某集團礦業有限公司東鞍山燒結廠移動式SVG補償站應用

楊玉武 宋愛民

【摘要】本文通過東鞍山燒結廠因提高產能需要，增設一套移動式SVG高壓靜止無功發生裝置，設備投運后，設備對大小和頻率都有變化的諧波、無功功率以及三相不平衡進行實時跟蹤補償，從而為電網和用電負荷提供快速動態無功補償和諧波濾除，有效提高電網電壓暫態穩定性、抑制母線電壓閃變提高功率因數，取得了良好的運營效果和經濟效益。

【關鍵詞】礦山 燒結廠 供電系統 SVG靜止無功發生裝置

1、燒結廠概況

東鞍山燒結廠是鞍鋼礦山公司的大型選礦廠之一，已有40年的生產歷史，選礦車間耗電占全公司用電的30%左右，磨礦占選礦耗電的50%以上。主要負載以燒結機，上料系統、配料室配、料系統、一次混合、二次混合、燒結、環冷、篩分系統，各系統之間以皮帶連接，輔助設備有循環水、余熱利用、煤氣預熱爐、除塵系統等。

由于提高產能要求，既有配電室已經無法提供設備安裝空間，本次提升改造以移動式，無功補償配電站形式裝備燒結廠。高寒地區的高壓動態無功補償室外使用案例較少，對設備的質量和運行效果都是一種考驗。

2、供電基本參數描述：

東燒結廠7#進線母線進線端電壓畸變率大約為0.7%，東燒結廠8#進線母線進線端電壓畸變率大約為0.5%，符合國標（4%以內）;

東燒結廠7#進線母線負載率低，進線電流正常運行250A左右，電流畸變率大約為3.7%，諧波電流不大。

東燒結廠8#進線母線進線電流正常運行60A左右，電流畸變率大約為1.5%，諧波電流不大。

整體電能：7#線最大負荷4000KW，需補償1200kvar～1500kvar，，最高功率因數0.87，最低0.83。

8#線最大負荷6000KW，需補償2400kvar～3000kvar，8#線最高功率因數0.81，最低0.76。

3、SVG靜止無功發生裝置改造的意義：

東鞍山燒結廠配電系統中，系統功率因數較低，低功率因數會導致增加線路損耗，占用變壓器設備容量，增加企業的電費開支，加大生產成本，因此，無論從提高用電設備的利用率，降低線路損耗，還是從提高供配電系統的穩定性來考慮，都應該進行電能質量的治理。合理的提高功率因數，可以提高用電設備的有效容量和效率，減少線路損耗、設備浪費和電能損失，節約用電成本，得到一個安全、潔凈的用電環境。

7#增設一套10KVSVG1.5M移動箱式補償站、8#增設一套10KVSVG3M移動箱式補償站，投運當月功率因數為0.97，每月節約電量5%以上。經過一年的運行，設備對高寒地區的環境適應性非常好，低溫運行狀態良好。

4、SVG靜止無功發生器工作原理

SVG——靜止無功發生器（Static Var Generator， 簡稱SVG）是當今無功補償領域最新技術的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統（FACTS）的重要組成部分。SVG并聯于電網中，相當于一個可控的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償電網系統所需無功功率以及諧波濾除，對電網無功功率、諧波實現動態無級補償。

SVG利用大功率電力電子器件（如IGBT）組成自換相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。

圖1 SVG工作原理

5、裝置構成

單臺HTSVG裝置結構如下圖所示。裝置由控制柜、功率柜、啟動柜和連接電抗器（或變壓器）組成。

圖2成套裝置結構圖

6、技術優勢

SVG是目前最為先進的無功補償裝置，基于電壓源型逆變器的補償裝置實現了無功補償方式質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。從技術上講，HTSVG較傳統的無功補償裝置有如下優勢：

（1）響應速度更快

SVG響應時間：≤5ms。

傳統SVC響應時間： ≥20ms（太快可能引起電抗和電容器產生振蕩）。

SVG可在極短的時間之內完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉換，這種無可比擬的響應速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。

（2）電壓閃變抑制能力更強

SVC對電壓閃變的抑制最大可達2：1，SVG對電壓閃變的抑制可以達到5：1，甚至更高。SVC受到響應速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會隨補償容量的增加而增加。而SVG由于響應速度極快，增大裝置容量可以繼續提高抑制電壓閃變的能力。

（3）運行范圍更寬

SVG輸出電流不依賴于電壓，表現為恒流源特性，能夠在額定感性到額定容性的范圍內工作，具有更寬的運行范圍。而SVC本質是阻抗型補償，輸出電流和電壓成線性關系。因此系統電壓變低時，同容量SVG可以比SVC提供更大的補償容量，電壓電流特性如下圖所示：（SVG若配合同容量固定電容器可構成0-2倍容量的動態容性無功補償器，性價比更高。）

