吳 寧

（揚州環(huán)洲船用材料有限公司，江蘇 揚州 210044）

1 引言

隨著電力電子技術及控制技術的發(fā)展，交流調速的性能與成本已能和直流調速競爭，而交流電動機的維護工作量卻大大少于直流電動機，所以交流調速取代直流調速已成為趨勢。例如，在新建有色和黑色金屬加工生產線上，大型軋機的電氣傳動都采用了交-交變頻控制技術，我公司新投建的850軋機也采用了交-交變頻控制技術。

然而新技術的應用，在實踐過程中也出現了新的問題，主要是用電負荷的電流波形中含有沖擊無功分量和豐富的諧波分量，這些都對電網造成了嚴重污染。為此我公司根據電網的實際污染情況，就軋機負荷對電網產生的無功功率沖擊與諧波進行了分析，提出了采用靜止型動態(tài)無功補償系統(tǒng)(SVC)的技術方案，既抑制了由于沖擊性無功功率引起的電網電壓波動，又對諧波進行了治理。

2 SVC系統(tǒng)的控制原理及組成

（1）系統(tǒng)的控制原理

SVC系統(tǒng)常用的主要有兩種方法，我公司采用的是晶閘管控制相控電抗器方法（又稱TCR）?？刂圃恚焊鶕秒娫O備負載的無功功率情況，用連續(xù)調節(jié)與電抗器串聯的晶閘管的觸發(fā)延遲角來控制自身電抗器的感性無功功率。當負載的無功功率大時，電抗器的無功功率就小；而當負載的無功功率小時，電抗器的無功功率就大；使負載的無功功率加上電抗器的無功功率之和保持基本不變。對電網而言，雖然總的無功功率是增加了，但對電網的無功功率波動（沖擊）卻是減少了，電網電壓波動也就減少了。

如圖1所示。圖中TCR控制器的輸入是負載的無功功率分量Qf和給定的允許無功功率沖擊量△Q*，其輸出是晶閘管裝置的觸發(fā)延遲角α，即相當于TCR動補裝置輸出的感性補償無功功率QTCR?？刂破鞅容^△Q*和Qf，當Qfmax-Qf=△Q≤△Q*(Qfmax負載的最大無功分量)時，控制器輸出的α使QTCR等于零。當△Q＞△Q*時，控制器輸出的α使QTCR等于△Q=△Q*。當△Q=Qfmax(即Qf=0)時，控制器輸出的α使QTCR等于Qfmax-△Q*，TCR動補裝置輸出的感性補償無功功率達到其最大值。這樣就可以保證當負載的無功功率分量Qf在0～Qfmax之間波動時，對電網的無功功率波動始終不會大于給定的允許無功功率沖擊量△Q*。

除了抑制電網電壓波動，還要就負載和TCR補償裝置產生的諧波進行治理，提高電網的功率因數（cosφ）。通常采取在電網側并聯無源濾波器來抑制進入電網的諧波電流，同時無源濾波器對基波而言呈容性，即能提供容性的無功功率，從而提高了電網的功率因數。

（2）系統(tǒng)的組成

SVC系統(tǒng)包括濾波電路、晶閘管控制的相控電抗器（又稱TCR）電路、晶閘管控制單元。濾波電路根據負載和TCR補償裝置產生的諧波電流，來確定各次諧波濾波電路及補償功率。我公司采用了3、5、7、11次濾波電路，每次濾波電路由電抗器和電容器串聯形成。TCR電路采用了三角形回路，每一支回路為雙電抗器串聯晶閘管接線方式。系統(tǒng)主回路接線方式如圖2所示。

晶閘管控制單元包括控制柜、脈沖柜和功率單元組成?？刂乒褡饔檬遣杉F場的電壓、電流信號，計算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖，同時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況。脈沖柜作用是將觸發(fā)脈沖轉換為符合要求的脈沖信號，實現晶閘管觸發(fā)。功率單元包括晶閘管、熱管散熱器、熱管阻容保護、熱管擊穿檢測等等?？刂茊卧鐖D3所示。

