SVG動態無功功率補償裝置在冷軋機組中的應用

劉軼，謝四喜

（1.邯鄲市卓立精細板材有限公司，河北 邯鄲 056700；2.天津市先導倍爾電氣有限公司，天津 300300）

1 引言

某二期工程新建一個35kV變電站，向新設備供電。該變電站進線電壓為35kV，向新區供電電壓采用10kV電壓。其主要負荷為可逆冷軋機組和電鍍錫生產線，還包含若干其他輔助設備。

各機組的負荷情況簡介如下。

1）可逆冷軋機組采用直流電機驅動，通過多臺10／0.63kV以及10／0.4kV 整流變壓器分別向各機組直流電機的整流單元供電，整流單元采用的是反并聯三相全控橋式整流電路。各冷軋機組的主要驅動電機從316kW到1250kW共有21臺，總裝機容量為11234kW。

2）電錫生產線的總裝機容量約15500kW，傳動部分除個別小容量設備采用了直流電機，大多為矢量控制的交流變頻驅動裝置。生產線的工藝段采用了容量很大的低壓大電流的整流設備，整流設備采用的是雙反星形的電路方式；涂鍍后段還有大容量的軟熔設備，該設備采用了V／v連接組別的變壓器，原邊為三相供電，副變輸出為單相。

可逆冷軋設備運行的特點導致了機組的功率因數和諧波含量在一個軋制周期中頻繁變化，而且波動范圍極大。卷取機的功率因數反映到變壓器的原邊基本在0.2左右甚至更低，主機功率因數最高時能夠達到0.8，一般也會在0.5左右，根據以往統計數據估算，月平均自然功率因數為0.59～0.73之間。諧波主要含有5，7，11，13次諧波，諧波含量大約在10%～20%之間。

電鍍錫生產線上雖然工藝整流設備用了多重化的技術能夠有效降低諧波，但是電阻軟溶設備的使用會導致2個方面的問題，1）三相不平衡；2）負荷不穩定，諧波很大，而且無規律。

根據公司的發展規劃，先期上一臺容量為20 000kV·A，35kV／10kV動力變壓器供電，供電系統為2段10kV母線，中間通過母聯開關，實現在一臺20 000kV·A，35kV／10kV動力變壓器時實現10kV母線I，II段同時供電。

2 SVG的原理、特點及發展過程

由于SVG通過電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成交流側與電網同頻率的輸出電壓，如圖1所示，SVG就像一個電壓型逆變器，其交流側輸出接的不是無源負載，而是電網。因此SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器接到電網上。連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個電流就是SVG從電網吸收的電流，因此改變SVG交流側輸出電壓的幅值及其相對于系統的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無功功率的性質和大小。

圖1 SVG電氣原理簡圖Fig.1 SVG electrical principle diagram

靜止無功補償技術經歷了3代：第1代為機械式投切的無源補償裝置，屬于慢速無功補償裝置，在電力系統中應用較早，目前仍在應用；第2代為晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reactor，TCR）與和固定電容器（fixd capacitor，FC）共同構成為代表的靜止型無功補償裝置（static var compensator，SVC），出現于20世紀70年代，國外應用普遍，我國目前主要用于配電系統中，輸電系統中應用很少；第3代為基于電壓源換流器的靜止同步補償器（static synchronous compensator，STATCOM），亦稱SVG，屬快速的動態無功補償裝置，國外從20世紀80年代開始研究，90年代末得到較廣泛的應用。

早期的無功補償裝置主要是無源裝置，方法是在系統母線上并聯或者在線路中串聯一定容量的電容器或者電抗器。這些補償措施改變了網絡參數，特別是改變了諧波阻抗、電氣距離和系統母線上的輸入阻抗。無源裝置使用機械開關，它不具備快速性、反復性、連續性的特點，因而不能實現短時糾正電壓升高或降落的功能。

20世紀70年代以來，以晶閘管控制的電抗器（TCR）、晶閘管投切的電容器（TSC）以及二者的混合裝置（TCR＋TSC）等主要形式組成的靜止無功補償器（SVC）得到快速發展。SVC可以看成是電納值能調節的無功元件，它依靠電力電子器件開關來實現無功調節。SVC作為系統補償時可以連續調節并與系統進行無功功率交換，同時還具有較快的響應速度，它能夠維持端電壓恒定。

SVC雖然能對系統無功進行有效的補償，但是由于換流元件關斷不可控，因而容易產生較大的諧波電流，而且其對電網電壓波動的調節能力不夠理想。隨著大功率全控型電力電子器件GTO，IGBT及IGCT的出現，特別是相控技術、脈寬調制技術（PWM）、4象限變流技術的提出使得電力電子逆變技術得到快速發展，以此為基礎的無功補償技術也得以迅速發展。電壓型的STATCOM（SVG）直流側采用直流電容為儲能元件，通過逆變器中電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成交流側與電網同頻率的輸出電壓。當只考慮基波頻率時，STATCOM 可以看成一個與電網同頻率的交流電壓源通過電抗器聯到電網上。由于STATCOM 直流側電容僅起電壓支撐作用，所以相對于SVC中的電容容量要小得多。此外，SVG和SVC相比，SVG的調節速度更快，運行范圍更寬，而且在采用多重化、多電平或PWM技術等措施后大大減少補償電流中的諧波含量，更重要的是，SVG使用的電抗器和電容器元件比SVC中使用的電抗器和電容器要小，這將大大縮小裝置的體積和成本，SVG具有如此優越的性能，顯示了動態無功補償裝置的發展方向。

