1 引言

江蘇某不銹鋼科技發(fā)展有限公司主要生產(chǎn)不銹鋼中板，每天軋制鋼錠數(shù)量約170 ~ 180塊左右，鋼錠重量約2~5噸每塊。公司主變壓器容量為12000kVA，主負荷為兩輥式軋鋼機，主動力電機為兩臺直流電機，每臺功率為4200kW。軋鋼機運行時產(chǎn)生大量無功功率，致使公司進線端功率因數(shù)降低，同時快速的瞬時有功、無功功率變化還造成了電網(wǎng)電壓的閃變現(xiàn)象。軋鋼機的動力電機為直流電機，其前端為電力電子器件組成的不控整流電路，產(chǎn)生大量諧波污染，因此整個現(xiàn)場需要進行全方位的電能質(zhì)量治理，包括無功補償、電網(wǎng)電壓閃變抑制和諧波治理。本項目原來設(shè)計有無功補償和諧波治理裝置，原裝置采用MCR+濾波支路+FC補償?shù)木C合方式對現(xiàn)場負荷進行補償，但是由于MCR響應(yīng)速度有限，對于軋鋼機產(chǎn)生的快速無功需求無法實現(xiàn)快速補償，因此對于現(xiàn)場電網(wǎng)電壓閃變抑制情況不理想，引入SVG裝置滿足了現(xiàn)場的補償要求。

2 軋鋼機現(xiàn)場用電特點及補償需求

2.1 軋鋼機現(xiàn)場用電特點

本項目現(xiàn)場各支路負荷詳細情況如表1所示。

表1各支路負荷情況

上輥整流變以及下輥整流變支路為軋機主動力電機支路，主要提供軋機上下棍直流電機的供電，供電方式為12脈沖整流供電，上下棍咬鋼過程中瞬間功率迅速大幅度提高，同時12脈沖整流電路會產(chǎn)生11、13次諧波成分。輔整變和精整變支路為三相6脈沖整流電路，功率輸出過程產(chǎn)生部分5、7次諧波電流。整個生產(chǎn)過程各負荷支路協(xié)同運行，對于電網(wǎng)造成明顯的功率沖擊和諧波污染。

補償裝置未投運軋鋼機運行時有功、無功曲線如圖1所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計1分鐘，數(shù)據(jù)采樣間隔1次/1秒鐘。

補償裝置未投運軋鋼機運行時電網(wǎng)電壓有效值曲線如圖2所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計1分鐘，數(shù)據(jù)采樣間隔1次/1秒鐘。

2.2 本項目現(xiàn)場負荷補償需求分析

根據(jù)圖1顯示的有功無功數(shù)據(jù)表明，軋鋼機在運行過程中產(chǎn)生了大量的有功沖擊和感性無功需求，無功需求量在1秒的時間內(nèi)沖擊至12000kvar，產(chǎn)生大量感性無功的同時造成電網(wǎng)電壓劇烈下降，10kV電壓最低跌落至9100V左右，并且在短時間內(nèi)又迅速回升至正常值。電壓跌落造成軋鋼機出力不均勻，對于鋼板的軋制質(zhì)量產(chǎn)生一定影響；同時電網(wǎng)電壓的跌落還減少了主軋鋼機的出力，降低了公司生產(chǎn)效率；電網(wǎng)電壓跌落閃變嚴重時造成了部分設(shè)備的損壞。結(jié)合2.1節(jié)分析可知負載產(chǎn)生大量11、13次諧波成分還有部分5、7次諧波成分，因此對于現(xiàn)場的負荷補償方案為快速無功補償和諧波補償同時進行。

3 SVG特點以及優(yōu)勢

SVG是目前國內(nèi)外較為先進的無功補償裝置，這種基于電壓型PWM變流器的補償裝置實現(xiàn)了無功補償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換。

圖3 SVG原理示意圖

在交流電路中，電壓和電流的相位有三種情況，當(dāng)負載是純電阻特性時，電壓和電流相位相同；當(dāng)負載是（或含有）電感特性時，電壓相位超前電流相位；當(dāng)負載是（或含有）容性特性時，電壓相位滯后電流相位。如圖3所示，基本原理就是將自換相橋式電路通過變壓器或者電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?，如?所示。

表2 運行模式原理表

從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無功補償裝置有如下優(yōu)勢：

（1）響應(yīng)速度更快

SVG系列產(chǎn)品響應(yīng)時間：≤5ms。傳統(tǒng)無功補償裝置響應(yīng)時間：≥40ms。SVG產(chǎn)品可在極短的時間之內(nèi)完成從額定容性無功到額定感性無功的相互轉(zhuǎn)換，這種無可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。

（2）諧波治理

SVG不僅不產(chǎn)生諧波，而且同時具備諧波治理功能，在動態(tài)無功補償?shù)耐瑫r，可對諧波進行濾除。而SVC中TCR在補償無功功率同時產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致TCR必須與大容量濾波器同時使用。

