SVC 靜止無功補償裝置在軋鋼供電系統(tǒng)中的應用

舒延國

(重慶三環(huán)監(jiān)理咨詢有限公司，重慶 400000)

SVC(Static Var Compensator)，是靜止無功補償裝置的簡稱，區(qū)別于傳統(tǒng)無功補償方式(通過開關投切電容器或通過分接開關調(diào)節(jié)電容器端電壓)，SVC 屬于動態(tài)無功補償產(chǎn)品，它具有最快10 ms 的響應速度。SVC 成套裝置一般由可調(diào)電抗(通過可控硅單元或硅閥調(diào)節(jié))，F(xiàn)C 無源濾波，以及控制和保護系統(tǒng)組成。目前，根據(jù)可調(diào)電抗器的調(diào)節(jié)方式及工作原理不同，又可分為TCR 型(晶閘管控制的電抗器)、TCT 型(晶閘管控制的變壓器)、MCR 型(磁控電抗器)3 種類型。

重慶鋼鐵集團1780 熱軋機電源為35 kV 三個回路進行供電，其中兩個回路作為工作電源為，另一回路作為備用。在兩個工作回路上裝設有SVC 裝置，以對該廠生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的感性無功進行動態(tài)補償。同時，能夠濾除有害的諧波電流。

1 諧波產(chǎn)生的原因

在大型冶金軋機中多采用交-交變頻供電的同步電動機驅(qū)動，在變頻器的變流過程中，電源波形失去正弦形狀而呈階梯形。典型波型見圖1。

在圖中，(a)圖為六脈沖交流電路，整流變壓器為Y/Y組別，變壓器原邊的A 相電流波形，B 相和C 相分別滯后它π/3 和4π/3 電角度。(b)圖中為六脈沖，變壓器組別為Y/△，變壓器的原邊電流波形。(c)圖中為12 脈沖，變壓器組別為Y/Y·△，變壓器原邊電流的波形。

由傅里葉級數(shù)理論，圖1 中(a)圖、(b)圖、(c)圖按奇函數(shù)展開為:

圖1 電源波形示意圖

對于(a)圖，(b)圖有f(x)= b1sinx +b5sin5x +b7sin7x +b11sin11x +b13sin13x +…

其中，則為基波幅值，b1、b5、b7、b11、b13為1 次、5 次、7 次、11次、13 次諧波幅值。

基波用于做功，其余其次諧波將污染電源，必須將其濾除。從值的表達式，可以看出=1/n，可見17 及19 次諧波幅值較小，對電源危害不大，在濾波器設計時可以將其忽略。

對于(c)圖，將其展開為:

可見，采用12 脈沖變流電路，將5、7 次諧波濾除，總的諧波成份將減少很少。

由上分析可知，治理諧波主要對b5、b7、b11、b13，必須把它們從電源中濾除。

2 濾波器工作原理

圖2 中表示了無源濾波器結構，當電抗和電容參數(shù)配置滿足頻率f 諧振，且i1(f)、i2(f)、i3(f)為三相對稱，則它們就流進濾波器;對于“0”點，有:

圖2 無源濾波器基本結構

這時，該次諧波就能被濾除。由前面分析所知，諧波電流為電流源生成，故在濾波過程中，只有少許由于自身體阻抗損耗。

前面列出的5 次、7 次、11 次、13 次諧波均滿足式i1(f)+i2(f)+i3(f)=0，故均可被濾除。其它次諧波如h3、h6、h9等，為零序分量，無法進行濾除。

由此可見，濾波器對特定諧波起到濾波的作用，在接在50 Hz 電源上，有電流產(chǎn)生，一般呈容性，又能起到無功靜止補償作用。

3 濾波器校核

3.1 濾波器

結構簡圖如圖3 所示。

圖3 三次諧波濾波器結構

電抗器參數(shù):35 kV 200 A 47.14 mH

電容器參數(shù):7.3 kV 400 kvar 24 μF

電容器額定電流:Ie=400/7.3 =54.8 A

可允許長期電流:I=4Ie=219.2 A

等效電容值(4 并4 串):C=24 μF

電容可承受電壓:U=4 ×7.3 =29.2 kV

當頻率為f=50 Hz

電抗值:

容抗值:

相電流:

電容器實際承受電壓UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=22.74 kV，相位圖見圖4。

圖4 三次諧波相位

從上面計算，電抗器、電容器均不過載，也不過壓。

補償量計算:

