劉軼,謝四喜
(1.邯鄲市卓立精細(xì)板材有限公司,河北 邯鄲 056700;2.天津市先導(dǎo)倍爾電氣有限公司,天津 300300)
某二期工程新建一個35kV變電站,向新設(shè)備供電。該變電站進(jìn)線電壓為35kV,向新區(qū)供電電壓采用10kV電壓。其主要負(fù)荷為可逆冷軋機組和電鍍錫生產(chǎn)線,還包含若干其他輔助設(shè)備。
各機組的負(fù)荷情況簡介如下。
1)可逆冷軋機組采用直流電機驅(qū)動,通過多臺10/0.63kV以及10/0.4kV 整流變壓器分別向各機組直流電機的整流單元供電,整流單元采用的是反并聯(lián)三相全控橋式整流電路。各冷軋機組的主要驅(qū)動電機從316kW到1250kW共有21臺,總裝機容量為11234kW。
2)電錫生產(chǎn)線的總裝機容量約15500kW,傳動部分除個別小容量設(shè)備采用了直流電機,大多為矢量控制的交流變頻驅(qū)動裝置。生產(chǎn)線的工藝段采用了容量很大的低壓大電流的整流設(shè)備,整流設(shè)備采用的是雙反星形的電路方式;涂鍍后段還有大容量的軟熔設(shè)備,該設(shè)備采用了V/v連接組別的變壓器,原邊為三相供電,副變輸出為單相。
可逆冷軋設(shè)備運行的特點導(dǎo)致了機組的功率因數(shù)和諧波含量在一個軋制周期中頻繁變化,而且波動范圍極大。卷取機的功率因數(shù)反映到變壓器的原邊基本在0.2左右甚至更低,主機功率因數(shù)最高時能夠達(dá)到0.8,一般也會在0.5左右,根據(jù)以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算,月平均自然功率因數(shù)為0.59~0.73之間。諧波主要含有5,7,11,13次諧波,諧波含量大約在10%~20%之間。
電鍍錫生產(chǎn)線上雖然工藝整流設(shè)備用了多重化的技術(shù)能夠有效降低諧波,但是電阻軟溶設(shè)備的使用會導(dǎo)致2個方面的問題,1)三相不平衡;2)負(fù)荷不穩(wěn)定,諧波很大,而且無規(guī)律。
根據(jù)公司的發(fā)展規(guī)劃,先期上一臺容量為20 000kV·A,35kV/10kV動力變壓器供電,供電系統(tǒng)為2段10kV母線,中間通過母聯(lián)開關(guān),實現(xiàn)在一臺20 000kV·A,35kV/10kV動力變壓器時實現(xiàn)10kV母線I,II段同時供電。
由于SVG通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓,如圖1所示,SVG就像一個電壓型逆變器,其交流側(cè)輸出接的不是無源負(fù)載,而是電網(wǎng)。因此SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器接到電網(wǎng)上。連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流,因此改變SVG交流側(cè)輸出電壓的幅值及其相對于系統(tǒng)的相位,就可以改變連接電抗上的電壓,從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值,也就控制了SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。
圖1 SVG電氣原理簡圖Fig.1 SVG electrical principle diagram
靜止無功補償技術(shù)經(jīng)歷了3代:第1代為機械式投切的無源補償裝置,屬于慢速無功補償裝置,在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早,目前仍在應(yīng)用;第2代為晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor,TCR)與和固定電容器(fixd capacitor,F(xiàn)C)共同構(gòu)成為代表的靜止型無功補償裝置(static var compensator,SVC),出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代,國外應(yīng)用普遍,我國目前主要用于配電系統(tǒng)中,輸電系統(tǒng)中應(yīng)用很少;第3代為基于電壓源換流器的靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM),亦稱SVG,屬快速的動態(tài)無功補償裝置,國外從20世紀(jì)80年代開始研究,90年代末得到較廣泛的應(yīng)用。