（3）電壓閃變抑制能力更強

SVC受到響應(yīng)速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會隨補償容量的增加而增加，而SVG由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。

（4）運行范圍更寬

SVG能夠在額定感性無功到額定容性無功的范圍內(nèi)工作，所以比SVC的運行范圍寬很多。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。

（5）補償功能多樣化

SVG不僅具有快速補償系統(tǒng)無功的作用，還能夠根據(jù)用戶實際需要，對負荷進行諧波電流補償、負序電流補償、綜合補償?shù)取?/p>

（6）占地面積小

由于無需高壓大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%。

（7）自身損耗較低

SVG自身功率較低，其運行效率一般可以達到99.8%以上，極大的節(jié)省了用戶的電費。

4 改造方案以及補償效果

江蘇某某現(xiàn)場配電系統(tǒng)連接圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場配電系統(tǒng)連接示意圖

原配電補償系統(tǒng)為FC+濾波器支路+MCR的組合補償方案，其中FC容量為4000kvar，濾波器支路及其容量分別為5次2100kvar、7次1700kvar、11次700kvar和13次700kvar，MCR選擇為4500kvar補償容量，該套補償裝置投入之后總功率因數(shù)提高到0.85以上，但是存在瞬間的無功功率不足現(xiàn)象。經(jīng)過測試，現(xiàn)場普通MCR響應(yīng)時間至少超過200ms，軋鋼機不工作時，MCR發(fā)送感性額定無功功率剛好補償?shù)鬎C和濾波器支路的容性無功功率，軋鋼機動作瞬間幾毫秒時間內(nèi)發(fā)送超過4000kvar的感性無功功率，此時MCR無法快速減小自身的4500kvar感性無功功率，造成軋鋼機的感性無功和MCR的感性無功疊加導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)大的感性無功輸出，造成電網(wǎng)電壓進一步降低。

由于MCR的響應(yīng)速度無法滿足快速補償?shù)囊螅虼穗娋W(wǎng)電壓閃變情況并沒有得到很好的抑制，電網(wǎng)電壓最大閃變電壓達到1000V，從廠內(nèi)照明情況可覺察到明顯的燈光閃爍現(xiàn)象，電壓閃變會導(dǎo)致軋鋼機出力不均勻，影響了廠內(nèi)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

鑒于以上情況，為了進一步提高廠內(nèi)功率因數(shù)，降低電力公司罰款的可能，同時降低電網(wǎng)閃變的情況，提高軋鋼機生產(chǎn)效率，江蘇某公司選用響應(yīng)速度更快，性能更優(yōu)越的山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司設(shè)計生產(chǎn)的FGSVG產(chǎn)品，考慮成本因素以及滿足廠內(nèi)平均功率達到0.9的需求選擇型號為10kV/3Mvar產(chǎn)品，配合濾波器支路使用，F(xiàn)C支路視情況偶爾投入。

雖然選擇SVG容量小于原來的MCR，但是由于FGSVG響應(yīng)速度快（低于5ms的響應(yīng)時間）如圖5和圖6所示，不會出現(xiàn)短時無功過補現(xiàn)象，因此最終補償效果比較出色。

SVG運行時無功功率迅速切換響應(yīng)速度檢測波形：

SVG運行后無功功率補償效果較好，軋鋼機運行最大功率時偶爾出現(xiàn)3000kvar左右無功功率，此時有功功率大約11000kW以上，總體功率因數(shù)計算下來也滿足要求。由于濾波器支路與部分FC支路容量超過SVG總額定容量，因此在廠內(nèi)負載較小時會出現(xiàn)過補現(xiàn)象，但是過補容量時間較少并且功率不超過-700kvar，因此總體上也滿足功率因數(shù)的要求。

SVG工作后由于響應(yīng)速度迅速，因此電網(wǎng)電壓閃變得到了有效控制，根據(jù)圖8顯示與圖2相比電網(wǎng)電壓明顯穩(wěn)定，電壓波動最大最小值不超過400V，與未補償時的電壓差1000V左右相比已經(jīng)獲得了明顯的電壓閃變抑制效果。

項目改造過程中考慮成本因素所以選型了配置稍低的3Mvar功率等級SVG產(chǎn)品，如果SVG容量選擇5Mvar或者其他大的功率等級產(chǎn)品，電網(wǎng)電壓波動抑制效果還會更好，電網(wǎng)功率因數(shù)還可以提的更高。

5 結(jié)束語

通過使用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的FGSVG系列高壓動態(tài)無功補償裝置，軋鋼廠現(xiàn)場電網(wǎng)側(cè)母線在一周內(nèi)功率因數(shù)超過0.95，在軋鋼機運行時電網(wǎng)電壓有效值波動基本低于400V，極大地抑制了電壓閃變的現(xiàn)象，減少了公司設(shè)備的故障率，提高了軋鋼機的運行效率。同時FGSVG產(chǎn)品體積小，運行穩(wěn)定，操作方便，自身功率損耗低。為使用單位帶來了可觀的經(jīng)濟效益。