3 SVC系統(tǒng)的參數計算

以我公司新投建的850軋機主傳動為同步電動機為例，采用交-交變頻器供電，電網供電單線圖如圖4所示。

主要用電設備技術數據如下：

主傳動電機5000kW，1650V，1815A一臺。

主傳動三裂解變壓器3×3300kVa，10kV/1150V一臺。

主傳動勵磁整流變壓器450kVa，10kV/550V一臺。

10kV母線的短路電流最大運行方式11kA，最小運行方式8.6kA。

（1）無功功率沖擊與電壓波動

以軋機主傳動2.5倍過載作為最大的無功功率沖擊，其他用電設備的無功功率沖擊很小，可以不考慮。

有功功率

視在功率

無功功率

注：Pn為主傳動電機額定功率，kW；In為主傳動電機額定電流，A；U2為主傳動變壓器二次線電壓，kV。

10kV母線短路容量按最小運行方式計算

10kV母線電壓波動

根據國標要求10kV母線電壓波動為3%以內，現已超過較多，因此需要動態(tài)無功補償。

（2）所需的動態(tài)無功補償量

10kV母線允許的無功功率沖擊量為

所需動態(tài)無功補償量為

采用TCR補償方式，TCR的無功補償量取9 M var即可。

（3）注入電網的總諧波電流

由于軋機主傳動交流同步電動機系交-交變頻器供電，有3次諧波存在，以電動機額定電流為基準，參考計算機紡真所得結論計算諧波電流值見表1。

表1

TCR動補裝置產生的諧波電流

相控電抗器的基波額定電流

為提高動態(tài)性能，相控電抗器的相對阻抗取70%，TCR動補裝置各次最大諧波電流分別為

注入電網的總諧波電流

由于TCR也產生諧波電流，當TCR輸出最大時，軋機負載正好是最小，而軋機負載最大時，TCR輸出卻是最小，所以軋機負載和TCR輸出不可能同時最大。因此在計算注入電網的總諧波電流時，應該把軋機負載和TCR的諧波電流進行比較，取其大值作為注入電網的總諧波電流。

根據前述計算結果經過比較，軋機負載各次諧波電流均大于TCR各次諧波電流，因此注入電網的總諧波電流為：∑I3=21.5A；∑I5=80.32A；∑I7=59.94A；∑I11=36.9A；∑I13=28.67A；∑I17=18.69A；∑I19=16.52A；∑I23=12.2A；∑I25=10.89A。

（4）無濾波器時10kV母線的電壓畸變率按最小運行方式計算，10kV母線的阻抗為：XS=U2/ Skmin=102/149=0.6711?，各次諧波電流造成的10kV母線電壓畸變率為

THD=11.61%，對于10kV電網，總電壓畸變率不得超過4%?，F已超標較多，因此需加濾波器進行諧波治理。

（5）濾波器的無功補償量

由于交-交變頻器有頻譜較廣的旁頻，而且有頻率較低的旁頻，所以應設置帶高通的濾波支路。而3次、5次、7次、11次的諧波電流較大，故設置3次、5次、7次、11次4個濾波支路。

TCR的無功補償量是9Mvar，對電網而言，負載的無功功率加上TCR的無功功率基本上是一個恒定的滯后無功功率，功率因數很差，需要利用濾波器把該滯后無功功率補償掉。通常取濾波器應有的無功補償量與TCR的無功補償量相等。各濾波支路分配的無功補償量Qkh=QK×(Ih/h)/ ∑(Ih/h)，式中∑(Ih/h)=∑I3/3+∑I5/5+∑I7/7+…+∑I25/25=21.5/3+80.32/5+59.94/7+…+10.89/25=40.294A。