早期的無功補償裝置主要是無源裝置,方法是在系統(tǒng)母線上并聯(lián)或者在線路中串聯(lián)一定容量的電容器或者電抗器。這些補償措施改變了網(wǎng)絡(luò)參數(shù),特別是改變了諧波阻抗、電氣距離和系統(tǒng)母線上的輸入阻抗。無源裝置使用機械開關(guān),它不具備快速性、反復(fù)性、連續(xù)性的特點,因而不能實現(xiàn)短時糾正電壓升高或降落的功能。
20世紀(jì)70年代以來,以晶閘管控制的電抗器(TCR)、晶閘管投切的電容器(TSC)以及二者的混合裝置(TCR+TSC)等主要形式組成的靜止無功補償器(SVC)得到快速發(fā)展。SVC可以看成是電納值能調(diào)節(jié)的無功元件,它依靠電力電子器件開關(guān)來實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。SVC作為系統(tǒng)補償時可以連續(xù)調(diào)節(jié)并與系統(tǒng)進(jìn)行無功功率交換,同時還具有較快的響應(yīng)速度,它能夠維持端電壓恒定。
SVC雖然能對系統(tǒng)無功進(jìn)行有效的補償,但是由于換流元件關(guān)斷不可控,因而容易產(chǎn)生較大的諧波電流,而且其對電網(wǎng)電壓波動的調(diào)節(jié)能力不夠理想。隨著大功率全控型電力電子器件GTO,IGBT及IGCT的出現(xiàn),特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)、4象限變流技術(shù)的提出使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展,以此為基礎(chǔ)的無功補償技術(shù)也得以迅速發(fā)展。電壓型的STATCOM(SVG)直流側(cè)采用直流電容為儲能元件,通過逆變器中電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓。當(dāng)只考慮基波頻率時,STATCOM 可以看成一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源通過電抗器聯(lián)到電網(wǎng)上。由于STATCOM 直流側(cè)電容僅起電壓支撐作用,所以相對于SVC中的電容容量要小得多。此外,SVG和SVC相比,SVG的調(diào)節(jié)速度更快,運行范圍更寬,而且在采用多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后大大減少補償電流中的諧波含量,更重要的是,SVG使用的電抗器和電容器元件比SVC中使用的電抗器和電容器要小,這將大大縮小裝置的體積和成本,SVG具有如此優(yōu)越的性能,顯示了動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。
SVGR有源動態(tài)無功和諧波補償裝置是由鏈?zhǔn)届o止同步補償(STATCOM/DSTATCOM,又稱為SVG)和固定電容器(FC)共同構(gòu)成的,按各自容量的不同可組合成各種補償范圍的有源動態(tài)無功和諧波補償裝置。
以產(chǎn)品型號 SVG-L10/03-03/H 示例:L 用于負(fù)荷(配電)側(cè)補償。如果是S則表示用于系統(tǒng)(供電)側(cè)補償。其他代表額定電壓為10kV、補償容性容量3Mvar、補償感性容量3Mvar、具有濾波功能。
根據(jù)新建35kV變電所發(fā)展要求,結(jié)合SVGL10系列動態(tài)有源動態(tài)無功和諧波補償裝置的特點,考慮現(xiàn)場安裝場地及今后擴容發(fā)展等因素,在10kV母線上通過高壓開關(guān)柜接入固定補償容量6 000kvar的FC,串聯(lián)電抗器做成LC 5次濾波支路;提供一套動態(tài)補償通過高壓開關(guān)柜接入10 kV的SVG裝置,SVG的容量為±6Mvar(可以發(fā)6Mvar的感性無功和6Mvar的容性無功),并可以濾除13次以內(nèi)的諧波,設(shè)備型號為SVG-L10/12-0/H,組成無功功率補償范圍0~12Mvar的有源動態(tài)無功和諧波補償裝置。圖2為主回路電氣原理圖。
圖2 主回路電氣原理圖Fig.2 Schematic diagram of main circuit
SVG由控制柜、功率柜、啟動柜及聯(lián)接電抗器4部分組成。如圖3所示。
圖3 SVG部分電氣原理圖Fig.3 SVG parts electrical principle diagram
控制柜內(nèi)安裝有SVG控制系統(tǒng),包括:控制器、脈沖發(fā)生器和脈沖分配器。
主控制器安裝于控制柜中,由主控機箱、PLC(可編程邏輯控制器)和觸摸屏等幾個主要部分組成,如圖4所示。各部分功能如下。
1)觸摸屏:人機界面。
