靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償在10kV電網(wǎng)中的應(yīng)用

吳 寧

（揚(yáng)州環(huán)洲船用材料有限公司，江蘇 揚(yáng)州 210044）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速的性能與成本已能和直流調(diào)速競(jìng)爭(zhēng)，而交流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作量卻大大少于直流電動(dòng)機(jī)，所以交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為趨勢(shì)。例如，在新建有色和黑色金屬加工生產(chǎn)線(xiàn)上，大型軋機(jī)的電氣傳動(dòng)都采用了交-交變頻控制技術(shù)，我公司新投建的850軋機(jī)也采用了交-交變頻控制技術(shù)。

然而新技術(shù)的應(yīng)用，在實(shí)踐過(guò)程中也出現(xiàn)了新的問(wèn)題，主要是用電負(fù)荷的電流波形中含有沖擊無(wú)功分量和豐富的諧波分量，這些都對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重污染。為此我公司根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際污染情況，就軋機(jī)負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的無(wú)功功率沖擊與諧波進(jìn)行了分析，提出了采用靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)(SVC)的技術(shù)方案，既抑制了由于沖擊性無(wú)功功率引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，又對(duì)諧波進(jìn)行了治理。

2 SVC系統(tǒng)的控制原理及組成

（1）系統(tǒng)的控制原理

SVC系統(tǒng)常用的主要有兩種方法，我公司采用的是晶閘管控制相控電抗器方法（又稱(chēng)TCR）。控制原理：根據(jù)用電設(shè)備負(fù)載的無(wú)功功率情況，用連續(xù)調(diào)節(jié)與電抗器串聯(lián)的晶閘管的觸發(fā)延遲角來(lái)控制自身電抗器的感性無(wú)功功率。當(dāng)負(fù)載的無(wú)功功率大時(shí)，電抗器的無(wú)功功率就小；而當(dāng)負(fù)載的無(wú)功功率小時(shí)，電抗器的無(wú)功功率就大；使負(fù)載的無(wú)功功率加上電抗器的無(wú)功功率之和保持基本不變。對(duì)電網(wǎng)而言，雖然總的無(wú)功功率是增加了，但對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功功率波動(dòng)（沖擊）卻是減少了，電網(wǎng)電壓波動(dòng)也就減少了。

如圖1所示。圖中TCR控制器的輸入是負(fù)載的無(wú)功功率分量Qf和給定的允許無(wú)功功率沖擊量△Q*，其輸出是晶閘管裝置的觸發(fā)延遲角α，即相當(dāng)于TCR動(dòng)補(bǔ)裝置輸出的感性補(bǔ)償無(wú)功功率QTCR。控制器比較△Q*和Qf，當(dāng)Qfmax-Qf=△Q≤△Q*(Qfmax負(fù)載的最大無(wú)功分量)時(shí)，控制器輸出的α使QTCR等于零。當(dāng)△Q＞△Q*時(shí)，控制器輸出的α使QTCR等于△Q=△Q*。當(dāng)△Q=Qfmax(即Qf=0)時(shí)，控制器輸出的α使QTCR等于Qfmax-△Q*，TCR動(dòng)補(bǔ)裝置輸出的感性補(bǔ)償無(wú)功功率達(dá)到其最大值。這樣就可以保證當(dāng)負(fù)載的無(wú)功功率分量Qf在0～Qfmax之間波動(dòng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功功率波動(dòng)始終不會(huì)大于給定的允許無(wú)功功率沖擊量△Q*。

除了抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)，還要就負(fù)載和TCR補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)（cosφ）。通常采取在電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)無(wú)源濾波器來(lái)抑制進(jìn)入電網(wǎng)的諧波電流，同時(shí)無(wú)源濾波器對(duì)基波而言呈容性，即能提供容性的無(wú)功功率，從而提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)。

（2）系統(tǒng)的組成

SVC系統(tǒng)包括濾波電路、晶閘管控制的相控電抗器（又稱(chēng)TCR）電路、晶閘管控制單元。濾波電路根據(jù)負(fù)載和TCR補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的諧波電流，來(lái)確定各次諧波濾波電路及補(bǔ)償功率。我公司采用了3、5、7、11次濾波電路，每次濾波電路由電抗器和電容器串聯(lián)形成。TCR電路采用了三角形回路，每一支回路為雙電抗器串聯(lián)晶閘管接線(xiàn)方式。系統(tǒng)主回路接線(xiàn)方式如圖2所示。

晶閘管控制單元包括控制柜、脈沖柜和功率單元組成。控制柜作用是采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流信號(hào)，計(jì)算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況。脈沖柜作用是將觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換為符合要求的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)晶閘管觸發(fā)。功率單元包括晶閘管、熱管散熱器、熱管阻容保護(hù)、熱管擊穿檢測(cè)等等。控制單元如圖3所示。

