王寶峰，張 宏，方新華

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)公司第二煉軋廠，河南安陽(yáng)455004)

0 引言

安陽(yáng)鋼鐵公司1 780 mm熱連軋生產(chǎn)線共八臺(tái)主軋機(jī)，包括一臺(tái)粗軋機(jī)和七臺(tái)精軋機(jī)，其主傳動(dòng)電機(jī)粗軋機(jī)組為2×7 500 kW交交同步電機(jī)，精軋機(jī)組F1-F4為9 000 kW，F(xiàn)5-F6為8 000 kW，F(xiàn)7為7 500 kW?？刂葡到y(tǒng)采用西門子SIMADYND全數(shù)字32位處理器組成的矢量控制交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)穩(wěn)定可靠高性能的調(diào)速控制。

全部設(shè)備均接入35 kV母線Ⅰ段和Ⅱ段與上級(jí)電網(wǎng)相連，由于軋機(jī)及其附屬設(shè)備的特殊負(fù)荷性能，給電網(wǎng)造成了母線電壓低，功率因數(shù)低，電網(wǎng)電壓畸變等不良影響，因此為提高軋機(jī)利用率及電能質(zhì)量，在35 kV母線上設(shè)置了一套SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置，該裝置采用的是固定電容－晶閘管控制電抗型無(wú)功補(bǔ)償器(FC-TCR)型，工程接線圖如圖1所示:

圖1 SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置工程接線圖

采用 H2、H3、H5、H7、H11 支路主要為防止 2、3、5、7、11次諧波干擾，其中在3次諧波附近并聯(lián)濾波，主要為防止2次諧波的干擾，在1 780 mm管線鋼等高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中曾發(fā)現(xiàn)由于偶次(2次)諧波干擾，造成電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變而造成兩臺(tái)變壓器燒損的重大事故，并聯(lián)該路濾波后有效抑制了2、3、5、7、11次諧波的干擾，取得了很好的濾波效果。

1 軋機(jī)調(diào)速特性分析

軋機(jī)在生產(chǎn)當(dāng)中產(chǎn)生的有功和無(wú)功負(fù)荷很大，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)質(zhì)量和變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。傳動(dòng)上由于采用了交—交變頻調(diào)速裝置，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致母線電壓的畸變［1］。在自動(dòng)化控制技術(shù)上，由于金屬秒流量等速度前饋調(diào)整控制及活套張力控制的投入［2］，導(dǎo)致軋機(jī)速度不斷的變化，為滿足速度而導(dǎo)致軋機(jī)負(fù)荷產(chǎn)生很大的波動(dòng)，加重了電壓的畸變，電網(wǎng)功率因數(shù)降低至0.45，加重了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，降低了供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此采用該套無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)。

2 SVC工作原理及基本系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 工作原理

SVC稱為“靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器”，主要用于補(bǔ)償用戶母線上的無(wú)功功率，這是通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)其自身無(wú)功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用Qs表示系統(tǒng)總無(wú)功功率，Qf為用戶負(fù)荷的無(wú)功功率，Ql為晶閘管控制電抗器(簡(jiǎn)稱TCR)的無(wú)功功率，Qc為電容器無(wú)功功率，上述平衡過(guò)程可以用以下公式來(lái)表達(dá):

圖2 無(wú)功補(bǔ)償原理示意圖

如圖2所示，A為系統(tǒng)工作點(diǎn)。負(fù)荷工作時(shí)產(chǎn)生感性無(wú)功Qf，補(bǔ)償裝置中的電容器組提供固定的容性無(wú)功Qc，一般情況下后者大于前者，多余的容性無(wú)功由TCR平衡。當(dāng)用戶負(fù)荷Qf變化時(shí)，SVC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)TCR電流從而改變Ql值以跟蹤，實(shí)時(shí)抵消負(fù)荷無(wú)功，動(dòng)態(tài)維持系統(tǒng)的無(wú)功平衡。

TCR的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管和電抗器串聯(lián)。晶閘管在電源電壓的正負(fù)半周輪流工作，當(dāng)晶閘管的控制角α在90°～180°之間時(shí)，晶閘管受控導(dǎo)通(控制角為90°時(shí)完全導(dǎo)通，180°時(shí)完全截止)。在網(wǎng)壓基本不變的前提下，增大控制角將減小TCR電流，減小裝置的感性無(wú)功功率;反之減小控制角將增大TCR電流，增大裝置的感性無(wú)功。其電壓-電流特性曲線如圖3(b)所示，每條曲線是TCR在導(dǎo)通角為某一特定角度下的伏安特性。就電流的基波分量而言，TCR裝置相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電納。其等效電納為:

其中α為晶閘管導(dǎo)通角，L為電抗器電感值，W為網(wǎng)壓的角頻率。

圖3 TCR裝置的組成和工作原理

對(duì)于不對(duì)稱負(fù)荷，應(yīng)采用分相調(diào)節(jié)。TCR分相調(diào)節(jié)的理論基礎(chǔ)為STEINMETZ理論，在此理論指導(dǎo)下，SVC能夠?qū)⒇?fù)荷補(bǔ)償為純有功的三相平衡系統(tǒng)。

STEINMETZ理論結(jié)合出多種表達(dá)形式，本控制器采用如下補(bǔ)償電納公式:

其中:

3、Vab，Vbc，Vca為系統(tǒng)網(wǎng)壓(線電壓)瞬時(shí)值;

