某集团矿业有限公司东鞍山烧结厂移动式SVG补偿站应用

杨玉武 宋爱民

【摘要】本文通过东鞍山烧结厂因提高产能需要，增设一套移动式SVG高压静止无功发生装置，设备投运后，设备对大小和频率都有变化的谐波、无功功率以及三相不平衡进行实时跟踪补偿，从而为电网和用电负荷提供快速动态无功补偿和谐波滤除，有效提高电网电压暂态稳定性、抑制母线电压闪变提高功率因数，取得了良好的运营效果和经济效益。

【关键词】矿山 烧结厂 供电系统 SVG静止无功发生装置

1、烧结厂概况

东鞍山烧结厂是鞍钢矿山公司的大型选矿厂之一，已有40年的生产历史，选矿车间耗电占全公司用电的30%左右，磨矿占选矿耗电的50%以上。主要负载以烧结机，上料系统、配料室配、料系统、一次混合、二次混合、烧结、环冷、筛分系统，各系统之间以皮带连接，辅助设备有循环水、余热利用、煤气预热炉、除尘系统等。

由于提高产能要求，既有配电室已经无法提供设备安装空间，本次提升改造以移动式，无功补偿配电站形式装备烧结厂。高寒地区的高压动态无功补偿室外使用案例较少，对设备的质量和运行效果都是一种考验。

2、供电基本参数描述：

东烧结厂7#进线母线进线端电压畸变率大约为0.7%，东烧结厂8#进线母线进线端电压畸变率大约为0.5%，符合国标（4%以内）;

东烧结厂7#进线母线负载率低，进线电流正常运行250A左右，电流畸变率大约为3.7%，谐波电流不大。

东烧结厂8#进线母线进线电流正常运行60A左右，电流畸变率大约为1.5%，谐波电流不大。

整体电能：7#线最大负荷4000KW，需补偿1200kvar～1500kvar，，最高功率因数0.87，最低0.83。

8#线最大负荷6000KW，需补偿2400kvar～3000kvar，8#线最高功率因数0.81，最低0.76。

3、SVG静止无功发生装置改造的意义：

东鞍山烧结厂配电系统中，系统功率因数较低，低功率因数会导致增加线路损耗，占用变压器设备容量，增加企业的电费开支，加大生产成本，因此，无论从提高用电设备的利用率，降低线路损耗，还是从提高供配电系统的稳定性来考虑，都应该进行电能质量的治理。合理的提高功率因数，可以提高用电设备的有效容量和效率，减少线路损耗、设备浪费和电能损失，节约用电成本，得到一个安全、洁净的用电环境。

7#增设一套10KVSVG1.5M移动箱式补偿站、8#增设一套10KVSVG3M移动箱式补偿站，投运当月功率因数为0.97，每月节约电量5%以上。经过一年的运行，设备对高寒地区的环境适应性非常好，低温运行状态良好。

4、SVG静止无功发生器工作原理

SVG——静止无功发生器（Static Var Generator， 简称SVG）是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。SVG并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率以及谐波滤除，对电网无功功率、谐波实现动态无级补偿。

SVG利用大功率电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经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。

图1 SVG工作原理

5、装置构成

单台HTSVG装置结构如下图所示。装置由控制柜、功率柜、启动柜和连接电抗器（或变压器）组成。

图2成套装置结构图

6、技术优势

SVG是目前最为先进的无功补偿装置，基于电压源型逆变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，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。从技术上讲，HTSVG较传统的无功补偿装置有如下优势：

（1）响应速度更快

SVG响应时间：≤5ms。

傳统SVC响应时间： ≥20ms（太快可能引起电抗和电容器产生振荡）。

SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

（2）电压闪变抑制能力更强

SVC对电压闪变的抑制最大可达2：1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：1，甚至更高。SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。

（3）运行范围更宽

SVG输出电流不依赖于电压，表现为恒流源特性，能够在额定感性到额定容性的范围内工作，具有更宽的运行范围。而SVC本质是阻抗型补偿，输出电流和电压成线性关系。因此系统电压变低时，同容量SVG可以比SVC提供更大的补偿容量，电压电流特性如下图所示：（SVG若配合同容量固定电容器可构成0-2倍容量的动态容性无功补偿器，性价比更高。）

（4）补偿功能多样化

HTSVG不仅具有快速补偿系统无功功率的目的，还能够根据用户实际需要，对负荷谐波电流、负序电流等电能质量问题进行综合补偿。

（5）优异的谐波输出特性

HTSVG采用了载波移相PWM技术和功率单元级联多电平技术，自身产生的谐波含量极低，装置输出侧无需滤波器。

SVG既可以输出近似正弦波的无功电流（不含谐波，用于电网补偿），也可以输出设定次数的谐波电流（用于负荷谐波滤波），即SVG输出电流是完全有源可控的，完全满足用户的需要;而SVC产生大量不可控的谐波电流，又附带大量不可控的无源滤波支路来实现自身产生的谐波电流的滤波。

