舒延國(guó)

(重慶三環(huán)監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，重慶 400000)

SVC(Static Var Compensator)，是靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的簡(jiǎn)稱(chēng)，區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式(通過(guò)開(kāi)關(guān)投切電容器或通過(guò)分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電容器端電壓)，SVC 屬于動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償產(chǎn)品，它具有最快10 ms 的響應(yīng)速度。SVC 成套裝置一般由可調(diào)電抗(通過(guò)可控硅單元或硅閥調(diào)節(jié))，F(xiàn)C 無(wú)源濾波，以及控制和保護(hù)系統(tǒng)組成。目前，根據(jù)可調(diào)電抗器的調(diào)節(jié)方式及工作原理不同，又可分為T(mén)CR 型(晶閘管控制的電抗器)、TCT 型(晶閘管控制的變壓器)、MCR 型(磁控電抗器)3 種類(lèi)型。

重慶鋼鐵集團(tuán)1780 熱軋機(jī)電源為35 kV 三個(gè)回路進(jìn)行供電，其中兩個(gè)回路作為工作電源為，另一回路作為備用。在兩個(gè)工作回路上裝設(shè)有SVC 裝置，以對(duì)該廠生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的感性無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。同時(shí)，能夠?yàn)V除有害的諧波電流。

1 諧波產(chǎn)生的原因

在大型冶金軋機(jī)中多采用交-交變頻供電的同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在變頻器的變流過(guò)程中，電源波形失去正弦形狀而呈階梯形。典型波型見(jiàn)圖1。

在圖中，(a)圖為六脈沖交流電路，整流變壓器為Y/Y組別，變壓器原邊的A 相電流波形，B 相和C 相分別滯后它π/3 和4π/3 電角度。(b)圖中為六脈沖，變壓器組別為Y/△，變壓器的原邊電流波形。(c)圖中為12 脈沖，變壓器組別為Y/Y·△，變壓器原邊電流的波形。

由傅里葉級(jí)數(shù)理論，圖1 中(a)圖、(b)圖、(c)圖按奇函數(shù)展開(kāi)為:

圖1 電源波形示意圖

對(duì)于(a)圖，(b)圖有f(x)= b1sinx +b5sin5x +b7sin7x +b11sin11x +b13sin13x +…

其中，則為基波幅值，b1、b5、b7、b11、b13為1 次、5 次、7 次、11次、13 次諧波幅值。

基波用于做功，其余其次諧波將污染電源，必須將其濾除。從值的表達(dá)式，可以看出=1/n，可見(jiàn)17 及19 次諧波幅值較小，對(duì)電源危害不大，在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)可以將其忽略。

對(duì)于(c)圖，將其展開(kāi)為:

可見(jiàn)，采用12 脈沖變流電路，將5、7 次諧波濾除，總的諧波成份將減少很少。

由上分析可知，治理諧波主要對(duì)b5、b7、b11、b13，必須把它們從電源中濾除。

2 濾波器工作原理

圖2 中表示了無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)，當(dāng)電抗和電容參數(shù)配置滿(mǎn)足頻率f 諧振，且i1(f)、i2(f)、i3(f)為三相對(duì)稱(chēng)，則它們就流進(jìn)濾波器;對(duì)于“0”點(diǎn)，有:

圖2 無(wú)源濾波器基本結(jié)構(gòu)

這時(shí)，該次諧波就能被濾除。由前面分析所知，諧波電流為電流源生成，故在濾波過(guò)程中，只有少許由于自身體阻抗損耗。

前面列出的5 次、7 次、11 次、13 次諧波均滿(mǎn)足式i1(f)+i2(f)+i3(f)=0，故均可被濾除。其它次諧波如h3、h6、h9等，為零序分量，無(wú)法進(jìn)行濾除。

由此可見(jiàn)，濾波器對(duì)特定諧波起到濾波的作用，在接在50 Hz 電源上，有電流產(chǎn)生，一般呈容性，又能起到無(wú)功靜止補(bǔ)償作用。

3 濾波器校核

3.1 濾波器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 三次諧波濾波器結(jié)構(gòu)

電抗器參數(shù):35 kV 200 A 47.14 mH

電容器參數(shù):7.3 kV 400 kvar 24 μF

電容器額定電流:Ie=400/7.3 =54.8 A

可允許長(zhǎng)期電流:I=4Ie=219.2 A

等效電容值(4 并4 串):C=24 μF

電容可承受電壓:U=4 ×7.3 =29.2 kV

當(dāng)頻率為f=50 Hz

電抗值:

容抗值:

相電流:

電容器實(shí)際承受電壓UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=22.74 kV，相位圖見(jiàn)圖4。

圖4 三次諧波相位

從上面計(jì)算，電抗器、電容器均不過(guò)載，也不過(guò)壓。

補(bǔ)償量計(jì)算:

由于h3濾波器的電流為零序，則設(shè)置該濾波器有原理性錯(cuò)誤，故不做諧振校核。

3.2 h5 濾波器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

圖5 五次諧波濾波器結(jié)構(gòu)圖

電抗器參數(shù):35 kV 380 A 7.97 mH

電容器參數(shù):6.5 kV 450 kvar 34.78 μF

電容器額定電流:Ie=450/6.5 =69.2 A

可允許長(zhǎng)期電流:

I=6Ie=6 ×69.2 A=415.2 A

等效電容值(6 并4 串):

C=6/4 ×34.78 =54.17 μF

容可承受電壓:

U=4 ×6.5 =26 kV

當(dāng)頻率為f=50 Hz，

電抗值:

XL=2πfL≈2 ×3.14 ×50 ×7.97 ×10-3=2.503 Ω容抗值:

相電流:

電容器實(shí)際承受電壓UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U +IXL=21.071 kV，相位圖見(jiàn)圖4。

圖6 五次諧波相位

上面計(jì)算，電抗器、電容器可長(zhǎng)期工作。

補(bǔ)償量計(jì)算:

h5濾波器諧振校核:

XL=5 ×2.503 =12.515 Ω

XC=1/5 ×61.04 =12.208 Ω

由此可見(jiàn)，h5濾波器基本諧振。

3.3 h7 濾波器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7 所示。

圖7 七次諧波濾波器結(jié)構(gòu)

電抗器參數(shù):35 kV 230 A 6.87 mH

電容器參數(shù):6.5 kV 400 kvar 30.45 μF

電容器額定電流:Ie=400/6.5 =61.5 A

可允許長(zhǎng)期電流:I=4Ie=246 A

等效電容值(4 并4 串):C=30.45 μF

電容可承受電壓:U=4 ×6.5 =26 kV

當(dāng)頻率為f=50 Hz，

電抗值:

容抗值:

相電流:

電容器實(shí)際承受電壓UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=20.63 kV，相位圖見(jiàn)圖8。

圖8 七次諧波相位

從上面計(jì)算，電抗器、電容器均不過(guò)載，也不過(guò)壓。

補(bǔ)償量計(jì)算:

h5濾波器諧振校核:

由此可見(jiàn)，h7濾波器基本諧振核。

3.2 h11濾波器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖9 所示。

圖9 11 次諧波濾波器結(jié)構(gòu)

電抗器參數(shù):35 kV 360 A 1.69 mH

電容器參數(shù):6.2 kV 400 kvar 33.12 μF

電容器額定電流:Ie=450/6.2 =63.5 A

可允許長(zhǎng)期電流:I=6Ie=381 A

等效電容值(4 并4 串):C=6/4 ×33.12 =49.68 μF

電容可承受電壓:U=4 ×6.2 =24.8 kV

當(dāng)頻率為f=50 Hz，

電抗值:

容抗值:

相電流:

電容器實(shí)際承受電壓UC

由于U=I(XC-XL)，即UC=U+IXL=20.67 kV，相位圖見(jiàn)圖10。

圖10 11 次諧波相位

從上面計(jì)算，電抗器、電容器可長(zhǎng)期工作。

補(bǔ)償量計(jì)算:

h11濾波器諧振校核:

XL=11 ×0.53 =5.83 Ω

XC=1/11 ×64.1≈5.82 Ω

由此可見(jiàn)，h11濾波器基本諧振。

4 無(wú)功平衡計(jì)算

1)各組電容器提供容性無(wú)功:

2)負(fù)載產(chǎn)生無(wú)功

根據(jù)交-交變頻器在各參數(shù)額定的情況下，其中cos φ=0.68

負(fù)載裝機(jī)容量:軋機(jī):

2 ×8 000 +4 ×8 000 +2 ×75 000 +7 000 =70 000 kW

飛剪:2 300 kW

共計(jì):72.3 MW

負(fù)載感性無(wú)功

由cosφ=0.68，知sinφ=0.75，QL=79.53 Mvar。

3)TCR 提供感性無(wú)功

QL=62 Mvar。

4)無(wú)功平衡計(jì)算

1)變流器工作時(shí)，QC=62.55 Mvar，變流器產(chǎn)生無(wú)功，QL=40 Mvar。

這時(shí)，若保持電源cosφ =1，則TCR 提供無(wú)功為QL=62.55 -40 =22.55 Mvar

2)變流器不工作時(shí)，QC=62.55 Mvar，TCR 提供無(wú)功為QL=62.55 Mvar，兩者基本平衡。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)靜態(tài)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置(SVC)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，在使用過(guò)程證明其能很好地抑制5 次、7 次、11 次諧波，而對(duì)3次諧未起作用，因此建議取消3 次諧波裝置。在風(fēng)電場(chǎng)、冶金、電氣化鐵路，煤炭等工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用日益普遍。靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)能很好解決各種負(fù)載所產(chǎn)生的無(wú)功沖擊。使電網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯改善，功率因數(shù)明顯提高。因此研究它有著非常大的現(xiàn)實(shí)意義。

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