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1、SVC 静止型动态 无功补偿 装置的应用 张海燕 摘要：本文通过对轧钢厂生产线正常生产时，其设备的无功损耗以及对电网的高次谐波影响进行分析，并叙述了 10KV-34MVar-SVC 静止型动态无功补偿装置的应用及实现过程。关键词：无功功率补偿；谐波抑制；SVC 静止型动态无功补偿装置；TCR 相控电抗器；FC 滤波器 一、前言 无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是 借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高 系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。而无功功率指的是交流电路中，电压 U 与电流 I 存 在相位差时，所形成的功率分量，根据负载特性的 不同，又有感性无功与容性无功之分。而大
2、型轧钢 厂矿是以感性负载为主，生产时感性无功冲击较大。现在以某生产线为例，其用电设备总装机容量 约为 54.4MW；其中大型传动为交交变频系统，装 机容量约为 17.5MW；部分辅传动为交直交变频 系统，装机容量约为 19.7MW；其余的设备为恒速传 动设备，装机容量约为 17.2MW。现代电力电子设备 等非线性负荷大量的使用，产生的无功冲击将引起 电网电压闪变、波动以及产生大量高次谐波电流，严重污染电网环境。该生产线平均有功功率为 30.39MW、平均无功功率为 33.84MVAR，平均功率因 数仅为 0.67；而且这套设备所供电力电子元器件，其无功冲击较大；同时，注入电网的谐波电流超标。高
3、次谐波电流将对各种电气设备，继电保护、自动 控制装置、计算机、测量和计量仪器以及通讯系统 均有不利的影响；它将恶化电能质量，降低电网可 靠性，增加电网损失，缩短电气设备的使用寿命。因此，对这条生产线进行无功补偿和谐波治理具有 深远意义。二、无功损耗及谐波分析 1、无功损耗分析 该轧钢厂生产线建设的 10KV 开关站，系统采用 单母线分段接线，分段开关正常时断开运行，以 10KV 电压等级向轧线的主、辅传动及功辅设施的用 电设备供电；其中变频传动设备全部由 10KV段母 线供电；其余的负荷由 10KV、段母线分别供电。其主、辅传动的负荷与电压波动值见下表：项目 平均有功 功率(MW)平均无功 功
4、率(Mvar)最大有功 功率(MW)最大无功 功率(Mvar)母线电压 波动(%)10KV 段母线 大型传动 12.25 12.50 17.80 20.17 6%(允许值 为 2%)变频辅传动 12.76 16.28 12.76 16.28 恒速辅传动 3.96 3.49 3.96 3.49 合计 28.97 32.27 28.97 32.27 Px0.9,Qx0.93 26.07 30.01 26.07 30.01 10KV 段母线 恒速辅传动 4.79 4.12 4.79 4.12 0%Px0.9,Qx0.93 4.31 3.83 4.31 3.83 总计 30.39 33.84 35.9
5、4 41.51 6%表 1：负荷和电压波动值 上表中的计算为平均功率，而大型传动为冲击 性负荷，根据其轧制品种、钢质、道次及轧制温度 的不同，有功和无功功率也不同；并且最大无功应 在咬钢加速段，随着轧制速度升高，有功增大，无 功减小。因此，最大无功应为上述无功的 1.3 倍，即 Qmax=26226Kvar。2、高次谐波分析 根据生产线主辅传动设备的情况分析，其谐波 电流的产生主要来自以下几个方面：2.1、大型传动交交变频产生的谐波电流 以轧机最大的情况为依据，取其最大道次谐波 电流叠加计算得主传动谐波电流如下表：谐波次数 5 7 11 13 17 19 23 25 谐波电流 A 134.3
6、39.75 32.52 22.54 18.30 6.96 6.55 5.4 表 2：大型传动产生的最大谐波电流值 2.2、辅传动交直交变频产生的谐波电流 综合计算辅传动产生的谐波电流如下表：谐波次数 5 7 11 13 17 19 23 25 谐波电流 A 71.65 51.35 81.21 64.49 14.33 9.55 13.14 9.55 表 3：辅传动产生的谐波电流值 2.3、背景谐波电流 因背景谐波比较复杂，主要是在滤波器设计中 考虑一定的余量。综合以上各谐波电流源的计算，可得 10KV 母线谐波电流最大发生量如下表：谐波次数 5 7 11 13 17 19 23 25 谐波电流