由于h3濾波器的電流為零序，則設置該濾波器有原理性錯誤，故不做諧振校核。

3.2 h5 濾波器

結構簡圖如圖5 所示。

圖5 五次諧波濾波器結構圖

電抗器參數(shù):35 kV 380 A 7.97 mH

電容器參數(shù):6.5 kV 450 kvar 34.78 μF

電容器額定電流:Ie=450/6.5 =69.2 A

可允許長期電流:

I=6Ie=6 ×69.2 A=415.2 A

等效電容值(6 并4 串):

C=6/4 ×34.78 =54.17 μF

容可承受電壓:

U=4 ×6.5 =26 kV

當頻率為f=50 Hz，

電抗值:

XL=2πfL≈2 ×3.14 ×50 ×7.97 ×10-3=2.503 Ω容抗值:

相電流:

電容器實際承受電壓UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U +IXL=21.071 kV，相位圖見圖4。

圖6 五次諧波相位

上面計算，電抗器、電容器可長期工作。

補償量計算:

h5濾波器諧振校核:

XL=5 ×2.503 =12.515 Ω

XC=1/5 ×61.04 =12.208 Ω

由此可見，h5濾波器基本諧振。

3.3 h7 濾波器

結構簡圖如圖7 所示。

圖7 七次諧波濾波器結構

電抗器參數(shù):35 kV 230 A 6.87 mH

電容器參數(shù):6.5 kV 400 kvar 30.45 μF

電容器額定電流:Ie=400/6.5 =61.5 A

可允許長期電流:I=4Ie=246 A

等效電容值(4 并4 串):C=30.45 μF

電容可承受電壓:U=4 ×6.5 =26 kV

當頻率為f=50 Hz，

電抗值:

容抗值:

相電流:

電容器實際承受電壓UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=20.63 kV，相位圖見圖8。

圖8 七次諧波相位

從上面計算，電抗器、電容器均不過載，也不過壓。

補償量計算:

h5濾波器諧振校核:

由此可見，h7濾波器基本諧振核。

3.2 h11濾波器

結構簡圖如圖9 所示。

圖9 11 次諧波濾波器結構

電抗器參數(shù):35 kV 360 A 1.69 mH

電容器參數(shù):6.2 kV 400 kvar 33.12 μF

電容器額定電流:Ie=450/6.2 =63.5 A

可允許長期電流:I=6Ie=381 A

等效電容值(4 并4 串):C=6/4 ×33.12 =49.68 μF

電容可承受電壓:U=4 ×6.2 =24.8 kV

當頻率為f=50 Hz，

電抗值:

容抗值:

相電流:

電容器實際承受電壓UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=20.67 kV，相位圖見圖10。

圖10 11 次諧波相位

從上面計算，電抗器、電容器可長期工作。

補償量計算:

h11濾波器諧振校核:

XL=11 ×0.53 =5.83 Ω

XC=1/11 ×64.1≈5.82 Ω

由此可見，h11濾波器基本諧振。

4 無功平衡計算

1)各組電容器提供容性無功:

2)負載產(chǎn)生無功

根據(jù)交-交變頻器在各參數(shù)額定的情況下，其中cos φ=0.68

負載裝機容量:軋機:

2 ×8 000 +4 ×8 000 +2 ×75 000 +7 000 =70 000 kW

飛剪:2 300 kW

共計:72.3 MW

負載感性無功

由cosφ=0.68，知sinφ=0.75，QL=79.53 Mvar。

3)TCR 提供感性無功

QL=62 Mvar。

4)無功平衡計算

1)變流器工作時，QC=62.55 Mvar，變流器產(chǎn)生無功，QL=40 Mvar。

這時，若保持電源cosφ =1，則TCR 提供無功為QL=62.55 -40 =22.55 Mvar

2)變流器不工作時，QC=62.55 Mvar，TCR 提供無功為QL=62.55 Mvar，兩者基本平衡。

5 結束語

本文對靜態(tài)無功動態(tài)補償裝置(SVC)進行簡單分析，在使用過程證明其能很好地抑制5 次、7 次、11 次諧波，而對3次諧未起作用，因此建議取消3 次諧波裝置。在風電場、冶金、電氣化鐵路，煤炭等工業(yè)領域，應用日益普遍。靜止型動態(tài)無功補償裝置(SVC)能很好解決各種負載所產(chǎn)生的無功沖擊。使電網(wǎng)電壓波動明顯改善，功率因數(shù)明顯提高。因此研究它有著非常大的現(xiàn)實意義。

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