劉希國(guó)

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司冷軋廠(chǎng)）

0 引言

諧波尤其是高次諧波是電氣設(shè)備的一大“公害”，諧波的產(chǎn)生不可避免，必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的用電設(shè)備造成危害，如何消除諧波，提高電網(wǎng)質(zhì)量，保護(hù)用電設(shè)備，是用電行業(yè)的一個(gè)重要課題。電網(wǎng)諧波主要由發(fā)電設(shè)備（電源端）、輸電設(shè)備以及電力系統(tǒng)非線(xiàn)性負(fù)載等三個(gè)方面引起。眾所周知，理想的電源是周期性的正弦波，但由于受所帶非線(xiàn)性負(fù)載的影響，基波電流發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生了諧波。主要的非線(xiàn)性負(fù)載有UPS、開(kāi)關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。SVG靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)作為抑制諧波一種有效手段，對(duì)于提高電網(wǎng)質(zhì)量和提高功率因數(shù)具有很好的效果，目前被廣泛應(yīng)用在電力、冶金、煤炭等用電行業(yè)中。

1 應(yīng)用背景

國(guó)內(nèi)某冷軋廠(chǎng)軋機(jī)采用5機(jī)架連軋模式，軋機(jī)主傳為五臺(tái)同步電機(jī)，卷曲機(jī)為兩臺(tái)異步電機(jī)，其控制系統(tǒng)采用ABB ACS6000系列變頻器。變頻器的供電設(shè)備為四臺(tái)10kV整流變壓器，其上級(jí)電源來(lái)自于能源動(dòng)力廠(chǎng)的110kV變電站。軋機(jī)輔傳系統(tǒng)采用西門(mén)子S120變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。在最初的工廠(chǎng)設(shè)計(jì)中，電氣系統(tǒng)中預(yù)留了濾波設(shè)備的位置。通過(guò)實(shí)際的運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)酸軋生產(chǎn)時(shí)，在同一回路上的其他用電設(shè)備出現(xiàn)了異常，如磨輥間電氣設(shè)備上的電子板出現(xiàn)燒損的現(xiàn)象，電抗器出現(xiàn)高溫?zé)龘p等，再如自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障，通過(guò)排查發(fā)現(xiàn)變頻器的控制單元損壞。通過(guò)分析認(rèn)為這些問(wèn)題與電網(wǎng)中的諧波干擾有關(guān)，后經(jīng)過(guò)電能質(zhì)量分析儀檢測(cè)電網(wǎng)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中的諧波比較明顯，主要5次、7次、11次諧波含量較高。在這樣的背景下該廠(chǎng)在電網(wǎng)中增加了SVG靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以解決電網(wǎng)中的諧波干擾問(wèn)題。

2 方案設(shè)計(jì)

首先在選用濾波裝置時(shí)，對(duì)于選擇SVG或SVC做了一個(gè)分析，SVG相比于SVC的一大優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定控制，使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。在酸軋產(chǎn)線(xiàn)，由于軋機(jī)在運(yùn)行中電機(jī)的負(fù)載變化較大，電網(wǎng)電壓會(huì)發(fā)生一定的波動(dòng)甚至閃變，這種波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)上的設(shè)備的影響較大，輕則造成系統(tǒng)跳電，重則導(dǎo)致設(shè)備損壞。SVG可以根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功電壓的要求，快速地釋放或者吸收無(wú)功功率，動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償即可使系統(tǒng)電壓維持在一定的范圍內(nèi)。在控制中加入了電壓調(diào)節(jié)器，其作用是將測(cè)量到的控制量與參考值相比較，然后輸入到控制器的傳遞函數(shù)，根據(jù)電壓-電流曲線(xiàn)得到所需的無(wú)功電流值。再由電流的閉環(huán)控制，使發(fā)出或者吸收的電流等于給定的無(wú)功電流值，這樣SVG的工作狀態(tài)就隨著系統(tǒng)情況的變化而變化。當(dāng)系統(tǒng)電壓較高時(shí)，裝置就輸出更多的感性無(wú)功；當(dāng)系統(tǒng)電壓較低時(shí)，裝置就輸出更多的容性無(wú)功，就使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)了。

