:
相电流:
电容器实际承受电压UC
由于U=I(XC-XL),即UC=U+IXL=22.74 kV,相位图见图4。
图4 三次谐波相位
从上面计算,电抗器、电容器均不过载,也不过压。
补偿量计算:
由于h3滤波器的电流为零序,则设置该滤波器有原理性错误,故不做谐振校核。
3.2 h5 滤波器
结构简图如图5 所示。
图5 五次谐波滤波器结构图
电抗器参数:35 kV 380 A 7.97 mH
电容器参数:6.5 kV 450 kvar 34.78 μF
电容器额定电流:Ie=450/6.5 =69.2 A
可允许长期电流:
I=6Ie=6 ×69.2 A=415.2 A
等效电容值(6 并4 串):
C=6/4 ×34.78 =54.17 μF
容可承受电压:
U=4 ×6.5 =26 kV
当频率为f=50 Hz,
电抗值:
XL=2πfL≈2 ×3.14 ×50 ×7.97 ×10-3=2.503 Ω容抗值:
相电流:
电容器实际承受电压UC
由于U=I(XC-XL),即UC=U +IXL=21.071 kV,相位图见图4。
图6 五次谐波相位
上面计算,电抗器、电容器可长期工作。
补偿量计算:
h5滤波器谐振校核:
XL=5 ×2.503 =12.515 Ω
XC=1/5 ×61.04 =12.208 Ω
由此可见,h5滤波器基本谐振。
3.3 h7 滤波器
结构简图如图7 所示。
图7 七次谐波滤波器结构
电抗器参数:35 kV 230 A 6.87 mH
电容器参数:6.5 kV 400 kvar 30.45 μF
电容器额定电流:Ie=400/6.5 =61.5 A
可允许长期电流:I=4Ie=246 A
等效电容值(4 并4 串):C=30.45 μF
电容可承受电压:U=4 ×6.5 =26 kV
当频率为f=50 Hz,
电抗值:
容抗值:
相电流:
电容器实际承受电压UC
由于U=I(XC-XL),即UC=U+IXL=20.63 kV,相位图见图8。
图8 七次谐波相位
从上面计算,电抗器、电容器均不过载,也不过压。
补偿量计算:
h5滤波器谐振校核:
由此可见,h7滤波器基本谐振核。
3.2 h11滤波器
结构简图如图9 所示。
图9 11 次谐波滤波器结构
电抗器参数:35 kV 360 A 1.69 mH
电容器参数:6.2 kV 400 kvar 33.12 μF
电容器额定电流:Ie=450/6.2 =63.5 A
可允许长期电流:I=6Ie=381 A
等效电容值(4 并4 串):C=6/4 ×33.12 =49.68 μF
电容可承受电压:U=4 ×6.2 =24.8 kV
当频率为f=50 Hz,
电抗值:
容抗值:
相电流:
电容器实际承受电压UC
由于U=I(XC-XL),即UC=U+IXL=20.67 kV,相位图见图10。
图10 11 次谐波相位
从上面计算,电抗器、电容器可长期工作。
补偿量计算:
h11滤波器谐振校核:
XL=11 ×0.53 =5.83 Ω
XC=1/11 ×64.1≈5.82 Ω
由此可见,h11滤波器基本谐振。
4 无功平衡计算
1)各组电容器提供容性无功:
2)负载产生无功
根据交-交变频器在各参数额定的情况下,其中cos φ=0.68
负载装机容量:轧机:
2 ×8 000 +4 ×8 000 +2 ×75 000 +7 000 =70 000 kW
飞剪:2 300 kW
共计:72.3 MW
负载感性无功
由cosφ=0.68,知sinφ=0.75,QL=79.53 Mvar。
3)TCR 提供感性无功
QL=62 Mvar。
4)无功平衡计算
1)变流器工作时,QC=62.55 Mvar,变流器产生无功,QL=40 Mvar。
这时,若保持电源cosφ =1,则TCR 提供无功为QL=62.55 -40 =22.55 Mvar
2)变流器不工作时,QC=62.55 Mvar,TCR 提供无功为QL=62.55 Mvar,两者基本平衡。
5 结束语
本文对静态无功动态补偿装置(SVC)进行简单分析,在使用过程证明其能很好地抑制5 次、7 次、11 次谐波,而对3次谐未起作用,因此建议取消3 次谐波装置。在风电场、冶金、电气化铁路,煤炭等工业领域,应用日益普遍。静止型动态无功补偿装置(SVC)能很好解决各种负载所产生的无功冲击。使电网电压波动明显改善,功率因数明显提高。因此研究它有着非常大的现实意义。
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