静止型动态无功补偿装置(SVC)在轧机系统中的应用

王长波 车正军 金蔓辰

(东北特殊钢集团有限责任公司,辽宁大连 116000)

静止型动态无功补偿装置(SVC)在轧机系统中的应用

王长波 车正军 金蔓辰

(东北特殊钢集团有限责任公司,辽宁大连 116000)

文章介绍了静止型动态无功补偿装置(SVC)原理,论述了SVC在轧机系统中的应用情况。

SVC TCR FC 电容器 电抗器

1 系统概述

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，并且可以避免造成过大的电压降，这就是无功补偿。

东北特钢集团大连基地环保搬迁项目扁钢轧机平辊驱动为两台容量分别为4200kW的同步电机，立辊驱动为四台容量分别为400kW的三相异步变频电机，辅传动(主要是辊道)驱动为三相异步变频电机，三台热锯主电机为480kW的三相异步变频电机。

变频调速的电机是典型的非线性负荷，在运行过程中会产生大量的谐波和谐间波向电网渗透，主传电机在轧制过程中还会产生无功冲击，造成电压波动和闪变，负荷的功率因数也较低，增加了供配电系统的损耗。为减轻这些不利影响，满足国家有关电能质量标准的要求，需要在10kV母线装设一套静止型动态无功补偿装置(SVC)。

2 SVC动态补偿原理

2.1 SVC动态补偿基本原理

为了消除电网污染和降低电网损耗，改善电能质量，通常需采用动态无功补偿的办法。本系统TCR+FC型SVC这种动态无功补偿及滤波装置来改善电网电能的质量，其中TCR部分采用相控电抗器+晶闸管阀组+全数字控制器+热管风冷系统形式，FC部分采用3、5、7、11次4条支路形式，SVC装置由FC装置、TCR装置及监控计算机系统三部分组成。如图1所示，SVC装置由TCR及FC两部分组成。

(1)FC回路兼顾滤波及提供容性无功功率QFC。(2)TCR回路接成三角形电路，每一边由反并联晶闸管与相等电抗值的二个电抗器组成一个交流电压控制器，通过控制晶闸管的触发角α的大小，可使三个交流控制器的电流从零调节到额定值，即改变了TCR回路消耗的感性无功功率QTCR。图2 中表明触发角α与电抗器回路基波电流的对应关系。三次及其整数倍的谐波是零序电流性质，在TCR三角形回路内流动并不流到电源母线，从图3可见αmin角设计得越小，三次谐波电流就越小，使TCR回路的损耗最小。(3)调节器自动跟踪负载(具有严重冲击无功功率)的工作状态，发出与冲击负荷相关的TCR晶闸管的触发脉冲。(4)通过光电转换及高压光缆的传递，使触发脉冲触发各晶闸管。(5)不同的触发角，改变了TCR主电抗器的电流量，从而改变了TCR回路的感性无功。(6)通过TCR回路的感性无功功率的跟随作用，使用户流入电网的无功功率趋于零(或一定值)即∑Q=QTCR+QFC+QLod≈0(或一定值)。(7)由于调节器的动态响应速度快，响应时间＜10毫秒，即实现了无功功率的实时动态补偿。(8)通过调节器的检测、运算和调节作用，使不平衡负荷得以平衡，抑制电网的负序分量。

2.2 SVC装置原理框图(图4)

SVC连接到系统中，电容器提供固定容性无功功率Qc，通过具有完好线性特征的补偿电抗器的电流决定了从补偿电抗器输出的感性无功值QTCR，感性无功与容性无功相抵消，只要QN(系统)=QV (负载)-QC+QTCR=恒定值(或0)，功率因数就能保持恒定，电压几乎不波动。最重要的是精确控制晶闸管触发，获得所需的电抗器的电流。根据采集的进线电流及母线电压经运算后得出要补偿的无功功率，计算机发出触发脉冲、光纤传输至脉冲放大单元，经放大后触发可控硅，得到所补偿的无功功率。