7、A 152.22 64.94 87.48 68.32 15.93 23.24 14.68 10.97 表 4：10KV 母线谐波电流最大值 通过以上对生产线无功损耗以及谐波电流的分 析，确定其无功补偿容量为 34Mvar，并设置 3、5、7、11、13 次五个滤波通道，设置 3 次滤波 器是考虑整流设备触发的不均匀及不对称会产生较 大的 3 次谐波。三、无功补偿方式的确定 随着电力电子控制技术和晶闸管控制技术的逐 步成熟，用于无功功率补偿的方法也日益增多，且 补偿效果也越来越明显，带来的经济效益和社会效 益也是巨大的。当然，不同的补偿方式有其不同的 特点，适用范围也不同。选择无功补偿方式要针对
8、 补偿对象的负荷特性及补偿要求综合考虑，不仅要 考虑补偿后的效果，而且还要兼顾无功补偿装置的 经济性。下面介绍几种常用的无功补偿方式。1、并联电容器 在各种无功功率补偿方法中，并联电容器由于 其简单的结构，方便、灵活的安装方法，较低的运 行费用和低廉的产品价格等方面的特点，以使其成 为当今无功功率补偿技术中使用的主导产品。尤其 是随着电容器制造技术的日益成熟，其质量水平、寿命等级、安全运行可靠性等指标得以大大提高；品种、规格也越来越齐全，为补偿装置的设计和制 作带来了极大的便利。但是并联电容器也有其不足之处。它只能分级 补偿固定的无功功率，而不能实现连续、线性的补 偿；分级控制的补偿精度受电容
9、器组中单台电容器 容量的限制，而且需通过开关切投，切投次数和间 隔均受限制；并且不能实现分相控制。2、同步调相机 同步调相机是早期的无功功率补偿方法，已实 际应用数十年，在电压和无功功率控制中发挥了非 常重要的作用，同步调相机不仅能补偿固定的无功 功率，对变化的无功功率也能进行动态的连续的补 偿，而且对于容性、感性无功功率均能起到补偿的 作用。通过上述分析，似乎可以选择同步调相机作为 补偿方式。但是，同步调相机的动态响应速度较慢，约为 100400 毫秒之间；并且它属于旋转型补偿装 置，附属控制系统复杂，运行及维护工作量大，前 期投入及后期维护费用高，能耗高；不具有谐波抑 制能力，不能实现分相
10、控制。所以，同步调相机不 是最佳方案。3、静止型无功补偿器 静止型无功补偿器是由晶闸管所控制切投电抗 器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极 为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变 化时静止型补偿器能快速、平滑地调节，以满足动 态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于 三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性。静止型无功补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。静止型无功 补偿器(SVC)按其组成结构及控制方式可分为以下两 种：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器(fixed capacitorthyristor controlled reactor，FCT
11、CR)；可控硅开关操作的电容器加可 控硅控制的电抗器(thyristor switched capacitorthyristor controlled reactor，TSCTCR)。选择固定连接电容器加可控硅控制的电抗器 (FCTCR)型无功补偿器较为合适，其连续可调的无 功补偿特性及小于 10 毫秒的快速响应时间 完全可以 满足轧钢厂矿冲击性要求；并且通过合理选择配置 FC 滤波通道，可以有效的抑制其自身和现场主辅传 动变频器产生的谐波干扰。四、SVC 系统的组成及控制原理 1、SVC 系统的组成 按照设计及选型要求，SVC 静止型动态无功补 偿系统由 H3、H5、H7、H11、H13 五
12、个滤波通道、TCR 相控电抗器、晶闸管阀组和脉冲控制系统组成。以下是 SVC 系统组成简图：2、恒无功控制原理 当 SVC 接入系统中时，滤波器 FC 提供固定的容 性无功功率 QC，通过具有完好线性特征的补偿电抗 器的电流决定了补偿电抗器输出的感性无功值 QTCR，感性无功与容性无功相抵消，只要能做到 QN（系统）=QV（负荷）-QC+QTCR=常数（或 0），就 能实现电网功率因数=常数，电网电压几乎不波动。式中：QN 为系统无功，QV 为负荷无功。补偿效果好 坏的关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的 流过补偿电抗器的电流。可控硅阀和控制系统能够 实现这个功能。根据采集的进线电流和母线
