王長波 車正軍 金蔓辰

(東北特殊鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司,遼寧大連 116000)

靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)在軋機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王長波 車正軍 金蔓辰

(東北特殊鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司,遼寧大連 116000)

文章介紹了靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)原理,論述了SVC在軋機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

SVC TCR FC 電容器 電抗器

1 系統(tǒng)概述

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中需向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，并且可以避免造成過大的電壓降，這就是無功補(bǔ)償。

東北特鋼集團(tuán)大連基地環(huán)保搬遷項(xiàng)目扁鋼軋機(jī)平輥驅(qū)動(dòng)為兩臺容量分別為4200kW的同步電機(jī)，立輥驅(qū)動(dòng)為四臺容量分別為400kW的三相異步變頻電機(jī)，輔傳動(dòng)(主要是輥道)驅(qū)動(dòng)為三相異步變頻電機(jī)，三臺熱鋸主電機(jī)為480kW的三相異步變頻電機(jī)。

變頻調(diào)速的電機(jī)是典型的非線性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的諧波和諧間波向電網(wǎng)滲透，主傳電機(jī)在軋制過程中還會產(chǎn)生無功沖擊，造成電壓波動(dòng)和閃變，負(fù)荷的功率因數(shù)也較低，增加了供配電系統(tǒng)的損耗。為減輕這些不利影響，滿足國家有關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要在10kV母線裝設(shè)一套靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)。

2 SVC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理

2.1 SVC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基本原理

為了消除電網(wǎng)污染和降低電網(wǎng)損耗，改善電能質(zhì)量，通常需采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)霓k法。本系統(tǒng)TCR+FC型SVC這種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及濾波裝置來改善電網(wǎng)電能的質(zhì)量，其中TCR部分采用相控電抗器+晶閘管閥組+全數(shù)字控制器+熱管風(fēng)冷系統(tǒng)形式，F(xiàn)C部分采用3、5、7、11次4條支路形式，SVC裝置由FC裝置、TCR裝置及監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成。如圖1所示，SVC裝置由TCR及FC兩部分組成。

(1)FC回路兼顧濾波及提供容性無功功率QFC。(2)TCR回路接成三角形電路，每一邊由反并聯(lián)晶閘管與相等電抗值的二個(gè)電抗器組成一個(gè)交流電壓控制器，通過控制晶閘管的觸發(fā)角α的大小，可使三個(gè)交流控制器的電流從零調(diào)節(jié)到額定值，即改變了TCR回路消耗的感性無功功率QTCR。圖2 中表明觸發(fā)角α與電抗器回路基波電流的對應(yīng)關(guān)系。三次及其整數(shù)倍的諧波是零序電流性質(zhì)，在TCR三角形回路內(nèi)流動(dòng)并不流到電源母線，從圖3可見αmin角設(shè)計(jì)得越小，三次諧波電流就越小，使TCR回路的損耗最小。(3)調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤負(fù)載(具有嚴(yán)重沖擊無功功率)的工作狀態(tài)，發(fā)出與沖擊負(fù)荷相關(guān)的TCR晶閘管的觸發(fā)脈沖。(4)通過光電轉(zhuǎn)換及高壓光纜的傳遞，使觸發(fā)脈沖觸發(fā)各晶閘管。(5)不同的觸發(fā)角，改變了TCR主電抗器的電流量，從而改變了TCR回路的感性無功。(6)通過TCR回路的感性無功功率的跟隨作用，使用戶流入電網(wǎng)的無功功率趨于零(或一定值)即∑Q=QTCR+QFC+QLod≈0(或一定值)。(7)由于調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間＜10毫秒，即實(shí)現(xiàn)了無功功率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。(8)通過調(diào)節(jié)器的檢測、運(yùn)算和調(diào)節(jié)作用，使不平衡負(fù)荷得以平衡，抑制電網(wǎng)的負(fù)序分量。

2.2 SVC裝置原理框圖(圖4)

SVC連接到系統(tǒng)中，電容器提供固定容性無功功率Qc，通過具有完好線性特征的補(bǔ)償電抗器的電流決定了從補(bǔ)償電抗器輸出的感性無功值QTCR，感性無功與容性無功相抵消，只要QN(系統(tǒng))=QV (負(fù)載)-QC+QTCR=恒定值(或0)，功率因數(shù)就能保持恒定，電壓幾乎不波動(dòng)。最重要的是精確控制晶閘管觸發(fā)，獲得所需的電抗器的電流。根據(jù)采集的進(jìn)線電流及母線電壓經(jīng)運(yùn)算后得出要補(bǔ)償?shù)臒o功功率，計(jì)算機(jī)發(fā)出觸發(fā)脈沖、光纖傳輸至脈沖放大單元，經(jīng)放大后觸發(fā)可控硅，得到所補(bǔ)償?shù)臒o功功率。

