SVG+FC 无功补偿方案在国外某项目中的应用

徐文超

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

在一些工程项目中， 由于整流系统以及大量变频器装置的存在，电网中会产生谐波现象。谐波不仅会影响变压器、继电保护及自动装置的正常工作，还会增加电容器的损耗和输电线路的功耗。因此，为了消除谐波，项目设计时会设置谐波滤波装置。 FC 单调滤波器对特定频率谐波的滤除具有很好的效果，同时能发出容性的无功，提高感性设备的功率因数，从而达到节能的效果，因而得到广泛的运用。但这种滤波器，在某些运行方式下会造成电网无功过补，使系统中的无功呈现容性， 这是电网所不允许的。 另外，容量较大的FC 单调滤波器在投切过程中，可能会造成系统电压的骤升和骤降， 从而造成系统的不稳定。为了消除以上隐患，同时滤除电网中超标的特征次谐波， 提高用电负荷的功率因数， 一般会采用SVG 与FC 单调滤波器配合使用的方案。 本文以刚果（金）RTR 工程项目为背景，阐述 SVG 与 FC 单调滤波器在该项目中的配合运用。

1 SVG 和FC 单调滤波器的定义

SVG也叫静止无功发生器， 是采用全控型电力电子器件组成的桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿。 其基本工作原理是将电压源型逆变器，经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分， 其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT 组成。 工作中，通过调节逆变桥中IGBT 器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功，并进行计算，可迅速发出大小相等、相位相反的无功，即：当系统监测到电网中存在超前无功（容性无功）时，SVG 通过调节发出感性的无功， 使电网保持高功率因数的滞后无功（感性无功）运行；当系统监测到电网中存在滞后无功，且功率因数较低时，SVG 通过调节发出容性的无功，使电网保持高功率因数的滞后无功（感性无功）运行。因此，SVG 能实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数的运行。另外，SVG 采用新型电力电子器件IGBT，开断时间小于10 μs，闭环响应速度在10 ms 以内，响应速度非常快，因而得到了广泛的应用。

FC 单调滤波器由滤波电抗器和滤波专用电容器构成。 电抗器和电容器在特征次谐波频率下形成LC 串联谐振，对某特征次谐波相当于一个低阻抗通道，使谐波电流大部分流入滤波回路，即：能够将某特征谐波全部或大部分吸收，维护良好的用电环境，保障电气设备安全运行；同时，还能提高电网功率因数，收到良好的经济效益。 但其也存在着一些缺点：1）仅提供固定无功功率；2）对于变动较大的负荷易造成“过补”或“欠补”；3）不能一直电压波动和电压闪变。

2 工程实例

以下结合刚果（金）RTR 工程项目，阐述SVG 与FC 单调滤波器在项目中的配合运用。

RTR 项目是集采、选、冶工艺于一体的大型铜钴资源综合利用项目，其生产原料来自某尾矿库，该尾矿库库内堆存的为某铜钴选矿厂于1952 至1997年排出的尾矿。本项目的目标是从尾矿中回收铜、钴资源，生产工艺为：采用水力采矿+两段搅拌浸出+高、低品位萃取+电积提铜+沉钴。 设计规模：原矿处理能力为 5 600 kt/a，年产阴极铜 70 kt（LME A 级铜），年产钴金属量14 kt（35%为氢氧化钴产品）。

本项目为了提高调节物料平衡的灵活性， 达到节能的目的，电机大多采用6 脉波变频器控制。同时根据设计规模，将电积车间设置为两个系列，每个系列均采用2 套电压为185 V、电流为 60 kA 的12 脉波整流系统。 因此，本项目供配电系统中存在大量的谐波。

在该项目中， 系统产生谐波的主要负荷为2 套整流系统和低压变频设备。其中：每套整流系统配置有2 台整流变压器和2 台整流器， 每台变压器容量为 7.2 MVA，变比为 33 kV/0.196 kV，6 脉波，短路阻抗为10%。每套整流系统正常工作时，通过两套整流变压器相位差，等效为12 脉波整流装置工作，每套整流系统的工作容量为2×7.2 MVA； 当其中一套整流系统中某1 台变压器或某1 台整流器故障时，该套整流器为6 脉波整流工作， 每套整流系统的工作容量为7.2 MVA。根据整流设备的特征谐波频谱可知，系统正常工作时主要谐波的谐波次数为12n±1 次，而当整流系统故障时则主要谐波的谐波次数为6n±1 次。 本项目另外一个主要谐波源为AC 525 V 的低压变频器。根据负荷统计，该变频设备工作总容量约为6 600 kW，主要谐波的谐波次数为6n±1 次。