3 SVC系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算

以我公司新投建的850軋機(jī)主傳動(dòng)為同步電動(dòng)機(jī)為例，采用交-交變頻器供電，電網(wǎng)供電單線(xiàn)圖如圖4所示。

主要用電設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

主傳動(dòng)電機(jī)5000kW，1650V，1815A一臺(tái)。

主傳動(dòng)三裂解變壓器3×3300kVa，10kV/1150V一臺(tái)。

主傳動(dòng)勵(lì)磁整流變壓器450kVa，10kV/550V一臺(tái)。

10kV母線(xiàn)的短路電流最大運(yùn)行方式11kA，最小運(yùn)行方式8.6kA。

（1）無(wú)功功率沖擊與電壓波動(dòng)

以軋機(jī)主傳動(dòng)2.5倍過(guò)載作為最大的無(wú)功功率沖擊，其他用電設(shè)備的無(wú)功功率沖擊很小，可以不考慮。

有功功率

視在功率

無(wú)功功率

注：Pn為主傳動(dòng)電機(jī)額定功率，kW；In為主傳動(dòng)電機(jī)額定電流，A；U2為主傳動(dòng)變壓器二次線(xiàn)電壓，kV。

10kV母線(xiàn)短路容量按最小運(yùn)行方式計(jì)算

10kV母線(xiàn)電壓波動(dòng)

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求10kV母線(xiàn)電壓波動(dòng)為3%以?xún)?nèi)，現(xiàn)已超過(guò)較多，因此需要?jiǎng)討B(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

（2）所需的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償量

10kV母線(xiàn)允許的無(wú)功功率沖擊量為

所需動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償量為

采用TCR補(bǔ)償方式，TCR的無(wú)功補(bǔ)償量取9 M var即可。

（3）注入電網(wǎng)的總諧波電流

由于軋機(jī)主傳動(dòng)交流同步電動(dòng)機(jī)系交-交變頻器供電，有3次諧波存在，以電動(dòng)機(jī)額定電流為基準(zhǔn)，參考計(jì)算機(jī)紡真所得結(jié)論計(jì)算諧波電流值見(jiàn)表1。

表1

TCR動(dòng)補(bǔ)裝置產(chǎn)生的諧波電流

相控電抗器的基波額定電流

為提高動(dòng)態(tài)性能，相控電抗器的相對(duì)阻抗取70%，TCR動(dòng)補(bǔ)裝置各次最大諧波電流分別為

注入電網(wǎng)的總諧波電流

由于TCR也產(chǎn)生諧波電流，當(dāng)TCR輸出最大時(shí)，軋機(jī)負(fù)載正好是最小，而軋機(jī)負(fù)載最大時(shí)，TCR輸出卻是最小，所以軋機(jī)負(fù)載和TCR輸出不可能同時(shí)最大。因此在計(jì)算注入電網(wǎng)的總諧波電流時(shí)，應(yīng)該把軋機(jī)負(fù)載和TCR的諧波電流進(jìn)行比較，取其大值作為注入電網(wǎng)的總諧波電流。

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)比較，軋機(jī)負(fù)載各次諧波電流均大于TCR各次諧波電流，因此注入電網(wǎng)的總諧波電流為：∑I3=21.5A；∑I5=80.32A；∑I7=59.94A；∑I11=36.9A；∑I13=28.67A；∑I17=18.69A；∑I19=16.52A；∑I23=12.2A；∑I25=10.89A。

（4）無(wú)濾波器時(shí)10kV母線(xiàn)的電壓畸變率按最小運(yùn)行方式計(jì)算，10kV母線(xiàn)的阻抗為：XS=U2/ Skmin=102/149=0.6711?，各次諧波電流造成的10kV母線(xiàn)電壓畸變率為

THD=11.61%，對(duì)于10kV電網(wǎng)，總電壓畸變率不得超過(guò)4%。現(xiàn)已超標(biāo)較多，因此需加濾波器進(jìn)行諧波治理。

（5）濾波器的無(wú)功補(bǔ)償量

由于交-交變頻器有頻譜較廣的旁頻，而且有頻率較低的旁頻，所以應(yīng)設(shè)置帶高通的濾波支路。而3次、5次、7次、11次的諧波電流較大，故設(shè)置3次、5次、7次、11次4個(gè)濾波支路。