基于以上分析，本方案采用了SVG靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，該裝置能夠有效地保持母線(xiàn)電壓平穩(wěn)，消除諧波干擾，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功，提高功率因數(shù)。

圖1為冷軋廠(chǎng)濾波設(shè)備的一次系統(tǒng)圖，QF0、QF1為高壓開(kāi)關(guān)，R為預(yù)充電電阻。當(dāng)調(diào)試運(yùn)行時(shí)，QF0閉合，QF1斷開(kāi)，預(yù)充電使功率單元控制部分可以正常工作。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，QF1閉合，電阻短接。當(dāng)SVG出現(xiàn)故障或者停機(jī)檢修時(shí)，把QF0斷開(kāi)，使SVG從系統(tǒng)中脫離出來(lái)。

圖1 SVG 一次系統(tǒng)圖

3 原理分析

SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置采用級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輸入側(cè)不需要變壓器，采取鏈節(jié)取電使功率單元控制回路可以工作，控制方式采用載波移相PMW方式，一方面降低dv/dt，同時(shí)提高輸出的諧波性能。

如圖2所示，每相級(jí)聯(lián)12個(gè)功率單元，主回路上連接有串聯(lián)電抗器L，預(yù)充電電阻R。采樣信號(hào)有8個(gè)，三相系統(tǒng)電壓和電流，以及SVG輸出A和C相電流。直流側(cè)電容起儲(chǔ)存能量和進(jìn)行功率交換的作用，正常運(yùn)行時(shí)電抗會(huì)消耗少量的有功功率，以及功率器件的開(kāi)關(guān)損耗等。

圖2 SVG靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置拓?fù)鋱D

SVG變流器裝置和交流系統(tǒng)之間的無(wú)功功率交換可以通過(guò)改變變流器輸出電壓的幅值大小來(lái)加以控制，工作原理如圖3所示。如果網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電壓幅值高于輸出電壓，這時(shí)SVG裝置發(fā)出感性無(wú)功功率，此時(shí)負(fù)載性質(zhì)為容性；如果裝置輸出電壓幅值高于系統(tǒng)電壓，這時(shí)變流器發(fā)出容性無(wú)功功率，負(fù)載性質(zhì)為感性。

圖3 SVG 工作原理等效圖

如果裝置輸出電壓幅值和系統(tǒng)電壓相等，這時(shí)變流器既不發(fā)出容性無(wú)功功率也不吸收感性無(wú)功功率，即此時(shí)的系統(tǒng)無(wú)功為零，為負(fù)載理想的工作狀態(tài)。

因此，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置輸出電壓的幅值，SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置可以實(shí)時(shí)的快速吸收或者發(fā)出系統(tǒng)所需要的無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的目的。

功率單元拓?fù)湓韴D如圖4所示，整機(jī)工作前先進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)直流電壓達(dá)到設(shè)定值可停止預(yù)充電，即讓單元控制回路可以工作為止。直流側(cè)電容為儲(chǔ)能元件，電阻為均壓元件，保證各個(gè)單元的電壓均衡。

圖4 功率單元原理圖

功率單元通過(guò)光纖接收信號(hào)，其中兩根傳送通訊信息，另外兩根傳遞PWM信號(hào)，采用雙極性空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制G1～G4 IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。每個(gè)單元僅有三種可能的輸出電壓狀態(tài)，當(dāng) G1和G4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為1；當(dāng)G2和G3導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為-1；當(dāng) G1和G2或者G3和G4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為0。

4 應(yīng)用情況

系統(tǒng)投用后，電網(wǎng)質(zhì)量明顯得到改善，軋機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)中其他設(shè)備的影響徹底消除，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)SVG系統(tǒng)投用后，功率因數(shù)顯著提高，節(jié)電效果顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

SVG無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某冷軋廠(chǎng)的應(yīng)用為同類(lèi)軋鋼產(chǎn)線(xiàn)提供一個(gè)成功的應(yīng)用案例，具有很好的借鑒作用，在軋鋼行業(yè)可推廣使用。