4、ia(l)，ib(l)，ic(l)為系統(tǒng)網(wǎng)流瞬時(shí)值;

與交流配網(wǎng)不同，多端柔性直流配電網(wǎng)內(nèi)帶有大量電力電子設(shè)備，系統(tǒng)阻抗小短路電流傳播速度快、幅值大；存在多電源環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式，直流線路存在T型接法且長(zhǎng)度較短，使得故障選線定位較為困難。鑒于此，需要研究適用于多端直流配電網(wǎng)的保護(hù)配置策略。

5、T為采樣周期，等于10 ms。

三相平衡負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償通常采用平衡調(diào)節(jié)算法，而三相不平衡負(fù)荷(如電弧爐、電氣化鐵路等負(fù)載)則廣泛采用分相調(diào)節(jié)，能夠取得良好的電能質(zhì)量治理效果。

2.2 SVC控制系統(tǒng)組成

SVC控制系統(tǒng)有控制柜、脈沖柜和功率單元三部分組成?？刂乒癫捎矛F(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流信號(hào)，計(jì)算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖，同時(shí)檢測(cè)晶閘管運(yùn)行狀況。脈沖柜將觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換為符合要求的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。功率單元由晶閘管、組容吸收、熱管散熱器、脈沖變壓器、BOD板和擊穿檢測(cè)板六部分組成，串入電抗器回路，在脈沖信號(hào)控制下操縱晶閘管通斷，使電抗器流過(guò)預(yù)期的補(bǔ)償電流。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖4:

圖4 SVC控制系統(tǒng)基本組成簡(jiǎn)圖

2.3 RCJ單元

晶閘管一個(gè)重要的參數(shù)-斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt，表明晶閘管在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。若電壓上升率過(guò)大，超過(guò)了晶閘管的上升率，則會(huì)在無(wú)門極信號(hào)的情況下開通，及時(shí)此時(shí)加于晶閘管的正向電壓低于其峰值電壓，也可能發(fā)生這種情況，因?yàn)榫чl管可以看做是由三個(gè)PN結(jié)組成。

為了限制電路電壓上升率過(guò)大，確保晶閘管安全運(yùn)行，常在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來(lái)限制電壓上升率。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械模耘c電容C串聯(lián)電阻R可以起到阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過(guò)渡過(guò)程中，因?yàn)檎袷幵陔娙輧啥顺霈F(xiàn)過(guò)電壓損壞晶閘管，同時(shí)避免電容器通過(guò)晶閘管放電電流過(guò)大，造成過(guò)電流而損壞晶閘管。另外RCJ單元還有取能作用，為擊穿檢測(cè)模塊提供工作電壓。

2.4 擊穿檢測(cè)

擊穿檢測(cè)模塊是檢測(cè)晶閘管是否正常工作的模塊。由于晶閘管在本系統(tǒng)中不可能完全導(dǎo)通，這樣可控硅承受一定的電壓，這個(gè)能量通過(guò)電容的充放電形成了一個(gè)交變電壓，把這個(gè)交變電壓送給擊穿檢測(cè)模塊，擊穿檢測(cè)模塊通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓管，在通過(guò)一個(gè)限流電阻點(diǎn)亮發(fā)光頭，把光送給擊穿檢測(cè)單元，速度快而準(zhǔn)確，通過(guò)擊穿檢測(cè)單元，來(lái)檢測(cè)晶閘管是否被擊穿。

3 SVC投用后取得的效果

3.1 功率因數(shù)得到提高

SVC投用之后，35 kV電網(wǎng)功率因數(shù)得到明顯的提高，投入SVC之前功率因數(shù)僅為0.5左右，投入之后功率因數(shù)提高到0.99，極大提高了變壓器的使用效率，減少了無(wú)功損耗。

3.2 電網(wǎng)電壓波動(dòng)得到改善

SVC投用前在正常軋制時(shí)35 kV母線電壓波動(dòng)最高可達(dá)到11.4%，SVC投入之后僅為1.3%左右，滿足國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn) 2%［3］。

3.3 諧波干擾極大降低

SVC投入之前，由于諧波干擾，造成35 kV母線電壓嚴(yán)重畸變，造成軋線無(wú)法升速軋制。投入之后，極大的提高了軋機(jī)利用率，提高了產(chǎn)量。

3.4 消除了偶次諧波影響

SVC投入之前由于2次諧波干擾，造成了兩臺(tái)19 000 kVA變壓器燒損的重大設(shè)備事故，本套SVC系統(tǒng)的偶次濾波極大的改善了電網(wǎng)環(huán)境，消除了該次諧波的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上分析可以看出，SVC系統(tǒng)對(duì)軋機(jī)等非線性負(fù)荷產(chǎn)生的電網(wǎng)電壓波動(dòng)和畸變、諧波電流以及功率因數(shù)等一系列電能質(zhì)量問(wèn)題等都有良好的改善作用，對(duì)于當(dāng)今電網(wǎng)環(huán)境的改善有著極大的可行性。

［1］馬小亮.大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.10.

［2］孫一康.帶鋼熱連軋的模型與控制［M］.北京:北京冶金工業(yè)出版社，2007.

［3］中國(guó)全國(guó)電壓電流等級(jí)和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)編.電壓電流頻率和電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

［4］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］劉錦波，張承慧.電機(jī)與拖動(dòng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.