江文輝

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

隨著工業(yè)冶煉行業(yè)的不斷發(fā)展，電能已成為現(xiàn)代行業(yè)的主要能源。電能質(zhì)量的利用率、供電效率以及電流波動大等因素極大地影響了電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，同時也影響了企業(yè)的供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。在電力系統(tǒng)中，通常使用無功率因素最小化來衡量、比較電網(wǎng)運行效率。因此，必須使無功功率達(dá)到相對最低的平衡。合理性選擇無功功率補償器，提高電網(wǎng)有功功率，降低無功網(wǎng)損［1］，為企業(yè)及用戶提供安全、可靠、穩(wěn)定、高效的電能是十分重要的。

2 SVG工作原理和結(jié)構(gòu)

2.1 SVG工作原理

靜止無功發(fā)生器SVG（以下簡稱SVG），又稱高壓動態(tài)無功補償裝置，或靜止同步補償器，是指將自由換相電力半導(dǎo)體橋式電路經(jīng)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)中，通過檢測模塊檢測電網(wǎng)中的電壓、電流，加以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或直接控制其交流側(cè)電流，迅速吸收或者發(fā)出所需的無功功率，實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的，以無功補償為主，兼顧諧波補償功能［2］。通過檢測設(shè)備中的負(fù)載電流，控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)運算，驅(qū)動PWM變流器，使SVG輸出與用電設(shè)備中大小相等，方向相反的無功電流，從而相互抵消用電設(shè)備產(chǎn)生的無功［3］，以達(dá)到無功補償?shù)哪康?。如圖1所示。

圖1 SVG工作原理

2.2 SVG主要結(jié)構(gòu)

SVG內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可分為電壓型和電流型兩種橋式電路，兩種橋式電路主要區(qū)別在于電路直流側(cè)的儲能元件不同，電壓型橋式電路采用以電容作為儲能部件，而電流型橋式電路則采用電感作為其儲能部件。電壓型橋式電路由于電容對電流基本沒有限制能力，因此必須先由電抗器相串聯(lián)后才能與電網(wǎng)并聯(lián)，而電流型橋式電路，為了完成對電網(wǎng)的無功補償，還需要先與電容器并聯(lián)后才能與電網(wǎng)并聯(lián)。通過研究與實驗表明：因電流型橋式電路不如電壓型橋式電路運行效率高，因此SVG大都采用電壓型橋式電路。在SVG裝置的橋式電路中，主要由直流電壓源、逆變轉(zhuǎn)換器、中間變壓器或電抗器三大部分組成，具體如圖2所示。

圖2 電壓型橋式電路SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在直流電壓保持模塊中，裝有多組電容蓄能元件能夠為裝置提供持續(xù)電能量，電壓源逆變器VSC模塊主要由VT1-VT6六個元器件ICBT組成，逆變轉(zhuǎn)換器通過PWM技術(shù)來控制VT的通斷，實現(xiàn)將直流電壓變成具有預(yù)設(shè)頻率和幅值的交流電壓。SVG對電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補償就必須與電網(wǎng)進(jìn)行相連，采用耦合變壓器或高壓電抗器作為兩者紐帶，可以將橋式電路中大功率變流逆變裝置與系統(tǒng)進(jìn)行完好的系統(tǒng)連接，也可以通過耦合變壓器或電抗器對系統(tǒng)無功補償過程中產(chǎn)生的高層諧波進(jìn)行過濾，使SVG輸出電壓接近于正弦波，便于對電網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)對比，以完成系統(tǒng)無功功率的補償。

3 SVG控制系統(tǒng)

3.1 SVG控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SVG是一種實時、動態(tài)的電網(wǎng)無功功率補償裝置，它最大的優(yōu)點就是具有實時動態(tài)的控制系統(tǒng)，能夠及時準(zhǔn)確、合理地調(diào)節(jié)系統(tǒng)中無功功率總量，保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定、安全，提高供電系統(tǒng)中的穩(wěn)定和可靠性。SVG控制系統(tǒng)主要包含信號檢測、控制器、脈沖觸發(fā)三部分組成，SVG邏輯控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 SVG控制系統(tǒng)