3 SVG的特點及組成

3.1 SVG的命名及產品選型

SVGR有源動態無功和諧波補償裝置是由鏈式靜止同步補償（STATCOM／DSTATCOM，又稱為SVG）和固定電容器（FC）共同構成的，按各自容量的不同可組合成各種補償范圍的有源動態無功和諧波補償裝置。

以產品型號 SVG－L10／03－03／H 示例：L 用于負荷（配電）側補償。如果是S則表示用于系統（供電）側補償。其他代表額定電壓為10kV、補償容性容量3Mvar、補償感性容量3Mvar、具有濾波功能。

根據新建35kV變電所發展要求，結合SVGL10系列動態有源動態無功和諧波補償裝置的特點，考慮現場安裝場地及今后擴容發展等因素，在10kV母線上通過高壓開關柜接入固定補償容量6 000kvar的FC，串聯電抗器做成LC 5次濾波支路；提供一套動態補償通過高壓開關柜接入10 kV的SVG裝置，SVG的容量為±6Mvar（可以發6Mvar的感性無功和6Mvar的容性無功），并可以濾除13次以內的諧波，設備型號為SVG－L10／12－0／H，組成無功功率補償范圍0～12Mvar的有源動態無功和諧波補償裝置。圖2為主回路電氣原理圖。

圖2 主回路電氣原理圖Fig.2 Schematic diagram of main circuit

3.2 SVG部分的設備組成

SVG由控制柜、功率柜、啟動柜及聯接電抗器4部分組成。如圖3所示。

圖3 SVG部分電氣原理圖Fig.3 SVG parts electrical principle diagram

控制柜內安裝有SVG控制系統，包括：控制器、脈沖發生器和脈沖分配器。

主控制器安裝于控制柜中，由主控機箱、PLC（可編程邏輯控制器）和觸摸屏等幾個主要部分組成，如圖4所示。各部分功能如下。

1）觸摸屏：人機界面。

2）PLC：控制觸摸屏的顯示與操作，并完成濾波電容器組的投切控制。其中一個RS485串口與主控機箱連接，另一個RS485口與觸摸屏連接。

3）主控機箱：由各功能板卡組成，完成核心的控制功能，采用6U21槽機箱。

圖4 控制器的基本構成圖Fig.4 The basic structure of controller

3.2.2 功率柜——換流鏈

SVG功率模塊如圖5所示。每相采用12個功率模塊串聯（星接），串聯在一起的功率模塊組成換流鏈，三相共36個功率模塊，其中每相有1個是冗余模塊。換流鏈通過連接電抗器接入電網。SVG采用自勵啟動及鏈節自取電技術，每個鏈節從自身和相鄰鏈節取得控制電源，使得可以實現N＋1冗余運行。

1）模塊控制采用大規模FPGA芯片載波移相多電平空間矢量PWM控制策略，電路簡單，抗干擾能力強，可靠性高。

2）采用自勵啟動技術，使得裝置投入時沖擊電流小。

3）模塊面板共4個電氣端子，4個光纖端子，接線簡單，還設有若干狀態及故障指示燈，方便維護及檢修。

4）由IGBT組成的H橋電路輸出的交流逆變電壓相位和幅值可靈活控制，從而實現動態提供容性或者感性無功的功能。

功率模塊如圖6所示。

圖6 功率模塊的聯接示意圖Fig.6 Schematic diagram of power module

通過數字信號處理器（DSP）根據主控制器的調制比M和相角差δ生成參考電壓矢量，按照參考電壓分解的調制方法計算各開關狀態和作用時間，并通過數據總線發送給FPGA，從而決定各橋臂開關的脈沖，脈沖經分配處理后驅動IGBT。如果采用基于載波移相的SVM，N個逆變橋載波相互錯開2π／N角度，總的輸出電壓可以有效地消除低次諧波。其輸出波形如圖7所示。

圖7 單個功率模塊的輸出波形Fig.7 The single power module output waveforms

經疊加后形成的波形如8所示。

圖8 經疊加后形成的波形圖Fig.8 Superposed waveform graph

3.2.3 連接電抗器

SVG的連接電抗器（將裝置接入系統的連接橋梁）由3臺單相空心電抗器組成，戶內安裝，電抗器的額定容量為SVG裝置額定容量的12%。

3.2.4 啟動柜

SVG啟動部分結構簡單，由電動隔離開關和電阻并聯構成。啟動柜僅在SVG投運前投入工作，SVG投運后啟動柜內隔離開關閉合，啟動柜被旁路。啟動柜主要作用是限制SVG送電時每個鏈節上直流電容的充電電流，避免電流過大導致IGBT模塊或直流電容損壞。

