應用案例 | SVG鏈式無功補償裝置在軋鋼機現場的應用

1 引言

江蘇某不銹鋼科技發展有限公司主要生產不銹鋼中板，每天軋制鋼錠數量約170~180塊左右，鋼錠重量約2~5噸每塊。公司主變壓器容量為12000kVA，主負荷為兩輥式軋鋼機，主動力電機為兩臺直流電機，每臺功率為4200kW。軋鋼機運行時產生大量無功功率，致使公司進線端功率因數降低，同時快速的瞬時有功、無功功率變化還造成了電網電壓的閃變現象。軋鋼機的動力電機為直流電機，其前端為電力電子器件組成的不控整流電路，產生大量諧波污染，因此整個現場需要進行方位的電能質量治理，包括無功補償、電網電壓閃變抑制和諧波治理。本項目原來設計有無功補償和諧波治理裝置，原裝置采用MCR+濾波支路+FC補償的綜合方式對現場負荷進行補償，但是由于MCR響應速度有限，對于軋鋼機產生的快速無功需求無法實現快速補償，因此對于現場電網電壓閃變抑制情況不理想，引入SVG裝置滿足了現場的補償要求。

2 軋鋼機現場用電特點及補償需求

2.1 軋鋼機現場用電特點

本項目現場各支路負荷詳細情況如表1所示。

表1各支路負荷情況

上輥整流變以及下輥整流變支路為軋機主動力電機支路，主要提供軋機上下棍直流電機的供電，供電方式為12脈沖整流供電，上下棍咬鋼過程中瞬間功率迅速大幅度提高，同時12脈沖整流電路會產生11、13次諧波成分。輔整變和精整變支路為三相6脈沖整流電路，功率輸出過程產生部分5、7次諧波電流。整個生產過程各負荷支路協同運行，對于電網造成明顯的功率沖擊和諧波污染。

補償裝置未投運軋鋼機運行時有功、無功曲線如圖1所示，數據統計1分鐘，數據采樣間隔1次/1秒鐘。

補償裝置未投運軋鋼機運行時電網電壓有效值曲線如圖2所示，數據統計1分鐘，數據采樣間隔1次/1秒鐘。

2.2 本項目現場負荷補償需求分析

根據圖1顯示的有功無功數據表明，軋鋼機在運行過程中產生了大量的有功沖擊和感性無功需求，無功需求量在1秒的時間內沖擊至12000kvar，產生大量感性無功的同時造成電網電壓劇烈下降，10kV電壓低跌落至9100V左右，并且在短時間內又迅速回升至正常值。電壓跌落造成軋鋼機出力不均勻，對于鋼板的軋制質量產生一定影響；同時電網電壓的跌落還減少了主軋鋼機的出力，降低了公司生產效率；電網電壓跌落閃變嚴重時造成了部分設備的損壞。結合2.1節分析可知負載產生大量11、13次諧波成分還有部分5、7次諧波成分，因此對于現場的負荷補償方案為快速無功補償和諧波補償同時進行。

3 SVG特點以及優勢

SVG是目前國內外較為先進的無功補償裝置，這種基于電壓型PWM變流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，而是通過電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。

圖3 SVG原理示意圖

在交流電路中，電壓和電流的相位有三種情況，當負載是純電阻特性時，電壓和電流相位相同；當負載是（或含有）電感特性時，電壓相位超前電流相位；當負載是（或含有）容性特性時，電壓相位滯后電流相位。如圖3所示，基本原理就是將自換相橋式電路通過變壓器或者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，如表2所示。

表2 運行模式原理表

從技術上講，SVG較傳統的無功補償裝置有如下優勢：

（1）響應速度更快

SVG系列產品響應時間：≤5ms。傳統無功補償裝置響應時間：≥40ms。SVG產品可在極短的時間之內完成從額定容性無功到額定感性無功的相互轉換，這的響應速度可以勝任對沖擊性負荷的補償。

（2）諧波治理

SVG不僅不產生諧波，而且同時具備諧波治理功能，在動態無功補償的同時，可對諧波進行濾除。而SVC中TCR在補償無功功率同時產生大量諧波，導致TCR必須與大容量濾波器同時使用。

（3）電壓閃變抑制能力更強

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。

（4）運行范圍更寬

SVG能夠在額定感性無功到額定容性無功的范圍內工作，所以比SVC的運行范圍寬很多。更重要的是，在系統電壓變低時，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。

（5）補償功能多樣化

SVG不僅具有快速補償系統無功的作用，還能夠根據用戶實際需要，對負荷進行諧波電流補償、負序電流補償、綜合補償等。

（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）自身損耗較低

SVG自身功率較低，其運行效率一般可以達到99.8%以上，極大的節省了用戶的電費。

4 改造方案以及補償效果

江蘇某某現場配電系統連接圖如圖4所示。

圖4 現場配電系統連接示意圖

原配電補償系統為FC+濾波器支路+MCR的組合補償方案，其中FC容量為4000kvar，濾波器支路及其容量分別為5次2100kvar、7次1700kvar、11次700kvar和13次700kvar，MCR選擇為4500kvar補償容量，該套補償裝置投入之后總功率因數提高到0.85以上，但是存在瞬間的無功功率不足現象。經過測試，現場普通MCR響應時間至少超過200ms，軋鋼機不工作時，MCR發送感性額定無功功率剛好補償掉FC和濾波器支路的容性無功功率，軋鋼機動作瞬間幾毫秒時間內發送超過4000kvar的感性無功功率，此時MCR無法快速減小自身的4500kvar感性無功功率，造成軋鋼機的感性無功和MCR的感性無功疊加導致系統呈現大的感性無功輸出，造成電網電壓進一步降低。

由于MCR的響應速度無法滿足快速補償的要求，因此電網電壓閃變情況并沒有得到很好的抑制，電網電壓最大閃變電壓達到1000V，從廠內照明情況可覺察到明顯的燈光閃爍現象，電壓閃變會導致軋鋼機出力不均勻，影響了廠內生產效率和生產產品的質量。

鑒于以上情況，為了進一步提高廠內功率因數，降低電力公司罰款的可能，同時降低電網閃變的情況，提高軋鋼機生產效率，江蘇某公司選用響應速度更快，性能更*的山東新風光電子科技發展有限公司設計生產的FGSVG產品，考慮成本因素以及滿足廠內平均功率達到0.9的需求選擇型號為10kV/3Mvar產品，配合濾波器支路使用，FC支路視情況偶爾投入。

雖然選擇SVG容量小于原來的MCR，但是由于FGSVG響應速度快（低于5ms的響應時間）如圖5和圖6所示，不會出現短時無功過補現象，因此最終補償效果比較出色。

SVG運行時無功功率迅速切換響應速度檢測波形：