3.2 SVG控制器設(shè)計

SVG是一種動態(tài)、實時的電網(wǎng)無功補償裝置，控制器大致可分為線性PID控制、線性最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制與自能控制四大類型。在大型電網(wǎng)中，為了更好地獲得補償效果，采用元器件GTO作為系統(tǒng)主回路中的功率器件，GTO雖然具有明顯的耐壓性和功率容器大等優(yōu)點，但GTO是一種電流控制元器件，系統(tǒng)本身損耗大，并需要專門設(shè)立對應(yīng)的緩沖電路，實時動態(tài)性不能滿足系統(tǒng)無功功率的補償要求［4］，因此傳統(tǒng)的SVG控制器設(shè)計大多采用電壓反饋控制的簡單控制策略，通過連接系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓，采用相應(yīng)的反饋輸出裝置，以PID進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的方式，SVG裝置控制器的設(shè)計，利用電壓PID控制器的設(shè)計方式雖然簡單易行，同時也能滿足系統(tǒng)無功補償?shù)囊?，但利用電壓PID方式設(shè)計的控制器只能在運行工況點內(nèi)小范圍進(jìn)行電網(wǎng)無功功率補償，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，但由于電力系統(tǒng)無功功率補償是個多參量且非線性，當(dāng)外界負(fù)載變化較大所導(dǎo)致系統(tǒng)運行電點偏差較大時，采用此方法設(shè)計的控制器就不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)整的要求，因此難以保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。

4 SVG與電容器、SVC相比優(yōu)特點

4.1 運行范圍廣

通過分析SVG與SVC運行時的電壓、電流特性得出：（見圖4）SVG可以從額定感性工況到額定容量性工況連續(xù)輸出無功功率［5］，和固定電容器組合可以構(gòu)成任意范圍的連續(xù)補償，而SVC隨著電網(wǎng)電壓的下降，最大無功感性電流和容性電流銳減，且電壓下降到一定范圍內(nèi)無功甚至還會出現(xiàn)負(fù)補償效應(yīng)，因此SVG相比SVC無功補償范圍更廣。

圖4 SVG電壓-電流特性圖及SVC電壓-電流特性圖

4.2 優(yōu)異的輸出特性

SVG既可以輸出近似正弦波的無功電流，也可以輸出設(shè)定一定次數(shù)的諧波電流，即SVG輸出電流是完全有源有控的，完全滿足用戶的需求，而SVC補償無功輸出時會產(chǎn)生大量不可控的諧波電流，并附帶大量不可控的無源濾波支路來實現(xiàn)自身產(chǎn)生的諧波電流的濾波。

4.3 啟動快、沖擊小

現(xiàn)階段電容器完成一次補償最快需要時間要200ms，SVC補償裝置響應(yīng)時間也需要40~60ms,并且會產(chǎn)生大量不可控的諧波電流［6］。而SVG采用自勵方式啟動，在5~20ms的時間就可以完成一次補償，對閃變有更好的抑制效果，啟動快速且沖擊電流限制在很小的幅值。

4.4 使用壽命長、占地小

傳統(tǒng)的電容器等無功補償裝置一般采用接觸器或可控硅控制，控制柜包含大量的電容器及開關(guān)、接觸器，使用壽命較短且占地面積大，且自身損耗大及經(jīng)常要維護(hù)等缺點，而SVG以半導(dǎo)體功率元器件為核心，使用直流電容器儲能，使用壽命可達(dá)十年以上，且自身損耗低基本免維護(hù)等優(yōu)點。

5 SVG操作系統(tǒng)

5.1 SVG在行車供電系統(tǒng)中應(yīng)用情況

貴溪冶煉廠備料車間1#精礦庫裝有4臺16T雙梁行車，每臺行車總裝機功率為187.5kW電機均為繞線式電動機，行車運行時都是瞬間性負(fù)荷，行車運行時電流沖擊大，諧波電流大，功率因素低（運行時平均功率因素約為0.6）等缺點。車間于2019年安裝2臺型號為SVG-2000靜止無功發(fā)生器對其進(jìn)行無功率補償，補償時功率因數(shù)由0.6提升至0.95以上，極大的降低了電網(wǎng)的無功損耗及提高了電網(wǎng)的安全性，SVG無功補償器操作界面如圖5所示。