2)PLC:控制觸摸屏的顯示與操作,并完成濾波電容器組的投切控制。其中一個RS485串口與主控機箱連接,另一個RS485口與觸摸屏連接。
3)主控機箱:由各功能板卡組成,完成核心的控制功能,采用6U21槽機箱。
圖4 控制器的基本構(gòu)成圖Fig.4 The basic structure of controller
3.2.2 功率柜——換流鏈
SVG功率模塊如圖5所示。每相采用12個功率模塊串聯(lián)(星接),串聯(lián)在一起的功率模塊組成換流鏈,三相共36個功率模塊,其中每相有1個是冗余模塊。換流鏈通過連接電抗器接入電網(wǎng)。SVG采用自勵啟動及鏈節(jié)自取電技術(shù),每個鏈節(jié)從自身和相鄰鏈節(jié)取得控制電源,使得可以實現(xiàn)N+1冗余運行。
1)模塊控制采用大規(guī)模FPGA芯片載波移相多電平空間矢量PWM控制策略,電路簡單,抗干擾能力強,可靠性高。
2)采用自勵啟動技術(shù),使得裝置投入時沖擊電流小。
3)模塊面板共4個電氣端子,4個光纖端子,接線簡單,還設(shè)有若干狀態(tài)及故障指示燈,方便維護及檢修。
4)由IGBT組成的H橋電路輸出的交流逆變電壓相位和幅值可靈活控制,從而實現(xiàn)動態(tài)提供容性或者感性無功的功能。
功率模塊如圖6所示。
圖6 功率模塊的聯(lián)接示意圖Fig.6 Schematic diagram of power module
通過數(shù)字信號處理器(DSP)根據(jù)主控制器的調(diào)制比M和相角差δ生成參考電壓矢量,按照參考電壓分解的調(diào)制方法計算各開關(guān)狀態(tài)和作用時間,并通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給FPGA,從而決定各橋臂開關(guān)的脈沖,脈沖經(jīng)分配處理后驅(qū)動IGBT。如果采用基于載波移相的SVM,N個逆變橋載波相互錯開2π/N角度,總的輸出電壓可以有效地消除低次諧波。其輸出波形如圖7所示。
圖7 單個功率模塊的輸出波形Fig.7 The single power module output waveforms
經(jīng)疊加后形成的波形如8所示。
圖8 經(jīng)疊加后形成的波形圖Fig.8 Superposed waveform graph
3.2.3 連接電抗器
SVG的連接電抗器(將裝置接入系統(tǒng)的連接橋梁)由3臺單相空心電抗器組成,戶內(nèi)安裝,電抗器的額定容量為SVG裝置額定容量的12%。
3.2.4 啟動柜
SVG啟動部分結(jié)構(gòu)簡單,由電動隔離開關(guān)和電阻并聯(lián)構(gòu)成。啟動柜僅在SVG投運前投入工作,SVG投運后啟動柜內(nèi)隔離開關(guān)閉合,啟動柜被旁路。啟動柜主要作用是限制SVG送電時每個鏈節(jié)上直流電容的充電電流,避免電流過大導(dǎo)致IGBT模塊或直流電容損壞。
3.3.1 動態(tài)補償裝置采用了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)
將多個兩電平H橋電路串聯(lián)起來,達(dá)到電壓疊加的目的。與傳統(tǒng)的多重化變流器技術(shù)方案相比,鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的SVG省略了多重化連接變壓器,不但減小了占地面積,降低了裝置成本,而且避免了多重化逆變變壓器激磁回路中剩磁和飽和非線性導(dǎo)致的裝置過電壓和過電流。在接入系統(tǒng)受到擾動時,鏈?zhǔn)诫娐房梢苑窒噙M(jìn)行控制以便更好地提供電壓支撐作用。不僅如此,采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的SVG還可以降低功率器件的開關(guān)頻率,降低開關(guān)損耗。
鏈?zhǔn)降闹C波特性優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)。采用SP-WM(正弦脈寬調(diào)制)或SHEPWM(特定消諧),通過高的開關(guān)頻率或優(yōu)化的IGBT開關(guān)角極大降低了諧波含量,有效利用直流側(cè)電壓、減小對電網(wǎng)的污染和裝置自身損耗,并能做到短時有功及諧波補償,諧波完全符合國標(biāo)。
3.3.2 SVG的鏈?zhǔn)侥K串聯(lián)的均壓特點
鏈節(jié)模塊的串聯(lián)是多個逆變電源的串聯(lián),而不是IGBT的直接串聯(lián),所以并不需要模塊的一致性,而且每個模塊的脈沖錯開一定的角度,即IGBT并非同時導(dǎo)通,所以產(chǎn)生過電壓的機會并不多。采用脈沖循環(huán)控制機制,直流側(cè)電壓波動在5%范圍之內(nèi)。