TCR的無(wú)功補(bǔ)償量是9Mvar，對(duì)電網(wǎng)而言，負(fù)載的無(wú)功功率加上TCR的無(wú)功功率基本上是一個(gè)恒定的滯后無(wú)功功率，功率因數(shù)很差，需要利用濾波器把該滯后無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)簟ＭǔＨV波器應(yīng)有的無(wú)功補(bǔ)償量與TCR的無(wú)功補(bǔ)償量相等。各濾波支路分配的無(wú)功補(bǔ)償量Qkh=QK×(Ih/h)/ ∑(Ih/h)，式中∑(Ih/h)=∑I3/3+∑I5/5+∑I7/7+…+∑I25/25=21.5/3+80.32/5+59.94/7+…+10.89/25=40.294A。

（6）相控電抗器參數(shù)

TCR的無(wú)功補(bǔ)償量為Qk=9M var，接線(xiàn)方式采用三角形聯(lián)結(jié)，則相控電抗器的額定電流應(yīng)為

如前所述，取相控電抗器的相對(duì)阻抗為ZTCR%=70%，則相控電抗器的基波阻抗值電感值應(yīng)為Z=UZTCR%/ IN=10×103×70%/300=2.33?，相控電抗器的電感值為

LTCR=Z/(2πf)=2.33×103/(2×3.14×50)=7.42mh為減少短路危險(xiǎn)性，將每相的相控電抗器一分為二，每個(gè)相控電抗器的數(shù)據(jù)為額定電流：350A；電感值3.8mh。

4 效果測(cè)試

通過(guò)系統(tǒng)的安裝調(diào)試、投運(yùn)和對(duì)10kV電網(wǎng)的測(cè)試，得出以下結(jié)論：

（1）靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)(SVC)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快，大大滿(mǎn)足了軋機(jī)的沖擊負(fù)荷的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

（2）控制系統(tǒng)采用三相全控的數(shù)字控制裝置，比以往的模擬控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，響應(yīng)時(shí)間快。

（3）監(jiān)控裝置可以隨時(shí)直觀的查看系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、曲線(xiàn)、歷史紀(jì)錄、故障記錄等，方便了日常維護(hù)。

（4）SVC系統(tǒng)容量的選擇是足夠的，投入使用后，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，電網(wǎng)質(zhì)量也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)要求，功率因數(shù)(cosφ)達(dá)到0.92以上。

5 應(yīng)用效益

（1）直接效益

同樣以850軋機(jī)主傳動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)為例。

1）SVC系統(tǒng)未投用之前，10kV電網(wǎng)的功率因數(shù)(cosφ=0.7)左右，按負(fù)載率80%計(jì)，有功功率P=5000×0.8=4000kW，視在功率S=P/cosφ=4000/0.7=5714kVA。每月生產(chǎn)按26天計(jì)，每天生產(chǎn)16h，每月用電量5714×26×16=2377024kW·h，10kV電價(jià)平均為0.63元/kW·h，每月電費(fèi)為0.63×2377024=1497525.12元。由于功率因數(shù)未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電費(fèi)增加10%，每月總電費(fèi)為1497525.12×(1+10%)=1647277.63元。

2）SVC系統(tǒng)投用之后，10kV電網(wǎng)的功率因數(shù)(cosφ=0.92)，按負(fù)載率80%計(jì)，有功功率P=5000×0.8=4000kW，視在功率S=P/ cosφ=4000/0.92=4348kVA。每月生產(chǎn)按26天計(jì)，每天生產(chǎn)16h，每月用電量4348×26×16=1808768kW·h，10kV電價(jià)平均為0.63元/kW·h，每月電費(fèi)為0.63×1808768=1139523.84元。由于功率因數(shù)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電費(fèi)減少0.3%，每月總電費(fèi)為1139523.84×(1-0.3%)=1136105.27元。

3）所以安裝了一套靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)(SVC)，每月節(jié)約電費(fèi)支出1647277.63-1136105.27=511172.36元。而一套靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)價(jià)值200萬(wàn)元左右，只要4個(gè)月就可收回設(shè)備成本。

（2）間接效益

1）無(wú)功功率和母線(xiàn)電壓波動(dòng)的明顯減少，降低了變壓器及用電設(shè)備的自身?yè)p耗，提高了使用效率。

2）諧波的治理和母線(xiàn)電壓畸變率的明顯減少，減少了通信信號(hào)的干擾，提高了自動(dòng)控制系統(tǒng)及電氣測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確率，同時(shí)延長(zhǎng)了用電設(shè)備的使用壽命。

[1] GB/T 14549-1993.電能質(zhì)量.公用電網(wǎng)諧波.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993.

[2] GB 12326-2000. 電能質(zhì)量.電壓波動(dòng)和閃變.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

[3] GB 10236-1998.半導(dǎo)體電力變流器與電網(wǎng)互相干擾及其防護(hù)方法導(dǎo)則. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.

[4] 供電營(yíng)業(yè)規(guī)則.電力工業(yè)部1996年發(fā)布施行.

[5] 王兆安等編著. 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[6] 馬小亮著. 大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù),北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.