（4）補償功能多樣化

HTSVG不僅具有快速補償系統無功功率的目的，還能夠根據用戶實際需要，對負荷諧波電流、負序電流等電能質量問題進行綜合補償。

（5）優異的諧波輸出特性

HTSVG采用了載波移相PWM技術和功率單元級聯多電平技術，自身產生的諧波含量極低，裝置輸出側無需濾波器。

SVG既可以輸出近似正弦波的無功電流（不含諧波，用于電網補償），也可以輸出設定次數的諧波電流（用于負荷諧波濾波），即SVG輸出電流是完全有源可控的，完全滿足用戶的需要;而SVC產生大量不可控的諧波電流，又附帶大量不可控的無源濾波支路來實現自身產生的諧波電流的濾波。

（6）占地面積小

由于無需高壓大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%。

（7）、更高效率、更低損耗

多個H橋功率單元級聯多電平技術和載波移相PWM調制技術，輸出電壓、電流諧波畸變率低，諧波損耗小，系統損耗小;

多DSP和FPGA協同控制，控制精度高、速度快;

同時濾除多達20種諧波，最高可濾除至25次諧波，且可對每次諧波進行單獨設定。

7、無功補償的節能效益分析（以7號線為例計算）

根據目前系統電能質量情況，靜止無功發生器容量為1500kvar，有功平均功率為3600KW，功率因數取cosφ取0.84計算，補償后目標功率因數大于0.95以上，治理后對整個配電系統有以下的益處。

（1）、 降低線路功率損耗線路損耗降低28%。

設輸電線路導線電阻R，其功率損耗為：

ΔP=3I2R=3

式中：U―線路線電壓;I-線路電流;R-每相線路電阻;

P-線路有功功率;Q-線路無功功率;cosφ-線路功率因數

由上式可以看出，在電路電壓U，傳送的有功功率P不變的情況下，對由相同線路電阻R的線路，線路損耗ΔP和cosφ的平方成反比。負荷的功率因數高時，流過輸電線中的電流就越小，供配電線路的電能損失就越小。ΔP（0.84/0.95）^2≈0.78ΔP

補償后損耗為原來78%，配電線路損耗降低28%。

增加電網的傳輸能力、提高電源設備利用率，提高11%帶載率。

若P1和P2分別為補償前后的有功功率，cosφ1和cosφ2分別為補償前后的功率因數，線路傳輸的有功功率增量為：

ΔP=P2-P1=S（cosφ2-cosφ1）= S（0.95-0.84）=0.11S

從上式可以看出，在視在功率S（也可以認為電路電流）不變的前提下，線路傳輸增加值為ΔP，從而提高了設備的利用率。

（2）、 減小電源設備容量，減少4%設備容量。

在保證有功負荷P不變的情況下，增加無功功率后，可以減小設備的容量為：

ΔS=P（1/ cosφ1-1/ cosφ2）

= P（1/0.84-1/0.95）

≈0.04P

當cosφ提高后，在傳送同樣有功功率情況下，可以減小視在功率因數，節省設備投資。

（3）、改善電網電壓質量，提高配電線路末端電壓。

配電線路電壓損失為：

式中：P-線路有功功率

Q-線路無功功率

UN-額定線電壓

R、X-線路電阻、電抗

ΔU-線路電壓降落

當線路加裝補償電容器后，配電線路損失電壓為：

式中，QC-補償電容器容量

則其電壓損失減少的的百分數為：系統電抗按6%考慮。

= =0.12%

可見，當加裝補償電容器后，可使電壓損失下降，其下降值為ΔU%，從而改善電網電壓質量，將線路末端電壓 提升0.12%左右。

8、電能質量綜合治理節電分析

電能質量治理后，保障設備安全運行，提高系統電能質量，同時減少線路損耗、設備浪費和電能損失，節約用電成本，從諧波、無功功率、利率電費方面對其進行理論的節電計算。

（1）、提高功率因數后，無功功率節能。

提高系統功率因數，減小系統的無功功率，可以降低線路損耗和變壓器損耗。根據國家標準確定無功經濟當量0.02～0.05KW/kvar，根據線路及配電分布取相應的值，以0.03KW/kvar進行計算，實際補償量為2000 kvar。

無功變化量*0.03*24*330=2000 kvar *0.03KW/kvar*24小時*330天=475200度。按工業電價0.6元/度計算，無功補償后每年可以節約大約28.5萬元。

（2）、提高功率因數利率電費節能。

根據《關于頒發<功率因數調整電費辦法>的通知》（（83）水電財字第215號） 利率電費收費標準計算罰款及電費數量：

變壓器出線處，補償前功率因數，

0.84

變壓器出線處，補償后功率因數，0.95

按照補償前功率因數0.84計算，每年下網電費將提高5%。

每年多交電費=本年用電度數*電價*5%

按照補償后功率因數0.95計算，每年下網電費將下降0.75%。

每年獎勵電費=本年用電度數*電價*0.75%

因功率因數提高節約的電費=每年多交電費+每年獎勵電費

即利率節省費用：

有功功率*（5%+0.75%）*電價*24*330=3600*5.75%*0.6*24*330≈983664元

利率電費節約大約983664元。

9、結論

綜上所述，移動式箱變靜止無功靜止無功發生裝置能夠解決老廠區，受用地及空間限制的無功需求短板，箱式靜止無功發生裝置在東鞍山燒結廠的應用，解決了高寒地區戶外無功發生裝置無法投運的問題，對于老廠區的技術改造具有實際意義，建議在相關地區推廣。