3.3.3 具備諧波補償功能
當(dāng)需要補償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時,SVG檢測出補償對象負(fù)載電流的諧波分量,將其反極性后作為補償電流的指令信號,由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等、方向相反,因而兩者互相抵消,使得電源電流只含基波,不含諧波。諧波補償電氣原理簡圖見圖9。
3.3.4 SVG產(chǎn)品技術(shù)特點
圖9 諧波補償電氣原理簡圖Fig.9 Harmonic compensation electrical principle diagram
1)控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化設(shè)計,采用DSP+FPGA+CPLD的硬件模式,能夠并行處理大量數(shù)據(jù)、實時數(shù)字運算,運算結(jié)果精度高,響應(yīng)速度快。
2)控制系統(tǒng)和逆變器之間采用的光纖傳輸信號,徹底解決高低壓隔離問題,避免電磁信號的干擾,SVG工作更加穩(wěn)定可靠。
3)監(jiān)控系統(tǒng)具有友好的人機界面,便于控制和查詢故障類型和故障位置。監(jiān)控及保護系統(tǒng)通過通訊管理單元與上級自動化系統(tǒng)實現(xiàn)通訊,通訊管理單元主要完成規(guī)約轉(zhuǎn)換的功能,這樣可以實現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)視和控制,實現(xiàn)無人值守。
4)動態(tài)補償??赏瑫r對無功功率和諧波進(jìn)行補償,且補償無功功率可做到連續(xù)平滑雙向調(diào)節(jié)。
5)節(jié)能降耗。通過無功及諧波補償,不僅減少無功損耗,避免諧波在變壓器內(nèi)造成更大損耗,還可以提高電氣設(shè)備利用率,提高單位時間內(nèi)注入設(shè)備的有功功率,工作效率大大提高,節(jié)能降耗的效果顯著。
6)安全穩(wěn)定性好。傳統(tǒng)的補償系統(tǒng)均屬于阻抗型補償裝置,對系統(tǒng)參數(shù)很敏感,當(dāng)參數(shù)配置不合理、或者一段時間后,系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化,很容易引起系統(tǒng)諧振或諧波電流放大,這也是一些傳統(tǒng)補償設(shè)備經(jīng)常運行不正常的重要原因之一。諧振或諧波電流放大不僅危害補償系統(tǒng)自身的設(shè)備安全,對系統(tǒng)其他設(shè)備的安全也是隱患。
SVG是電流可控型,對系統(tǒng)參數(shù)不敏感,不會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振,發(fā)生諧波放大的情況;即使補償對象電流過大,SVG也不會發(fā)生過載,并能正常發(fā)揮補償作用,動態(tài)連續(xù)平滑的發(fā)(吸)無功,補償電流完全可控,不存在過功率因數(shù)過補償現(xiàn)象,不會出現(xiàn)無功反送的情況。能夠跟蹤電網(wǎng)頻率的變化,故補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
7)響應(yīng)時間短。SVG的響應(yīng)時間不大于10 ms,對于快速暫態(tài)過程,有著重要的響應(yīng)速度優(yōu)勢。對于閃變補償而言,在無功容量足夠的情況下,補償裝置輸出無功的響應(yīng)時間是閃變補償效果的主要決定因素。在相同的補償容量下,響應(yīng)時間越小的補償裝置對電壓閃變的補償效果越好;在同等閃變抑制要求下,響應(yīng)時間越小的補償裝置所需要的補償容量也越小。
8)占地面積小。SVG以半導(dǎo)體功率器件構(gòu)成的逆變器為核心,使用直流電容器儲能,無體積龐大的濾波支路和電抗器,特別適合于對占地面積要求較高的場合。
通過使用XDSVG-L10系列動態(tài)有源動態(tài)無功和諧波補償裝置,10kV母線功率因數(shù)大于0.95,且無過補現(xiàn)象,電網(wǎng)電壓波動小于2%,諧波含量優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn),設(shè)備運行穩(wěn)定可靠,占地面積小,今后擴容更加方便,投資更加節(jié)省。為使用單位創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。
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