SVC动态无功补偿在安钢1780 mm热连轧当中的应用

王宝峰，张 宏，方新华

(安阳钢铁集团公司第二炼轧厂，河南安阳455004)

0 引言

安阳钢铁公司1 780 mm热连轧生产线共八台主轧机，包括一台粗轧机和七台精轧机，其主传动电机粗轧机组为2×7 500 kW交交同步电机，精轧机组F1-F4为9 000 kW，F5-F6为8 000 kW，F7为7 500 kW。控制系统采用西门子SIMADYND全数字32位处理器组成的矢量控制交－交变频调速系统，来实现对电机稳定可靠高性能的调速控制。

全部设备均接入35 kV母线Ⅰ段和Ⅱ段与上级电网相连，由于轧机及其附属设备的特殊负荷性能，给电网造成了母线电压低，功率因数低，电网电压畸变等不良影响，因此为提高轧机利用率及电能质量，在35 kV母线上设置了一套SVC无功补偿装置，该装置采用的是固定电容－晶闸管控制电抗型无功补偿器(FC-TCR)型，工程接线图如图1所示:

图1 SVC无功补偿装置工程接线图

采用 H2、H3、H5、H7、H11 支路主要为防止 2、3、5、7、11次谐波干扰，其中在3次谐波附近并联滤波，主要为防止2次谐波的干扰，在1 780 mm管线钢等高强度钢生产过程当中曾发现由于偶次(2次)谐波干扰，造成电网电压严重畸变而造成两台变压器烧损的重大事故，并联该路滤波后有效抑制了2、3、5、7、11次谐波的干扰，取得了很好的滤波效果。

1 轧机调速特性分析

轧机在生产当中产生的有功和无功负荷很大，严重影响了生产质量和变压器的稳定运行。传动上由于采用了交—交变频调速装置，导致产生大量的谐波，导致母线电压的畸变［1］。在自动化控制技术上，由于金属秒流量等速度前馈调整控制及活套张力控制的投入［2］，导致轧机速度不断的变化，为满足速度而导致轧机负荷产生很大的波动，加重了电压的畸变，电网功率因数降低至0.45，加重了电网负担，降低了供电电网的电能质量。因此采用该套无功补偿装置(SVC)。

2 SVC工作原理及基本系统构成

2.1 工作原理

SVC称为“静止型动态无功补偿器”，主要用于补偿用户母线上的无功功率，这是通过连续调节其自身无功功率来实现的。用Qs表示系统总无功功率，Qf为用户负荷的无功功率，Ql为晶闸管控制电抗器(简称TCR)的无功功率，Qc为电容器无功功率，上述平衡过程可以用以下公式来表达:

图2 无功补偿原理示意图

如图2所示，A为系统工作点。负荷工作时产生感性无功Qf，补偿装置中的电容器组提供固定的容性无功Qc，一般情况下后者大于前者，多余的容性无功由TCR平衡。当用户负荷Qf变化时，SVC控制系统调节TCR电流从而改变Ql值以跟踪，实时抵消负荷无功，动态维持系统的无功平衡。

TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联。晶闸管在电源电压的正负半周轮流工作，当晶闸管的控制角α在90°～180°之间时，晶闸管受控导通(控制角为90°时完全导通，180°时完全截止)。在网压基本不变的前提下，增大控制角将减小TCR电流，减小装置的感性无功功率;反之减小控制角将增大TCR电流，增大装置的感性无功。其电压-电流特性曲线如图3(b)所示，每条曲线是TCR在导通角为某一特定角度下的伏安特性。就电流的基波分量而言，TCR装置相当于一个可调电纳。其等效电纳为:

其中α为晶闸管导通角，L为电抗器电感值，W为网压的角频率。

图3 TCR装置的组成和工作原理

对于不对称负荷，应采用分相调节。TCR分相调节的理论基础为STEINMETZ理论，在此理论指导下，SVC能够将负荷补偿为纯有功的三相平衡系统。

STEINMETZ理论结合出多种表达形式，本控制器采用如下补偿电纳公式:

