SVG技术及其在线材及棒材轧钢厂的应用

2013-09-18张江泳

重庆理工大学学报(自然科学) 2013年11期

张江泳

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)

进入21世纪，采用IGBT电力电子大功率元件的静止无功功率发生器SVG逐步应用于电力系统，用于大型输电设备及线路的无功补偿，但由于SVG价格昂贵，工业领域应用很少。近年来，随着SVG技术日趋成熟和国产化的发展，SVG也开始应用于工业用户。目前基于链式换流器技术的SVG+FC装置价格已具有了相当的竞争力，逐步开始应用于线材厂和棒材厂。本文主要阐述基于链式换流器SVG+FC装置在线材及棒材轧钢厂的应用。

1 静止无功功率发生器SVG的基本原理

SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联到电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的［1］。SVG为基于电压源型变流器的无功补偿装置，不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件IGBT的高频开关实现无功能量的交换。原理见图 1［2］。

图1 SVG基本原理图

由于SVG通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网，因此SVG可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，通过交流电抗器接到电网上。连接电抗的电流是可以由其电压来控制的，这个电流就是SVG从电网吸收的电流。因此，改变SVG交流侧输出电压的幅值及其相对于系统的相位就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。

2 基于IGBT器件链式换流器的SVG技术

链式结构SVG属于多电平结构，其每相单个功率单元采用单极倍频调制方法，可实现交流侧电压三电平输出，而每相整体采用载波移相调制方法，则可实现更多电平数的电压输出(见图2～6)。链式换流器每相由多个功率模块输出串联而成，功率模块采用N+1冗余运行结构。模块控制采用PWM控制技术，电路简单，抗干扰能力强，可靠性高，一个链节单元损坏后仍可继续满负荷运行。另外，SVG对外部系统运行条件和结构变化不敏感。

图2 IGBT器件电路示意图

图3 输出电压示意图

图4 链式换流器电路示意图

图5 链式换流器输出电压示意图

图6 各单相桥输出电压

3 链式换流器SVG+FC装置技术优势及性能特点

链式换流器SVG+FC装置的应用见图7［2］。

基于链式换流器SVG+FC装置的主要技术优势及性能特点:

1)动态响应时间快。SVG具有10 ms以内的动态响应时间，有些可达到5 ms。因此，SVG可在极短时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，对快速的冲击负荷具有更好的补偿效果，对电压闪变则有更好的抑制效果。

2)优异的谐波输出特性。SVG自身产生的谐波含量极低，既可以输出近似正弦波的无功电流用于电网补偿，也可以输出设定次数的谐波电流，对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，即SVG输出电流是完全有源可控的，可完全满足用户的需要［3］。

首先看模型6，工作稳定度对社会距离的影响虽然是正向的，但是很小，并不具有统计显著性，因此没有把握将结论推论到研究总体，假设四没有得到统计分析上的支持。其原因是这种工作稳定度和主观社会经济地位有着比较大的相关性，因此其中很大一部分被主观社会经济地位解释掉了。

3)补偿功能多样化。SVG装置可以实现多种补偿功能:负载无功补偿、负载谐波补偿、在补偿负载不平衡的同时补偿负载无功和谐波。

4)占地面积小。SVG装置占地面积小，安装尺寸一般只有SVC的1/5～1/3。SVG成套装置中只包括启动柜、功率柜、连接电抗器、控制柜及FC 谐波滤波装置［4－5］。

5)运行范围宽。SVG能从额定感性无功工况到额定容性无功工况连续输出，并能和固定电容器组合，即SVG+FC可以构成任意范围的连续补偿。更重要的是，SVG受系统电压影响很小，在系统电压变低时，SVG还能输出与额定工况相近的无功电流，在欠压模式下补偿效果更好［6］。

图7 SVG+FC应用

4 线材及棒材轧钢厂的轧机主电机及其主传动装置的配置现状

占30%国内钢材产量的生产建筑钢材的普通线材厂和棒材厂，除少量生产线采用全交流系统外，绝大部分生产线的轧机主电机主要采用直流电机，轧机主传动装置采用直流调速装置。

绝大多数线材厂和棒材厂生产线的轧机主电机及主传动配置现状如下:

棒材厂:粗轧机组、中轧机组及精轧机组的轧机主电机采用直流电机，部分配置有棒材减定径机组的轧机主电机有些采用直流电机，有些采用交流电机。直流电机主传动装置采用直流调速装置，交流电机的主传动装置一般采用三电平交－直－交调速装置或LCI调速装置。

线材厂:粗轧机组、中轧机组及预精轧机组的轧机主电机采用直流电机，精轧机组主电机有些采用直流电机，有些采用交流电机，部分配置有线材减定径机组的轧机主电机有些采用直流电机，有些采用交流电机。直流电机主传动装置采用直流调速装置，交流电机的主传动装置一般采用三电平交－直－交调速装置或LCI调速装置。

直流调速装置会产生比较大的无功冲击负荷和较大的高次谐波电流(主要是以5次、7次、11次及13次为代表的奇次谐波)。LCI调速装置也会产生一定的无功冲击负荷和较大的高次谐波电流。采用三电平交－直－交调速装置基本上不产生无功冲击负荷，但会产生一定的比较高的高次谐波电流。

无功冲击会引起电网电压波动及电网电压降低，严重时电气设备不能正常工作，降低工作效率，使电网的功率因数降低，而直流调速装置中产生的有害高次谐波电流，会使电网电压产生畸变，产生谐波损耗，使发电、输电、变电和用电设备效率降低，加速电力电缆绝缘老化，影响继电保护自动装置动作的准确性，对通讯线路和控制信号造成电磁及射频干扰。所以线材和棒材轧钢厂都要进行无功冲击及谐波治理。

线材厂和棒材厂的供电电压等级一般为10 kV或6 kV，无功冲击和谐波治理一般集中设置在10 kV或6 kV进行。治理无功冲击传统上采用静止型动态无功补偿装置SVC，治理谐波采用滤波器FC。

5 线材及棒材轧钢厂的无功冲击负荷及无功补偿容量

按上述大多数生产线的配置，一般产量在50～75万吨线材生产线的无功冲击负荷在3～7Mvar，无功补偿容量为6 ～10Mvar;产量100万吨及以上线材生产线的无功冲击负荷为8～12Mvar，无功补偿容量为10～16Mvar;80～120万吨棒材生产线的无功冲击负荷为4～7Mvar，无功补偿容量为10～15Mvar。

线材和棒材轧钢厂要按供电系统电能质量要求(包括电压波动限值、谐波电流限值、谐波电压畸变率限值及功率因数)，根据无功冲击负荷及无功补偿容量进行无功冲击及谐波治理。