13、电压，经乘法器后求得补偿无功值，计算得触发角大小，发出触发脉冲、光纤传输至脉冲放大单元，经放大 后触发晶闸管，使晶闸管流过所需电流。3、TCR 相控电抗器工作原理及分相控制 TCR 相控电抗器电纳值与晶闸管阀组的导通角 有关。当电抗器额定电感值确定后，控制电抗器的 导通角可以改变电抗器在工作电路中的等效电纳值。相控电抗器电纳值与导通角的关系式如下：Br=其中：为电抗器触发角 L 为电抗器额定电感值 改变电抗器的导通角是用晶闸管实现的。如图 2 所示，控制晶闸管的触发角来改变电抗器的导通 角。当触发角增大时，电抗器的电纳值增大，补偿 功率减小。图 2 中 I 为电抗器电流，它随触发角 的增大而减
14、小。Vab，Vbc，Vca 为系统线电压瞬时值 ia(l)，ib(l)，ic(l)为负荷电流瞬时值 T 为采样周期 10ms TCR 的分相调节控制系统能做到补偿后各项指 标均达到国家标准，并满足用户要求。4、信号采样计算与脉冲控制 通过对 TCR 相控电抗器的工作原理及分相控制 原理的分析，可知在 SVC 静止型动态无功补偿系统 中，对电压及电流信号的采样计算和脉冲控制显得 十分重要，没有精确的信号采样过程和合理的计算 过程，就无法实现对晶闸管的导通角的有效控制。下图为信号采样控制和脉冲控制系统简图：TCR 控制系统完成如下功能：通过检测系统电 压、电流和 TCR 的电流，计算出晶闸管的触发
15、角，控制电抗器电纳值，达到无功补偿的目的。对于不对称负荷，应用分相调节。TCR 分相调 节的理论基础为 STEINMETZ 理论，此理论的前提是 系统电压为平衡对称的。从这个前提出发，补偿后 理论上负荷是纯有功、平衡的。STEINMETZ 理论给出多种补偿表达形式，本系 统采用无功功率平均值表示的补偿电纳公式：为了能更有效的实现信号采样及脉冲控制，系 统中采用了信号采样计算部分用模拟电路控制，而 触发脉冲控制部分用数字电路控制；通过 A/D 转换 器和数字滤波器来实现两部分的连接。下面分别介 绍这两部分：Br=（V bcia（l）4.1 模拟信号的采样计算+V caib（l）-V abic（l
16、）dt 模拟信号的采样计算功能由电流采样和无功采 样两部分完成。电流采样的输入信号为系统电流 Br bc =（V caib（l）Ia、Ib、Ic 和相控电抗器电流 Iab、Ibc、Ica，经+V abic（l）-Vbcia（l）dt 以下计算：IA=Ia-(Iab-Ica）IB=Ib-(Ibc-Iab)Br=（V abic（l）IC=Ic-(Ica-Ibc)+V bcia（l）-V caib（l）dt 电流信号输出为综合负载电流 IA、IB、IC。功率采 其中：样的输入为处理后的综合负载电流、系统电压 Br ab，Br bc，Br ca 分别为形连接的补偿 Uab、Ubc、Uca，经以下计算：
17、电抗器电纳值 V 为系统电压有效值 Qab=UbcIA+UcaIB-UabIC Qbc=UcaIB+UabIC-UbcIA ab ca Qca=UabIC+UbcIA-UcaIB 输出 Qab、Qbc、Qca，另外还输出电压同步信号 Uab、Ubc、Uca。采样后经过对采样信号的滤波放大，将信号调整为 05V 电压信号送入 CPU 中央控制单 元。4.2 触发脉冲控制 要实现分相补偿控制，就必须对 A、B、C 三相 阀组分别进行脉冲控制。每一相的结构及控制是完 全相同的，每相的脉冲控制板也完全一样，可以互 换。通过对输入信号 Qab、Qbc、Qca 进行积分采样，由控制程序完成以下计算：Br
18、ab =Qab/3 V 2 Br=Qbc/3 V 2 Br=Qca/3 V 2 求出每相补偿电抗器的电纳值。然后计算每相 的触发角，分别发出相应的触发脉冲。触发角 由下面公式计算：Br=控制过程需要具有丢脉冲保护功能：在发触发 脉冲的同时接收反馈脉冲，用来判断是否丢失了触 发脉冲。实现了信号采样计算及脉冲控制后，SVC 系统 还不算是一个完整的系统，还需加入综合保护控制 系统、报警检测系统和后台监控系统，这样 SVC 系 统就完善了。五、结束语 无功功率补偿及谐波治理技术是当今乃至今后 相当长的时期内，缓解电力供需矛盾，改善供电质 量的一种行之有效的手段。安装 10KV-34MVar-SVC 静止型动态无功补偿装置，有效的抑制了轧钢时产 生的高次谐波，同时将功率因数稳定在了 0.95 左右，极大的提高了电网运行效率，也带来了极大的经济 效益。参考文献：1谐波抑制和无功功率补偿 王兆安.bc ca