2.2.1 SVC補(bǔ)償容量的確定

(1)無功沖擊的計(jì)算：兩臺平輥軋機(jī)為交流同步電機(jī)，采用交-交變頻傳動(dòng)，電機(jī)額定功率Ped=4200kW*2=8400kW，其最大有功沖擊及無功沖擊發(fā)生在咬鋼加速度段。

式中：i—咬鋼時(shí)電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)，取i=1.8。

ku—變流器的電壓計(jì)算系數(shù)(整流變二次電壓與電機(jī)額定電壓之比)，取ku=1。

ki—變流器的電流計(jì)算系數(shù)(整流變二次電流與電機(jī)額定電流之比)，ki=0.816(六脈整流)，ki=0.789(十二脈整流)。

立輥主機(jī)、熱鋸主機(jī)、輔傳動(dòng)由于采用交-直-交換能方式，無功沖擊相對較小，因此在計(jì)算SVC的無功補(bǔ)償容量時(shí)，對交流傳動(dòng)軋線可只考慮補(bǔ)償無功：Q＝2.19Mvar。

(2)允許無功變動(dòng)量：10kV Smax為351.2MVA，最小短路容量暫按50%考慮為175.6MVA，折算到10kV母線國標(biāo)允許電壓波動(dòng)為2%，允許無功變動(dòng)為：Qy=175.6×0.02=3.512Mvar。

(3)確定SVC補(bǔ)償容量：Qb=(21.98+2.19-3.512)=20.658Mvar，考慮有功壓降及主變、整流變的無功損耗，所以最終確定FC基波補(bǔ)償容量為20MVar，為防止空載時(shí)無功倒送，TCR補(bǔ)償容量為20MVar。

圖3 中表明TCR回路產(chǎn)生的各次諧波電流與觸發(fā)角α的對應(yīng)關(guān)系

圖4

圖3-1濾波裝置工作原理圖

2.2.2 諧波電流分析

諧波疊加計(jì)算原則：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公共電網(wǎng)諧波》GB/T 14549－93，先計(jì)算每個(gè)諧波源發(fā)生的諧波量，然后對多個(gè)諧波源的同次諧波電流進(jìn)行迭加計(jì)算。

同次諧波電流相位角確定時(shí)采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中： I1n為第一個(gè)諧波源的n次諧波電流， I2n為第二個(gè)諧波源的n次諧波電流，θn兩個(gè)諧波源諧波電流之間的相位角。相位角θn不能確定時(shí)：

3 濾波器設(shè)計(jì)

濾波器設(shè)計(jì)原則：(1)濾波器發(fā)出的無功應(yīng)滿足補(bǔ)償功率因數(shù)、抑制電壓波動(dòng)及閃變的要求；(2)選取的濾波電容器的額定電壓應(yīng)保證濾波器的安全可靠運(yùn)行。

3.1 濾波裝置工作原理

高壓無源濾波裝置一般由多條單調(diào)諧濾波支路，其等效原理圖如圖3-1所示。例如要濾除3、5、7次特征諧波，則只要將各支路的電容電感參數(shù)分別調(diào)諧到150、250及350HZ稍下的頻率，其每條支路在各自的調(diào)諧頻率上總阻抗接近為零(至少遠(yuǎn)小于系統(tǒng)阻抗)，此時(shí)諧波電流就只流入濾波支路而不流入系統(tǒng)，從而達(dá)到濾波的目的。

本技術(shù)方案在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安全因素，在濾波裝置內(nèi)部已經(jīng)將各支路電容電感值分別調(diào)諧到150、250、350及550HZ稍下的頻率，保證濾波器與系統(tǒng)不出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。（如圖3-1）

3.2 濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)原則，諧波電流分析，10kV母線濾波器設(shè)3、5、7、11次共四組濾波通道。根據(jù)注入系統(tǒng)諧波電流的超標(biāo)情況，加裝3次、5次高通和7次、11次單調(diào)諧四組濾波器支路。交交變頻設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流除整數(shù)次諧波較大外，同時(shí)含有0.1～30Hz的“次諧波”和非基波頻率整數(shù)倍的“間諧波”，3次、5次采用高通濾波器，目的是為了拓寬頻帶，濾除諧間波，降低諧振阻抗。FC部分總安裝容量約30Mvar，基波補(bǔ)償容量約20.37Mvar，從濾波效果仿真結(jié)果分析，設(shè)3、5、7、11次共四組濾波通道后，母線諧波電流全部滿足國標(biāo)要求。

4 結(jié)語

通過在軋機(jī)系統(tǒng)上投運(yùn)靜止性動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)，達(dá)到了以下效果：(1)改善功率因數(shù)，減少電費(fèi)開支，降低成本。(2)電網(wǎng)的傳輸損耗減少，從而使電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益提高。(3)增加電網(wǎng)的輸電能力，從而使電網(wǎng)中的電氣設(shè)備容量得到充分利用。(4)抑制電壓波動(dòng)和閃變，濾除高次諧波和抑制諧波引起的電網(wǎng)電壓畸變，提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性。(5)改善負(fù)荷的相間平衡。