SVG链式无功补偿装置在轧钢机现场的应用

　　1 引言
　　菏泽某不锈钢有限公司主要生产各种角钢、T型钢等不锈钢，每年可生产各种不锈钢30万吨。公司内主变压器有1200kVA、1500kVA、2000kVA整流变，以及1600kVA动力变，主负荷为横列式轧钢机、连轧生产线。横列式轧机为三辊式轧钢机，由1台1250kW/10kV的高压电机驱动;连轧生产线有8台平轧、2台立轧以及1台飞剪组成。轧钢机运行时产生大量无功功率，致使公司10kV进线端的功率因数降低;轧钢时有功、无功功率的冲击，引起了电网电压的闪变。
　　横列式轧钢机的动力电机为1250kW/10kV交流电机，而连轧生产线全部是220kW、400kW、480kW、560kW不同功率的10台直流轧机，其控制柜输入端为整流电路，产生大量谐波污染，因此整个现场需要进行全方位的电能质量治理，包括无功补偿、电网电压闪变抑制和谐波治理。
　　本项目为新建项目，电网电压为10kV，为了满足变电所要求的功率因数、有效的抑制电网电压闪变、减小电网谐波，最终引入SVG补偿装置。
　 　2 现场问题分析及补偿方案
　　2.1 现场配电系统一次图
　　菏泽某轧钢机现场配电系统一次图，如图1所示：


　　3台整流变压器为直流轧机的控制柜提供电源，1台动力变压器为生产线上的驱动电机提供电源，1250kW/10kV的高压电机通过配电柜接入10kV电网。
　　2.2 现场负荷情况
　　本项目现场负荷情况如表1所示：

　　表1 负荷情况表
　　现场主要负荷是1台1250kW/10kV横列式轧钢机和数台不同功率等级的低压直流轧机，以及生产线上运动部件的低压交流驱动电机。
　　2.3 项目现场存在的问题
　　通过现场考察，现场主要有3个问题：
　　(1)电网电压闪变。入厂为10kV电网，电网容量有限。1250kW/10kV交流电机直接挂在10kV电网，启动方式为直接启动，对电网造成较大的无功、有功冲击，引起电网剧烈下降，10100V的电网电压最低跌落至9200V，超过了电网规定的电能质量标准。横列式轧机是生产线上第一级轧机，属于粗轧，轧钢过程也能引起电网电压闪变500V左右。
　　(2)功率因素低。平均功率因数为0.75左右，存在电力公司的罚款问题。
　　(3)谐波问题。大量的直流轧机产生了大量以6N±1为主的谐波，同时负荷为冲击性负载，运行过程中对电网电压也会引起闪变等现象。
　　2.4 项目现场补偿方案
　　轧钢机在运行过程中产生了大量的感性无功需求，无功功率快速变化，现场感性无功功率短时有4500kVar的剧烈变化，造成电网电压闪变。电网电压的闪变对于轧钢质量以及电网上其他用电设备的安全运行带来严重的影响。大量的直流轧机产生了5次、7次谐波，对于此类轧机现场需要快速的无功补偿来抑制电网电压闪变、提高功率因数，同时进行谐波补偿。
　　根据现场负荷的特点，传统的固定电容器、SVC等技术已经不能满足现场快速无功补偿以及谐波治理的需求，对轧钢机现场需要使用当今最先进的高压动态无功补偿技术。现场选用了山东新风光电子科技发展有限公司的1台SVG，在电网系统接入点处进行自动跟踪补偿。
　　负荷总容量约8000kW，现场平均功率因数为0.75，补偿后功率因数目标值为0.95，根据以下计算公式计算基波无功需求值：

　　得到需要补偿的无功功率量大约为4400kVar，考虑到负荷利用率不可能达到100%，因此基于成本考虑可选用4000kVar的SVG补偿容量。
　　SVG在补偿谐波的同时，只需要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分，就可以实现补偿负载无功功率的目的。这样，补偿电流与负载电流中的谐波和无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。
　　SVG控制器通过指令电流运算电路(也称之为谐波和无功电流检测电路)检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，然后补偿电流发生电路根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。从而达到在系统侧有效滤除谐波的目的。
　　3 新风光FGSVG
　　SVG是目前国内外最为先进的无功补偿装置，这种基于电压型PWM变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。SVG具有快速的电流响应速度和较强的电压闪变抑制能力。


　　山东新风光10kV SVG的结构示意图如图2所示。主电路采用链式串联结构设计，每一相由多个相同的功率单元组成。每个功率单元由多个大功率的电力电子器件组成桥式电路，单元串联和载波移相技术使整机输出电压波形更接近于正弦波，避免了大的du/dt所导致的诸多问题。
　　FGSVG系列产品采用进口电力电子模块作为主功率器件，多个DSP和FPGA组成强大的控制系统。在控制算法上采用了先进的瞬时无功理论，实现了对系统/负载无功功率的快速准确的检测。为了得到更快的响应速度和更高的性能采用了电流直接控制技术和载波移相技术，实现了并网无功电流的快速控制和更优的并网电流波形。FGSVG能够快速连续地提供容性或者感性无功功率，实现适当的电压和无功功率控制，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。
　　FGSVG功率单元采用冗余、模块化设计，满足系统高可靠性的需求，模块化设计集成度高，功率单元互换性好，现场安装、维护简单，占地面积小，通常只有相同容量SVC的50%。可多台FGSVG并联安装，极易扩展容量;并联运行使用高速光纤通讯，通讯速度快，能够满足快速补偿的要求。此外现场操作非常简单，超大尺寸的触摸屏具有丰富的显示界面，例如实时状态量及模拟量的显示、运行历史事件记录、历史曲线记录查询、单元状态监控、系统信息查询、历史故障查询等功能外，还具有上电控制系统自检、一键开停机、分时控制、示波器(AD录波)、故障瞬间电压/电流波形记录等特色功能。
　　4 现场补偿效果
　　4.1 FGSVG调试
　　在现场FGSVG通过高压配电柜接入10kV电网，检测10kV系统侧的电网电压、电网电流，进行自动跟踪补偿。FGSVG具有多种自动补偿模式，如恒考核点无功功率模式、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、负载补偿模式以及综合补偿等，现场采用恒考核点功率因素进行电压综合补偿。调试投运之后，SVG自动跟踪补偿，无需现场人员参与。
　　SVG具有多种通信接口，例如RS-485、以太网接口，以及多种电力系统常用通信规约，如MODBUS_RTU、CDT91、IEC104等，可以与后台进行联网通信。在生产过程中，现场人员只需定期的巡检、清扫，操作、维护非常简单。现场运行中的FGSVG照片如图3所示。


　　4.2 补偿效果
　　FGSVG运行后无功功率补偿效果非常理想，系统侧平均功率因数稳定在0.94以上，系统侧的无功功率降低到500kVar以下，如图4所示。FGSVG投运后对冲击性无功功率快速补偿，有效的抑制了电网电压的闪变，电网电压最大波动200V，基本稳定在10500V附近，保证了用电设备的安全运行，如图5所示。




　　理想的补偿效果归功于FGSVG响应速度小于等于5ms，极快的响应速度可以对无功冲击进行有效补偿，对电网电压闪变的抑制能力更强，谐波补偿效果理想，如图6所示。


　　 5 结束语
　　现场使用山东新风光电子科技发展有限公司生产的FGSVG高压动态无功补偿装置之后，电网侧的月平均功率因数超过0.94，不仅避免了电力公司的罚款问题，而且每月还有一定比例的奖励。电网电压闪变得到有效的抑制，电网最大波动不超过200V，保证了厂内以及电网上其他用电设备的安全运行。