2.2.1 SVC补偿容量的确定

(1)无功冲击的计算：两台平辊轧机为交流同步电机，采用交-交变频传动，电机额定功率Ped=4200kW*2=8400kW，其最大有功冲击及无功冲击发生在咬钢加速度段。

式中：i—咬钢时电动机的过载倍数，取i=1.8。

ku—变流器的电压计算系数(整流变二次电压与电机额定电压之比)，取ku=1。

ki—变流器的电流计算系数(整流变二次电流与电机额定电流之比)，ki=0.816(六脉整流)，ki=0.789(十二脉整流)。

立辊主机、热锯主机、辅传动由于采用交-直-交换能方式，无功冲击相对较小，因此在计算SVC的无功补偿容量时，对交流传动轧线可只考虑补偿无功：Q＝2.19Mvar。

(2)允许无功变动量：10kV Smax为351.2MVA，最小短路容量暂按50%考虑为175.6MVA，折算到10kV母线国标允许电压波动为2%，允许无功变动为：Qy=175.6×0.02=3.512Mvar。

(3)确定SVC补偿容量：Qb=(21.98+2.19-3.512)=20.658Mvar，考虑有功压降及主变、整流变的无功损耗，所以最终确定FC基波补偿容量为20MVar，为防止空载时无功倒送，TCR补偿容量为20MVar。

图3 中表明TCR回路产生的各次谐波电流与触发角α的对应关系

图4

图3-1滤波装置工作原理图

2.2.2 谐波电流分析

谐波叠加计算原则：根据国家标准《电能质量 公共电网谐波》GB/T 14549－93，先计算每个谐波源发生的谐波量，然后对多个谐波源的同次谐波电流进行迭加计算。

同次谐波电流相位角确定时采用下式进行计算：

式中： I1n为第一个谐波源的n次谐波电流， I2n为第二个谐波源的n次谐波电流，θn两个谐波源谐波电流之间的相位角。相位角θn不能确定时：

3 滤波器设计

滤波器设计原则：(1)滤波器发出的无功应满足补偿功率因数、抑制电压波动及闪变的要求；(2)选取的滤波电容器的额定电压应保证滤波器的安全可靠运行。

3.1 滤波装置工作原理

高压无源滤波装置一般由多条单调谐滤波支路，其等效原理图如图3-1所示。例如要滤除3、5、7次特征谐波，则只要将各支路的电容电感参数分别调谐到150、250及350HZ稍下的频率，其每条支路在各自的调谐频率上总阻抗接近为零(至少远小于系统阻抗)，此时谐波电流就只流入滤波支路而不流入系统，从而达到滤波的目的。

本技术方案在设计时考虑到安全因素，在滤波装置内部已经将各支路电容电感值分别调谐到150、250、350及550HZ稍下的频率，保证滤波器与系统不出现谐振现象。（如图3-1）

3.2 滤波器设计

根据滤波器设计原则，谐波电流分析，10kV母线滤波器设3、5、7、11次共四组滤波通道。根据注入系统谐波电流的超标情况，加装3次、5次高通和7次、11次单调谐四组滤波器支路。交交变频设备产生的谐波电流除整数次谐波较大外，同时含有0.1～30Hz的“次谐波”和非基波频率整数倍的“间谐波”，3次、5次采用高通滤波器，目的是为了拓宽频带，滤除谐间波，降低谐振阻抗。FC部分总安装容量约30Mvar，基波补偿容量约20.37Mvar，从滤波效果仿真结果分析，设3、5、7、11次共四组滤波通道后，母线谐波电流全部满足国标要求。

4 结语

通过在轧机系统上投运静止性动态无功补偿装置(SVC)，达到了以下效果：(1)改善功率因数，减少电费开支，降低成本。(2)电网的传输损耗减少，从而使电网的经济效益提高。(3)增加电网的输电能力，从而使电网中的电气设备容量得到充分利用。(4)抑制电压波动和闪变，滤除高次谐波和抑制谐波引起的电网电压畸变，提高电网运行安全性。(5)改善负荷的相间平衡。