（6）相控電抗器參數

TCR的無功補償量為Qk=9M var，接線方式采用三角形聯結，則相控電抗器的額定電流應為

如前所述，取相控電抗器的相對阻抗為ZTCR%=70%，則相控電抗器的基波阻抗值電感值應為Z=UZTCR%/ IN=10×103×70%/300=2.33?，相控電抗器的電感值為

LTCR=Z/(2πf)=2.33×103/(2×3.14×50)=7.42mh為減少短路危險性，將每相的相控電抗器一分為二，每個相控電抗器的數據為額定電流：350A；電感值3.8mh。

4 效果測試

通過系統(tǒng)的安裝調試、投運和對10kV電網的測試，得出以下結論：

（1）靜止型動態(tài)無功補償系統(tǒng)(SVC)的動態(tài)響應時間快，大大滿足了軋機的沖擊負荷的動態(tài)無功補償。

（2）控制系統(tǒng)采用三相全控的數字控制裝置，比以往的模擬控制方式結構簡單，控制精度高，響應時間快。

（3）監(jiān)控裝置可以隨時直觀的查看系統(tǒng)設備的運行參數、曲線、歷史紀錄、故障記錄等，方便了日常維護。

（4）SVC系統(tǒng)容量的選擇是足夠的，投入使用后，經過實測各項數據達到設計要求，電網質量也符合國家標準各項要求，功率因數(cosφ)達到0.92以上。

5 應用效益

（1）直接效益

同樣以850軋機主傳動同步電動機為例。

1）SVC系統(tǒng)未投用之前，10kV電網的功率因數(cosφ=0.7)左右，按負載率80%計，有功功率P=5000×0.8=4000kW，視在功率S=P/cosφ=4000/0.7=5714kVA。每月生產按26天計，每天生產16h，每月用電量5714×26×16=2377024kW·h，10kV電價平均為0.63元/kW·h，每月電費為0.63×2377024=1497525.12元。由于功率因數未達到國家標準，電費增加10%，每月總電費為1497525.12×(1+10%)=1647277.63元。

2）SVC系統(tǒng)投用之后，10kV電網的功率因數(cosφ=0.92)，按負載率80%計，有功功率P=5000×0.8=4000kW，視在功率S=P/ cosφ=4000/0.92=4348kVA。每月生產按26天計，每天生產16h，每月用電量4348×26×16=1808768kW·h，10kV電價平均為0.63元/kW·h，每月電費為0.63×1808768=1139523.84元。由于功率因數達到國家標準，電費減少0.3%，每月總電費為1139523.84×(1-0.3%)=1136105.27元。

3）所以安裝了一套靜止型動態(tài)無功補償系統(tǒng)(SVC)，每月節(jié)約電費支出1647277.63-1136105.27=511172.36元。而一套靜止型動態(tài)無功補償系統(tǒng)價值200萬元左右，只要4個月就可收回設備成本。

（2）間接效益

1）無功功率和母線電壓波動的明顯減少，降低了變壓器及用電設備的自身損耗，提高了使用效率。

2）諧波的治理和母線電壓畸變率的明顯減少，減少了通信信號的干擾，提高了自動控制系統(tǒng)及電氣測量儀表的準確率，同時延長了用電設備的使用壽命。

[1] GB/T 14549-1993.電能質量.公用電網諧波.北京:中國標準出版社,1993.

[2] GB 12326-2000. 電能質量.電壓波動和閃變.北京:中國標準出版社,2000.

[3] GB 10236-1998.半導體電力變流器與電網互相干擾及其防護方法導則. 北京:中國標準出版社,1998.

[4] 供電營業(yè)規(guī)則.電力工業(yè)部1996年發(fā)布施行.

[5] 王兆安等編著. 諧波抑制和無功功率補償.北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[6] 馬小亮著. 大功率交-交變頻調速及矢量控制技術,北京:機械工業(yè)出版社,2004.