本项目配电系统情况为：总进线采用一回120 kV架空进线，通过120 kV 母线分配给2 台容量分别为80 MVA/120 MVA、变比为120 kV/33 kV 主变压器供电，33 kV 采用单母线分段接线。 正常运行时，两段33 kV 母线分列运行（两台主变也分列运行）；当一段33 kV 母线故障或检修时，另一段33 kV 母线带全部的负荷（仅1 台变压器运行）。 两套整流系统分别挂在两段33 kV 母线上，另外，AC 525 V 变频设备所带的负荷也尽量平均分布在两段33 kV 母线所带的配电系统内。 本项目中，33 kV 母线侧系统最小短路电流为11.73 kA，120 kV 母线侧系统最小短路电流为6.5 kA。 业主要求在系统的各种运行方式下，120 kV侧功率因数不小于 0.95；33 kV 母线侧及 120 kV 母线侧谐波应满足33 kV 母线侧电压畸变率THDU≤6.5%，120 kV 母线侧电压畸变率 THDU≤3%。

根据系统的运行方式、负荷情况、短路参数以及业主对谐波的考核要求， 设计采用最先进的ETAP软件进行精确地仿真和分析。分析发现本项目5 次、7 次谐波对电网的影响较大，后通过精准计算，确定了谐波治理的最佳设计方案， 即在每段33 kV 母线上配置1 套容量为13 190 kvar、能滤除5 次谐波的FC 滤波器以及1 套容量为12 880 kvar、能滤除7 次谐波的FC 滤波器。其中，5 次FC 滤波器装置的电容C 为 36.83 μF， 电感 L 为 12.460 4 mH；7 次 FC 滤波器装置的电容 C 为 36.83 μF，电感 L 为 6.239 8 mH。通过Etap 软件再次仿真，得到电力系统在各种运行方式下以及投入FC 单调滤波器的情况。 33 kV 母线侧、120 kV 母线侧的电压畸变率以及120 kV 侧的功率因数具体分析结果见表1。

表1 33 kV 母线侧、120 kV 母线侧电压畸变率以及120 kV 侧功率因数分析

根据表1 数据分析， FC 滤波器对各种运行方式下的谐波处理效果能满足业主对谐波的考核要求，但无功补偿方面存在缺陷。即，在某些情况下，无功补偿可能会造成过补，使系统中的无功呈现容性。另外，考虑到FC 单调滤波器支路，其投入和切除均会引起无功的大容量变化，因此在投切过程中，出现系统无功补偿量过大或过小的情况， 会造成系统电压的骤升和骤降，增大系统的不稳定性。 经过计算，投切一组FC 单调滤波器支路会引起电压波动值为1.8%。 虽然本项目均为稳定性负荷， 不会经常投切FC 单调滤波器，且电压波动值为1.8%在《电能质量电压波动和闪变》（GB/T 12326—2008）规定范围内，但对于用电设备来说， 电压波动现象可能会导致用电设备寿命缩短，因此也应尽可能消除。

为了解决以上的缺陷， 拟在33 kV 每段母线上增加1 套33 kV SVG（静止无功发生器），利用SVG能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿的优点，解决上述缺陷。

结合全厂运行负荷情况以及功率因数分析，在33 kV 两段母线上各配置1 套容量为±8 000 kvar 的SVG（即每套SVG 可提供无功功率范围为-8 000 ～8 000 kvar）。当系统出现电压波动或过补偿的问题，SVG 可快速响应，迅速动态地调节系统无功，稳定电压波动和保持系统的功率因数。SVG 投入使用后，当每段母线的FC 单调滤波器全部投入时，与本段SVG组合可提供约17 200～33 200 kvar 的容性无功容量。在系统谐波达到治理要求的同时，也确保实现了业主要求功率因数不小于0.95 的条件。 本项目已投产3 年，在谐波治理、无功补偿以及系统稳定运行方面均达到相关要求，为本项目的稳定生产提供了保障。

3 结语

在RTR 项目对SVG 与FC 单调滤波器配合使用的方案实例中， 充分利用FC 单调滤波器能提供容性无功和对特征次谐波的滤除功能，对项目中对感性负荷的无功补偿以及对相应的特征次谐波进行治理；同时利用SVG 能够迅速发出从感性到容性的连续、平滑无功功率的功能，完美地解决了FC 单调滤波器投切所造成的电网无功的过补和欠补，以及大容量FC 单调滤波器投切时造成的电压波动问题，实现了两者的完美结合。 由此可见，在项目中将SVG与FC 单调滤波器配合运用是一种行之有效的方案。