SVG在义翔铝业供电系统无功补偿中应用

卫学武 王 曾 胡治国 艾永乐

(1.义煤集团 义翔铝业有限公司，河南 渑池 472400；2.河南理工大学，河南 焦作 454003）

0 引言

义煤集团义翔铝业有限公司(以下简称义翔铝业)是年产30万吨氧化铝的大型企业。氧化铝是由铝矾土矿生产而来。从铝矾土矿出合格的氧化铝需要经过溶出、沉降、分解、焙烧等几大生产流程。生产过程要求对运送物料的各种泵能够在DCS控制下变速运行。因此对变频器的要求是既要有负载特性接近恒转矩负载特性，又要求变频器有足够大的启动力矩和较高的过载能力。变频器的使用必然会输出的大量高次谐波，影响功率因数和降低供电电源效率。为此需要对义翔铝业电源进线侧的电能质量进行考察与评价，以便采取适当的对策。

1 义翔铝业10kV供电系统现状

为了掌握10kV进线侧的电能质量，采用WT3000电能质量分析仪对10kV进线回路在二次侧的计量回路进行24小时不间断测试。测试方案如图1所示。测试数据如表1所示。

图1 10kV进线电能质量测试方案

1.1 母线谐波电流允许值确定

根据非基准短路容量谐波电流的计算依据（参考GB/T 14594-93《电能质量·公用电网谐波》）[1,2]，即按照式（1）进行换算。

式（1）中：Sk1——用接入点可能出现的最小运行方式时的短路容量（MVA）；

Sks——电网基准短路容量(MVA)；

Ih——第h次谐波电流允许值(A);

Ihs——基准短路容量下，第h次谐波电流允许值(A)。

根据义翔变电站的10kV侧母线实际最小短路容量和利用式（1）计算各次谐波电流的限制值。义翔站10kV侧母线最小短路容量为101MVA，计算进线各次谐波电流允许值如表1所示。

1.2 进线谐波测试结果

应用图1的测试方案，对义翔铝业10kV变电站谐波电流进行测试。2～25次谐波电流95%概率测试值如表2所示。

表2 谐波电流测试值

对照表1极限值和表2实测值可以发现10kV侧5次谐波电流95%的概率值为35.91，超过了限制值20.2A，属于严重超标。

功率因数测试曲线如图2所示。有图2曲线可以发现，平均功率因数低于0.85，应采取措施，提高功率因数，以增加供电电源使用效率。

图2 功率因数变化曲线

2 治理方案

治理方案在技术上要具有先进的无功补偿设备。在补偿效果上，实现精补细补。原则上，不采用传统的落后的补偿技术，如分组投切无功补偿。SVC装置[3]中的无源滤波支路只能滤除固定次数的谐波含量，难以满足滤波要求。SVG静止无功发生器装置，其功能不仅具有无功补偿，而且具有有源滤波功能。根据义翔铝业变电站特点，SVG具有节约投资成本，节约土建费用，更重要的是具有很好的治理效果。

SVG静止无功发生器主要由IGBT逆变电路[3,4]、直流侧储能元件和连接电抗器构成。控制器采用不同的控制策略分别实现无功补偿和谐波治理两种功能。工作原理如图3所示。

图3 SVG工作原理

以三相大功率电压逆变器为核心，通过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补偿电流的指令信号。驱动IGBT逆变电路产生实际的补偿电流，该补偿电流与负载电流中的谐波与无功电流大小相等、方向相反，从而有针对性地抵消负荷电流中的谐波电流，达到无功补偿与补偿谐波的目的。SVG主要由自换相的电力半导体桥式变流器、连接电抗器构成[5,6]，如图4所示

图4 SVG与系统连接示意图

3 治理后效果

按照确定的SVG选择方案，最终确定了直挂式SVG连接方式。并与2010年8月安装投入运行。SVG投入无功补偿和滤波后，各次谐波电流实测数据如表3所示。功率因数变化曲线如图5所示。

表3 投入SVG后测试值

图5 投入SVG后功率因数实测曲线

对照表1允许值（极限）和表2实测值可以发现10kV侧5次谐波电流达到了抑制现在95%的概率值仅有5.86A，有低于限制值20.2A。说明SVG装置的投入运行，具有较好的滤波效果。

功率因数测试曲线如图所示。功率因数均高于0.93，功率因数达到了提高。

SVG投入运行前后的各次谐波电流95%的概率值比较棒图如图6所示。

图6 谐波电流对照表

4 经济效益分析

义翔铝业变压器容量为6.3MVA，月用电量为130×105kWh，平均功率因数为0.8。功率因数由0.84，补偿到0.93时的经济效益。基本电费按每kVA每年180元，功率因数为0.85时，电量电费按0.74元/kWh收费计算。功率因数为0.93时，电量电费按0.6元/kWh收费计算。补偿装置每kVA的投资按60元，资产折旧率为10%，无功补偿设备的有功损耗为其额定容量的3%。计算过程如下。

（1）计算补偿容量

补偿前 cosφ1=0.85，tanφ1=0.75， 平均有功功率为 P1=350×10000/30/24=4861（kW），无功功率为 Q1=P1×tanφ1=3645.75（kvar），视在功率S1=P1/cosφ1=4861/0.85=6076.25kVA。经补偿后，功率因数为cosφ2=0.93，tanφ2=0.426，视在功率 S2=P1/cosφ2=4861/0.93=5283.7kVA。

（2）补偿前义翔铝业的年支出费用

基本电费为 6076.25×180/10000=109.4.4(万元)；

电量电费为 130×12×0.72=1125.6（万元）；

总支出电费为109.4+1125.6=1235（万元）。

（3）补偿后义翔铝业年支出费用

基本电费为 5283.7×180/10000=95.1(万元)；

电量电费为 130×12×0.6=936（万元）；

总支出电费为95.1+936=1031.1（万元）。

无功补偿设备投资为150万元，则资产折旧费为15万元；

补偿后每年经济效益为1235-1031.1-15-936×3%=161.52（万元）。

5 结束语

文中提出了SVG的治理方案并实施于义翔变电站，节省了无功补偿装置的投资和滤波装置占地面积。SVG采用电源模块进行无功补偿，补偿后的功率因数在0.93以上；SVG滤除谐波且不产生谐波放大，还实现了义翔铝业集团注入电网的谐波电流达到国家标准，各次谐波电流按照电网短路容量基准下低于允许值；保证在正常失谐情况下，系统阻抗变化时，保证不发生谐振，有效拟制电压波动及闪变。SVG投入运行后能起到改善电能质量、保证电网安全运行的目的，运行可以做到无人值守，设备运行参数可通过RS485通讯接口上传到控制室，即全自动运行，实现无人值守。每月因功率因数提高到0.93以上为企业节约费用14万元左右，具有很高的经济效益和实用价值。

[1]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，1998.

[2]任子晖，石莹，付华科，等.基于小波和FFT的煤矿电网谐波测量分析[J].煤矿机械，2010，31（6）：186-188.

[3]罗安.电网治理和无功功率技术及设备[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4]丁理杰，杜新伟，周惟婧.SVC与STATCOM在大容量输电通道上的应用比较[J].电力系统保护与控制，2010，38（2）：77-82.

[5]周伟鹏，宋弘.三相电力有源滤波器(APF)控制策略的研究[J].电力学报，2010，25（6）：447-450.

[6]刘磊，王仲初，胡洋.三相电压SVG的直接电流控制方法及仿真[J].辽宁科技大学学报，2010，33（5）：534-538.