SVC 静止无功补偿装置在轧钢供电系统中的应用

舒延国

(重庆三环监理咨询有限公司，重庆 400000)

SVC(Static Var Compensator)，是静止无功补偿装置的简称，区别于传统无功补偿方式(通过开关投切电容器或通过分接开关调节电容器端电压)，SVC 属于动态无功补偿产品，它具有最快10 ms 的响应速度。SVC 成套装置一般由可调电抗(通过可控硅单元或硅阀调节)，FC 无源滤波，以及控制和保护系统组成。目前，根据可调电抗器的调节方式及工作原理不同，又可分为TCR 型(晶闸管控制的电抗器)、TCT 型(晶闸管控制的变压器)、MCR 型(磁控电抗器)3 种类型。

重庆钢铁集团1780 热轧机电源为35 kV 三个回路进行供电，其中两个回路作为工作电源为，另一回路作为备用。在两个工作回路上装设有SVC 装置，以对该厂生产过程中所产生的感性无功进行动态补偿。同时，能够滤除有害的谐波电流。

1 谐波产生的原因

在大型冶金轧机中多采用交-交变频供电的同步电动机驱动，在变频器的变流过程中，电源波形失去正弦形状而呈阶梯形。典型波型见图1。

在图中，(a)图为六脉冲交流电路，整流变压器为Y/Y组别，变压器原边的A 相电流波形，B 相和C 相分别滞后它π/3 和4π/3 电角度。(b)图中为六脉冲，变压器组别为Y/△，变压器的原边电流波形。(c)图中为12 脉冲，变压器组别为Y/Y·△，变压器原边电流的波形。

由傅里叶级数理论，图1 中(a)图、(b)图、(c)图按奇函数展开为:

图1 电源波形示意图

对于(a)图，(b)图有f(x)= b1sinx +b5sin5x +b7sin7x +b11sin11x +b13sin13x +…

其中，则为基波幅值，b1、b5、b7、b11、b13为1 次、5 次、7 次、11次、13 次谐波幅值。

基波用于做功，其余其次谐波将污染电源，必须将其滤除。从值的表达式，可以看出=1/n，可见17 及19 次谐波幅值较小，对电源危害不大，在滤波器设计时可以将其忽略。

对于(c)图，将其展开为:

可见，采用12 脉冲变流电路，将5、7 次谐波滤除，总的谐波成份将减少很少。

由上分析可知，治理谐波主要对b5、b7、b11、b13，必须把它们从电源中滤除。

2 滤波器工作原理

图2 中表示了无源滤波器结构，当电抗和电容参数配置满足频率f 谐振，且i1(f)、i2(f)、i3(f)为三相对称，则它们就流进滤波器;对于“0”点，有:

图2 无源滤波器基本结构

这时，该次谐波就能被滤除。由前面分析所知，谐波电流为电流源生成，故在滤波过程中，只有少许由于自身体阻抗损耗。

前面列出的5 次、7 次、11 次、13 次谐波均满足式i1(f)+i2(f)+i3(f)=0，故均可被滤除。其它次谐波如h3、h6、h9等，为零序分量，无法进行滤除。

由此可见，滤波器对特定谐波起到滤波的作用，在接在50 Hz 电源上，有电流产生，一般呈容性，又能起到无功静止补偿作用。

3 滤波器校核

3.1 滤波器

结构简图如图3 所示。

图3 三次谐波滤波器结构

电抗器参数:35 kV 200 A 47.14 mH

电容器参数:7.3 kV 400 kvar 24 μF

电容器额定电流:Ie=400/7.3 =54.8 A

可允许长期电流:I=4Ie=219.2 A

等效电容值(4 并4 串):C=24 μF

电容可承受电压:U=4 ×7.3 =29.2 kV

当频率为f=50 Hz

电抗值:

容抗值:

相电流:

电容器实际承受电压UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=22.74 kV，相位图见图4。

图4 三次谐波相位

从上面计算，电抗器、电容器均不过载，也不过压。

补偿量计算:

由于h3滤波器的电流为零序，则设置该滤波器有原理性错误，故不做谐振校核。

3.2 h5 滤波器

结构简图如图5 所示。

图5 五次谐波滤波器结构图

电抗器参数:35 kV 380 A 7.97 mH

电容器参数:6.5 kV 450 kvar 34.78 μF

电容器额定电流:Ie=450/6.5 =69.2 A

可允许长期电流:

I=6Ie=6 ×69.2 A=415.2 A

等效电容值(6 并4 串):

C=6/4 ×34.78 =54.17 μF

容可承受电压:

U=4 ×6.5 =26 kV

当频率为f=50 Hz，

电抗值:

XL=2πfL≈2 ×3.14 ×50 ×7.97 ×10-3=2.503 Ω容抗值:

相电流:

电容器实际承受电压UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U +IXL=21.071 kV，相位图见图4。

图6 五次谐波相位

上面计算，电抗器、电容器可长期工作。

补偿量计算:

h5滤波器谐振校核:

XL=5 ×2.503 =12.515 Ω

XC=1/5 ×61.04 =12.208 Ω

由此可见，h5滤波器基本谐振。

3.3 h7 滤波器

结构简图如图7 所示。

图7 七次谐波滤波器结构

电抗器参数:35 kV 230 A 6.87 mH

电容器参数:6.5 kV 400 kvar 30.45 μF

电容器额定电流:Ie=400/6.5 =61.5 A

可允许长期电流:I=4Ie=246 A

等效电容值(4 并4 串):C=30.45 μF

电容可承受电压:U=4 ×6.5 =26 kV

当频率为f=50 Hz，

电抗值:

容抗值:

相电流:

电容器实际承受电压UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=20.63 kV，相位图见图8。

图8 七次谐波相位

从上面计算，电抗器、电容器均不过载，也不过压。

补偿量计算:

h5滤波器谐振校核:

由此可见，h7滤波器基本谐振核。

3.2 h11滤波器

结构简图如图9 所示。

图9 11 次谐波滤波器结构

电抗器参数:35 kV 360 A 1.69 mH

电容器参数:6.2 kV 400 kvar 33.12 μF

电容器额定电流:Ie=450/6.2 =63.5 A

可允许长期电流:I=6Ie=381 A

等效电容值(4 并4 串):C=6/4 ×33.12 =49.68 μF

电容可承受电压:U=4 ×6.2 =24.8 kV

当频率为f=50 Hz，

电抗值:

容抗值:

相电流:

电容器实际承受电压UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=20.67 kV，相位图见图10。

图10 11 次谐波相位

从上面计算，电抗器、电容器可长期工作。

补偿量计算:

h11滤波器谐振校核:

XL=11 ×0.53 =5.83 Ω

XC=1/11 ×64.1≈5.82 Ω

由此可见，h11滤波器基本谐振。

4 无功平衡计算

1)各组电容器提供容性无功:

2)负载产生无功

根据交-交变频器在各参数额定的情况下，其中cos φ=0.68

负载装机容量:轧机:

2 ×8 000 +4 ×8 000 +2 ×75 000 +7 000 =70 000 kW

飞剪:2 300 kW

共计:72.3 MW

负载感性无功

由cosφ=0.68，知sinφ=0.75，QL=79.53 Mvar。

3)TCR 提供感性无功

QL=62 Mvar。

4)无功平衡计算

1)变流器工作时，QC=62.55 Mvar，变流器产生无功，QL=40 Mvar。

这时，若保持电源cosφ =1，则TCR 提供无功为QL=62.55 -40 =22.55 Mvar

2)变流器不工作时，QC=62.55 Mvar，TCR 提供无功为QL=62.55 Mvar，两者基本平衡。

5 结束语

本文对静态无功动态补偿装置(SVC)进行简单分析，在使用过程证明其能很好地抑制5 次、7 次、11 次谐波，而对3次谐未起作用，因此建议取消3 次谐波装置。在风电场、冶金、电气化铁路，煤炭等工业领域，应用日益普遍。静止型动态无功补偿装置(SVC)能很好解决各种负载所产生的无功冲击。使电网电压波动明显改善，功率因数明显提高。因此研究它有着非常大的现实意义。

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