其中:

3、Vab，Vbc，Vca为系统网压(线电压)瞬时值;

4、ia(l)，ib(l)，ic(l)为系统网流瞬时值;

与交流配网不同，多端柔性直流配电网内带有大量电力电子设备，系统阻抗小短路电流传播速度快、幅值大；存在多电源环网运行方式，直流线路存在T型接法且长度较短，使得故障选线定位较为困难。鉴于此，需要研究适用于多端直流配电网的保护配置策略。

5、T为采样周期，等于10 ms。

三相平衡负荷的无功补偿通常采用平衡调节算法，而三相不平衡负荷(如电弧炉、电气化铁路等负载)则广泛采用分相调节，能够取得良好的电能质量治理效果。

2.2 SVC控制系统组成

SVC控制系统有控制柜、脉冲柜和功率单元三部分组成。控制柜采用现场的电压、电流信号，计算处理后发出触发脉冲，同时检测晶闸管运行状况。脉冲柜将触发脉冲转换为符合要求的脉冲信号，实现触发。功率单元由晶闸管、组容吸收、热管散热器、脉冲变压器、BOD板和击穿检测板六部分组成，串入电抗器回路，在脉冲信号控制下操纵晶闸管通断，使电抗器流过预期的补偿电流。其基本结构框图如图4:

图4 SVC控制系统基本组成简图

2.3 RCJ单元

晶闸管一个重要的参数-断态电压临界上升率du/dt，表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的上升率，则会在无门极信号的情况下开通，及时此时加于晶闸管的正向电压低于其峰值电压，也可能发生这种情况，因为晶闸管可以看做是由三个PN结组成。

为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的，所以与电容C串联电阻R可以起到阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因为振荡在电容两端出现过电压损坏晶闸管，同时避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。另外RCJ单元还有取能作用，为击穿检测模块提供工作电压。

2.4 击穿检测

击穿检测模块是检测晶闸管是否正常工作的模块。由于晶闸管在本系统中不可能完全导通，这样可控硅承受一定的电压，这个能量通过电容的充放电形成了一个交变电压，把这个交变电压送给击穿检测模块，击穿检测模块通过一个稳压管，在通过一个限流电阻点亮发光头，把光送给击穿检测单元，速度快而准确，通过击穿检测单元，来检测晶闸管是否被击穿。

3 SVC投用后取得的效果

3.1 功率因数得到提高

SVC投用之后，35 kV电网功率因数得到明显的提高，投入SVC之前功率因数仅为0.5左右，投入之后功率因数提高到0.99，极大提高了变压器的使用效率，减少了无功损耗。

3.2 电网电压波动得到改善

SVC投用前在正常轧制时35 kV母线电压波动最高可达到11.4%，SVC投入之后仅为1.3%左右，满足国家规定标准 2%［3］。

3.3 谐波干扰极大降低

SVC投入之前，由于谐波干扰，造成35 kV母线电压严重畸变，造成轧线无法升速轧制。投入之后，极大的提高了轧机利用率，提高了产量。

3.4 消除了偶次谐波影响

SVC投入之前由于2次谐波干扰，造成了两台19 000 kVA变压器烧损的重大设备事故，本套SVC系统的偶次滤波极大的改善了电网环境，消除了该次谐波的影响。

4 结束语

以上分析可以看出，SVC系统对轧机等非线性负荷产生的电网电压波动和畸变、谐波电流以及功率因数等一系列电能质量问题等都有良好的改善作用，对于当今电网环境的改善有着极大的可行性。

［1］马小亮.大功率交-交变频调速及矢量控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2003.10.

［2］孙一康.带钢热连轧的模型与控制［M］.北京:北京冶金工业出版社，2007.

［3］中国全国电压电流等级和频率标准化技术委员会编.电压电流频率和电能质量国家标准手册［S］.北京:中国电力出版社，2001.

［4］王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［5］刘锦波，张承慧.电机与拖动［M］.北京:清华大学出版社，2006.