圖5 SVG無功補償器操作界面

5.2 設(shè)備的節(jié)能效益

為了評估安裝SVG前后的設(shè)備節(jié)能效益，對1#精礦庫4臺行車使用時間及用電量統(tǒng)計分析結(jié)果得出，如柱形圖（見圖6）所示。從2018年9月至2019年7月（安裝SVG前）行車共用電約42.5678萬kW·h，使用時間7326h，平均每小時用電約58.1kW·h，而從2019年8月至2020年4月（安裝SVG后）行車共用電約29.5416萬kW·h，使用時間5967h，平均每小時用電約49.5kW·h，同比每小時用電量減少14.8%。

圖6 行車用電量統(tǒng)計圖

5.3 SVG系統(tǒng)優(yōu)化

無功率發(fā)生器SVG作為配電系統(tǒng)中的補償設(shè)備，每天24H運行，當(dāng)配電系統(tǒng)中負(fù)載電流偏小或無電流時，SVG依然在補償運行，不但達(dá)不到SVG理想補償效果，反而增加SVG設(shè)備自身的運行功耗，從而浪費電能。經(jīng)過對設(shè)備運行情況進(jìn)行研究，設(shè)計出一種SVG節(jié)能運行模式，該運行模式有節(jié)能運行模式和一般模式兩種狀態(tài)選擇，在節(jié)能模式下包含允許啟動補償?shù)碾娏?、允許啟動條件的持續(xù)時間、停止補償?shù)碾娏饕约巴Ｖ箺l件的持續(xù)時間四個參數(shù)設(shè)置。通過對設(shè)備負(fù)載電流實際運行情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到發(fā)生器SVG因負(fù)載電流低而停止補償從而減少設(shè)備自身能源損失的節(jié)能運行模式，該操作界面擁有簡單方便，使用效果好等特點，界面如圖7所示。

圖7 SVG節(jié)能運行操作界面

5.4 SVG日常維護(hù)

（1） SVG設(shè)備運行時應(yīng)定期檢查設(shè)備運行狀況，如果設(shè)備運行時內(nèi)部元器件發(fā)出異常響聲或過濾網(wǎng)出風(fēng)口沒風(fēng)，應(yīng)立即停機并通知廠家告知具體情況及詢問處理方法。

（2）定期檢查所有電力電纜、控制電纜有無損傷，電力電纜端子是否有松動或過熱現(xiàn)象，絕緣熱縮管是否松動。

（3）定期更換SVG功率柜門的防塵過濾棉以及定期清掃功率柜內(nèi)單元件，避免SVG柜積灰，保持SVG柜及室內(nèi)干凈整潔。

（4）注意保持室內(nèi)溫度，保持室內(nèi)溫度在45度以下，平時加強室內(nèi)、外空氣流通。

（5）定期記錄SVG運行時電流、電壓波動等數(shù)據(jù)，并做好表格保存。

（6）每運行半年，應(yīng)對風(fēng)道上的粉塵進(jìn)行一次全面的清掃及對變壓器所有進(jìn)出線電纜、功率單元進(jìn)、出線電纜緊固一次。

6 結(jié)束語

電力系統(tǒng)無功功率優(yōu)化是保證電力電網(wǎng)安全可靠，經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運行，提供優(yōu)質(zhì)電能的有效措施，傳統(tǒng)無功補償?shù)姆椒ㄊ遣捎靡噪娙萜骰騍VC補償裝置對電網(wǎng)進(jìn)行無功率的靜態(tài)補償，但電網(wǎng)無功功率優(yōu)化是一個多變量非線性問題，隨著供電質(zhì)量及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，僅靠電容器或SVC補償裝置進(jìn)行無功補償已經(jīng)不能滿足國家電網(wǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，而SVG作為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)無功率優(yōu)化應(yīng)用中的優(yōu)良產(chǎn)物，利用大功率電力電子元器件實時動態(tài)的控制裝置進(jìn)行電網(wǎng)無功率補償，不僅擁有響應(yīng)速度快，損耗小，噪音低，諧波小等優(yōu)點，而且還可以連續(xù)分相調(diào)節(jié)無功，極大提高了電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性與安全性，并大量降低無功損耗從而節(jié)約能源，其未來發(fā)展具有十分廣闊的潛力。