FC+SVG动态无功补偿装置在钢铁厂棒材生产线中的应用

郑学奇

摘 要：某钢铁厂棒材生产线在棒材轧制过程中产生大量的感性无功以及高次谐波，本文介绍了一种安装FC+SVG型无功补偿装置以解决该生产线电能质量问题的方案。装置投运后，大大降低了系统的无功损耗，并滤除了电网中影响较大的高次谐波，提高了电网的安全性，达到了预期效果，并产生了可观的经济效益。

关键词：SVG；棒材；动态无功补偿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.022

1 引言

某钢铁厂棒材轧制生产线工艺升级改造，将原有棒材生产线延伸。电气设备方面，将原有8台直流660V，功率均为 600kW的直流电机改造成单独传动的精轧机主传动电机，并新增7台粗轧轧机，1～3#、4～5#、6～7#新增轧机分别由3台直流660V，功率均为 1200kW的直流电机分组传动。直流电机均采用6脉动整流装置，因此在轧机工作过程中产生大量5、7、11、13次等高次谐波，5、7次谐波电流含量均超过国标允许值。谐波电流流入系统后，使得电网电压、电流波形发生严重畸变，严重降低发输变电设备，整流变等负荷设备，微机保护等控制装置的运行可靠性。同时新增设备也产生大量的感性无功。原先在6kV系统母线上配置的滤波器一方面无法满足改造后供电系统无功补偿需求，产生的谐波无法滤除。另一方面，轧机为冲击性负荷，过钢的瞬间无功冲击很大，供电系统电压波动也很大，原有滤波装置无法解决。

2 电能质量治理方案

（1）电能质量治理设备选择。由该生产线改造后电气设备的配置情况可以分析出供电系统的特点，整个6kV供电系统需要一个全面的电能治理方案，用以解决包括无功补偿、高次谐波以及电压闪变在内的电能质量问题。早期的机械投切无功补偿装置、饱和电抗器响应速度慢，无法应对该生产线在棒材轧制过程中引起电压闪变和无功快速变化。TCR型静止无功补偿装置近年来在电能质量治理方面得到了广泛应用，具有响应速度快、补偿效果好等特点，与滤波器配合使用可以很好的解决功率因数低、谐波、电压闪变等问题，但是SVC在运行过程中会产生谐波，运行损耗较大，而且占地面积大，投资较大。近年快速发展的高压静止无功补偿发生器（SVG）相较SVC而言，不仅占地面积更小，投资少，而且响应速度更快，响应时间可以达到10ms以内，更能够适应过钢时造成的电压闪变。此外SVG不会产生谐波，没有二次污染。综上因素考虑，决定在传动设备所在的6kV系统新增一套FC型无源滤波补偿装置和一套SVG动态无功补偿装置，解决设备改造造成的电能质量问题。

（2）系统参数计算。根据供电设计参数35kV短路容量为S35=300MVA，35/6kV主变压器取短路压降Uk取值8%，计算基准容量Sj取100MVA，经计算6kV系统短路容量S6=115（MVA）。根据6kV系统实际负荷计算可得系统有功P=5884（kW），无功Q=6002（kVar）。计算视在功率S=8406（kVA），自然功率因数cos φ=0.7。由于在轧机生产过程中，主要的冲击负荷是粗轧机造成的，且各台粗轧机造成冲击在时间上并非同时发生。因此可按照粗轧机中容量最大的驱动电机冲击负荷与其他电机稳态负荷的叠加作为系统冲击的估算。取粗轧机中容量最大的驱动电机容量为1200kW；根据估算系统冲击无功Qp=7.6（MVar）。此外，由于棒材轧线主传动设备采用的电力电子变流器为非线性负荷，工作期间产生大量的高次谐波，主要是5、7、11、13次谐波，其中5次较大。根据理论计算和工程经验，得6kV系统各次谐波电流发生量（见表1）。

（3）无功补偿设备参数选择。依据国标中功率因数、电压闪变以及谐波限值的规定，并根据上节各项系统参数，确定动态无功补偿与滤波装置总输出容量为8Mvar，其中SVG容量为±4Mvar。滤波器设置5次和7次滤波支路，总安装容量为5.1Mvar，有效容量为4Mvar。其中5次滤波支路安装容量为2.7Mvar，7次滤波支路安装容量为2.4Mvar。滤波电容器额定电压为。

3 SVG介绍

（1）级联式SVG原理。级联式SVG的基本原理是将H桥变流器功率单元通过电抗器并联在电网上，主控板根据控制算法运算，通过驱动电路实时调节H桥变流器功率单元输出电压的相位和幅值，使功率单元吸收或者发出系统所需的无功电流，实现动态无功补偿。

（2）级联式SVG结构。为该供电系统所设计的级联式SVG动态无功补偿装置，结构上包括电抗器柜、启动柜、控制柜和功率柜。主电路中的进线连接电抗器安装于电抗器柜中，连接电抗器用于调节SVG的输出电流。启动柜功能是在设备启动时，变流器通过启动充电电阻接入电网，避免合闸冲击。变流器直流侧电容建立起工作电压后，真空接触器合闸，变流器直接接入电网，SVG进入工作状态。功率柜主要元件为H桥变流器功率单元，本套装置每相使用8台功率单元串联构成单相变流器。功率单元采用具有自关断能力的大功率IGBT。控制柜中主要包括控制电路、驱动电路、采样电路等。控制电路则采用双DSP + 双FPGA架构，根据采样电路采集的电流、电压等信号，通过DSP主控板内的控制算法，经运算将输出信号通过驱动电路送至功率柜内的功率单元，实现对功率单元的控制。驱动电路与功率单元间采用光纤通讯。

4 电能治理效果

6kV FC+SVG动态无功补偿装置投入运行后，在提高系统功率因数、抑制电压闪变以及滤除高次谐波方面均达到预期效果，各项指标均符合国标允许值。治理后的系统功率因数基本保持在0.99以上，大大高于0.90的国标标准，系统电压波动也完全符合电压波动d<2% 的要求。在高次谐波污染治理方面，因为滤波器参数设计得当，流入6kV母线的各次谐波电流值均低于国标限值，尤其是对5、7、11、13次谐波电流的治理效果显著。6kV母线谐波电压总畸变率也降至3.69%。

5 结语

动态无功补偿装置在该生产线的成功运用，大大提高了供电系统的电能质量，降低了电能损耗，保证了电气设备的安全运行，同时也创造了可观的经济效益。

参考文献：

[1]George J.Wakileh.电力系统谐波-基本原理[Z].分析方法和滤波器设计.

[2]段海雁等.SVG动态无功补偿装置在高线轧钢生产线的应用[J]. 电力电容器与无功补偿，2014，35（04）：26-31.