（6）占地面积小

由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%。

（7）、更高效率、更低损耗

多个H桥功率单元级联多电平技术和载波移相PWM调制技术，输出电压、电流谐波畸变率低，谐波损耗小，系统损耗小;

多DSP和FPGA协同控制，控制精度高、速度快;

同时滤除多达20种谐波，最高可滤除至25次谐波，且可对每次谐波进行单独设定。

7、无功补偿的节能效益分析（以7号线为例计算）

根据目前系统电能质量情况，静止无功发生器容量为1500kvar，有功平均功率为3600KW，功率因数取cosφ取0.84计算，补偿后目标功率因数大于0.95以上，治理后对整个配电系统有以下的益处。

（1）、 降低线路功率损耗线路损耗降低28%。

设输电线路导线电阻R，其功率损耗为：

ΔP=3I2R=3

式中：U―线路线电压;I-线路电流;R-每相线路电阻;

P-线路有功功率;Q-线路无功功率;cosφ-线路功率因数

由上式可以看出，在电路电压U，传送的有功功率P不变的情况下，对由相同线路电阻R的线路，线路损耗ΔP和cosφ的平方成反比。负荷的功率因数高时，流过输电线中的电流就越小，供配电线路的电能损失就越小。ΔP（0.84/0.95）^2≈0.78ΔP

补偿后损耗为原来78%，配电线路损耗降低28%。

增加电网的传输能力、提高电源设备利用率，提高11%带载率。

若P1和P2分别为补偿前后的有功功率，cosφ1和cosφ2分别为补偿前后的功率因数，线路传输的有功功率增量为：

ΔP=P2-P1=S（cosφ2-cosφ1）= S（0.95-0.84）=0.11S

從上式可以看出，在视在功率S（也可以认为电路电流）不变的前提下，线路传输增加值为ΔP，从而提高了设备的利用率。

（2）、 减小电源设备容量，减少4%设备容量。

在保证有功负荷P不变的情况下，增加无功功率后，可以减小设备的容量为：

ΔS=P（1/ cosφ1-1/ cosφ2）

= P（1/0.84-1/0.95）

≈0.04P

当cosφ提高后，在传送同样有功功率情况下，可以减小视在功率因数，节省设备投资。

（3）、改善电网电压质量，提高配电线路末端电压。

配电线路电压损失为：

式中：P-线路有功功率

Q-线路无功功率

UN-额定线电压

R、X-线路电阻、电抗

ΔU-线路电压降落

当线路加装补偿电容器后，配电线路损失电压为：

式中，QC-补偿电容器容量

则其电压损失减少的的百分数为：系统电抗按6%考虑。

= =0.12%

可见，当加装补偿电容器后，可使电压损失下降，其下降值为ΔU%，从而改善电网电压质量，将线路末端电压 提升0.12%左右。

8、电能质量综合治理节电分析

电能质量治理后，保障设备安全运行，提高系统电能质量，同时减少线路损耗、设备浪费和电能损失，节约用电成本，从谐波、无功功率、利率电费方面对其进行理论的节电计算。

（1）、提高功率因数后，无功功率节能。

提高系统功率因数，减小系统的无功功率，可以降低线路损耗和变压器损耗。根据国家标准确定无功经济当量0.02～0.05KW/kvar，根据线路及配电分布取相应的值，以0.03KW/kvar进行计算，实际补偿量为2000 kvar。

无功变化量*0.03*24*330=2000 kvar *0.03KW/kvar*24小时*330天=475200度。按工业电价0.6元/度计算，无功补偿后每年可以节约大约28.5万元。

（2）、提高功率因数利率电费节能。

根据《关于颁发<功率因数调整电费办法>的通知》（（83）水电财字第215号） 利率电费收费标准计算罚款及电费数量：

变压器出线处，补偿前功率因数，

0.84

变压器出线处，补偿后功率因数，0.95

按照补偿前功率因数0.84计算，每年下网电费将提高5%。

每年多交电费=本年用电度数*电价*5%

按照补偿后功率因数0.95计算，每年下网电费将下降0.75%。

每年奖励电费=本年用电度数*电价*0.75%

因功率因数提高节约的电费=每年多交电费+每年奖励电费

即利率节省费用：

有功功率*（5%+0.75%）*电价*24*330=3600*5.75%*0.6*24*330≈983664元

利率电费节约大约983664元。

9、结论

综上所述，移动式箱变静止无功静止无功发生装置能够解决老厂区，受用地及空间限制的无功需求短板，箱式静止无功发生装置在东鞍山烧结厂的应用，解决了高寒地区户外无功发生装置无法投运的问题，对于老厂区的技术改造具有实际意义，建议在相关地区推广。