3.3 產品特點

3.3.1 動態補償裝置采用了鏈式結構

將多個兩電平H橋電路串聯起來，達到電壓疊加的目的。與傳統的多重化變流器技術方案相比，鏈式結構的SVG省略了多重化連接變壓器，不但減小了占地面積，降低了裝置成本，而且避免了多重化逆變變壓器激磁回路中剩磁和飽和非線性導致的裝置過電壓和過電流。在接入系統受到擾動時，鏈式電路可以分相進行控制以便更好地提供電壓支撐作用。不僅如此，采用鏈式結構的SVG還可以降低功率器件的開關頻率，降低開關損耗。

鏈式的諧波特性優于其它結構。采用SP－WM（正弦脈寬調制）或SHEPWM（特定消諧），通過高的開關頻率或優化的IGBT開關角極大降低了諧波含量，有效利用直流側電壓、減小對電網的污染和裝置自身損耗，并能做到短時有功及諧波補償，諧波完全符合國標。

3.3.2 SVG的鏈式模塊串聯的均壓特點

鏈節模塊的串聯是多個逆變電源的串聯，而不是IGBT的直接串聯，所以并不需要模塊的一致性，而且每個模塊的脈沖錯開一定的角度，即IGBT并非同時導通，所以產生過電壓的機會并不多。采用脈沖循環控制機制，直流側電壓波動在5%范圍之內。

3.3.3 具備諧波補償功能

當需要補償負載所產生的諧波電流時，SVG檢測出補償對象負載電流的諧波分量，將其反極性后作為補償電流的指令信號，由補償電流發生電路產生的補償電流與負載電流中的諧波分量大小相等、方向相反，因而兩者互相抵消，使得電源電流只含基波，不含諧波。諧波補償電氣原理簡圖見圖9。

3.3.4 SVG產品技術特點

圖9 諧波補償電氣原理簡圖Fig.9 Harmonic compensation electrical principle diagram

1）控制系統采用全數字化設計，采用DSP＋FPGA＋CPLD的硬件模式，能夠并行處理大量數據、實時數字運算，運算結果精度高，響應速度快。

2）控制系統和逆變器之間采用的光纖傳輸信號，徹底解決高低壓隔離問題，避免電磁信號的干擾，SVG工作更加穩定可靠。

3）監控系統具有友好的人機界面，便于控制和查詢故障類型和故障位置。監控及保護系統通過通訊管理單元與上級自動化系統實現通訊，通訊管理單元主要完成規約轉換的功能，這樣可以實現遠方監視和控制，實現無人值守。

4）動態補償。可同時對無功功率和諧波進行補償，且補償無功功率可做到連續平滑雙向調節。

5）節能降耗。通過無功及諧波補償，不僅減少無功損耗，避免諧波在變壓器內造成更大損耗，還可以提高電氣設備利用率，提高單位時間內注入設備的有功功率，工作效率大大提高，節能降耗的效果顯著。

6）安全穩定性好。傳統的補償系統均屬于阻抗型補償裝置，對系統參數很敏感，當參數配置不合理、或者一段時間后，系統參數發生變化，很容易引起系統諧振或諧波電流放大，這也是一些傳統補償設備經常運行不正常的重要原因之一。諧振或諧波電流放大不僅危害補償系統自身的設備安全，對系統其他設備的安全也是隱患。

SVG是電流可控型，對系統參數不敏感，不會與電網阻抗發生諧振，發生諧波放大的情況；即使補償對象電流過大，SVG也不會發生過載，并能正常發揮補償作用，動態連續平滑的發（吸）無功，補償電流完全可控，不存在過功率因數過補償現象，不會出現無功反送的情況。能夠跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響。

7）響應時間短。SVG的響應時間不大于10 ms，對于快速暫態過程，有著重要的響應速度優勢。對于閃變補償而言，在無功容量足夠的情況下，補償裝置輸出無功的響應時間是閃變補償效果的主要決定因素。在相同的補償容量下，響應時間越小的補償裝置對電壓閃變的補償效果越好；在同等閃變抑制要求下，響應時間越小的補償裝置所需要的補償容量也越小。

8）占地面積小。SVG以半導體功率器件構成的逆變器為核心，使用直流電容器儲能，無體積龐大的濾波支路和電抗器，特別適合于對占地面積要求較高的場合。

4 結論

通過使用XDSVG－L10系列動態有源動態無功和諧波補償裝置，10kV母線功率因數大于0.95，且無過補現象，電網電壓波動小于2%，諧波含量優于國家標準，設備運行穩定可靠，占地面積小，今后擴容更加方便，投資更加節省。為使用單位創造了可觀的經濟效益。

［1］王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］劉文華，宋強，滕樂天，等。基于鏈式逆變器的50MV·A STATCOM的直流電壓平衡控制［J］.中國電機工程學報，2004，24（4）：145－150.