SVG静态无功补偿在冷轧厂的应用

2022-06-17刘希国

电器工业 2022年5期

刘希国

（山东钢铁集团日照有限公司冷轧厂）

0 引言

谐波尤其是高次谐波是电气设备的一大“公害”，谐波的产生不可避免，必然会对电网中的用电设备造成危害，如何消除谐波，提高电网质量，保护用电设备，是用电行业的一个重要课题。电网谐波主要由发电设备（电源端）、输电设备以及电力系统非线性负载等三个方面引起。众所周知，理想的电源是周期性的正弦波，但由于受所带非线性负载的影响，基波电流发生畸变，从而产生了谐波。主要的非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。SVG静态无功补偿技术作为抑制谐波一种有效手段，对于提高电网质量和提高功率因数具有很好的效果，目前被广泛应用在电力、冶金、煤炭等用电行业中。

1 应用背景

国内某冷轧厂轧机采用5机架连轧模式，轧机主传为五台同步电机，卷曲机为两台异步电机，其控制系统采用ABB ACS6000系列变频器。变频器的供电设备为四台10kV整流变压器，其上级电源来自于能源动力厂的110kV变电站。轧机辅传系统采用西门子S120变频传动系统。在最初的工厂设计中，电气系统中预留了滤波设备的位置。通过实际的运行情况发现，当酸轧生产时，在同一回路上的其他用电设备出现了异常，如磨辊间电气设备上的电子板出现烧损的现象，电抗器出现高温烧损等，再如自动化系统出现通信故障，通过排查发现变频器的控制单元损坏。通过分析认为这些问题与电网中的谐波干扰有关，后经过电能质量分析仪检测电网发现电网中的谐波比较明显，主要5次、7次、11次谐波含量较高。在这样的背景下该厂在电网中增加了SVG静态无功补偿装置，以解决电网中的谐波干扰问题。

2 方案设计

首先在选用滤波装置时，对于选择SVG或SVC做了一个分析，SVG相比于SVC的一大优点是可实现系统电压的稳定控制，使系统电压稳定在一定范围内。在酸轧产线，由于轧机在运行中电机的负载变化较大，电网电压会发生一定的波动甚至闪变，这种波动对于电网上的设备的影响较大，轻则造成系统跳电，重则导致设备损坏。SVG可以根据系统无功电压的要求，快速地释放或者吸收无功功率，动态的补偿即可使系统电压维持在一定的范围内。在控制中加入了电压调节器，其作用是将测量到的控制量与参考值相比较，然后输入到控制器的传递函数，根据电压-电流曲线得到所需的无功电流值。再由电流的闭环控制，使发出或者吸收的电流等于给定的无功电流值，这样SVG的工作状态就随着系统情况的变化而变化。当系统电压较高时，装置就输出更多的感性无功；当系统电压较低时，装置就输出更多的容性无功，就使得系统电压稳定在一定的范围之内了。

基于以上分析，本方案采用了SVG静态无功补偿装置，该装置能够有效地保持母线电压平稳，消除谐波干扰，补偿系统无功，提高功率因数。

图1为冷轧厂滤波设备的一次系统图，QF0、QF1为高压开关，R为预充电电阻。当调试运行时，QF0闭合，QF1断开，预充电使功率单元控制部分可以正常工作。并网运行时，QF1闭合，电阻短接。当SVG出现故障或者停机检修时，把QF0断开，使SVG从系统中脱离出来。

图1 SVG 一次系统图

3 原理分析

SVG动态无功补偿装置采用级联型多电平拓扑结构。输入侧不需要变压器，采取链节取电使功率单元控制回路可以工作，控制方式采用载波移相PMW方式，一方面降低dv/dt，同时提高输出的谐波性能。

如图2所示，每相级联12个功率单元，主回路上连接有串联电抗器L，预充电电阻R。采样信号有8个，三相系统电压和电流，以及SVG输出A和C相电流。直流侧电容起储存能量和进行功率交换的作用，正常运行时电抗会消耗少量的有功功率，以及功率器件的开关损耗等。

图2 SVG静态无功补偿装置拓扑图

SVG变流器装置和交流系统之间的无功功率交换可以通过改变变流器输出电压的幅值大小来加以控制，工作原理如图3所示。如果网侧系统电压幅值高于输出电压，这时SVG装置发出感性无功功率，此时负载性质为容性；如果装置输出电压幅值高于系统电压，这时变流器发出容性无功功率，负载性质为感性。

图3 SVG 工作原理等效图

如果装置输出电压幅值和系统电压相等，这时变流器既不发出容性无功功率也不吸收感性无功功率，即此时的系统无功为零，为负载理想的工作状态。

因此，通过调节装置输出电压的幅值，SVG无功补偿装置可以实时的快速吸收或者发出系统所需要的无功功率，从而实现快速动态调节无功功率的目的。

功率单元拓扑原理图如图4所示，整机工作前先进行预充电，当直流电压达到设定值可停止预充电，即让单元控制回路可以工作为止。直流侧电容为储能元件，电阻为均压元件，保证各个单元的电压均衡。

图4 功率单元原理图

功率单元通过光纤接收信号，其中两根传送通讯信息，另外两根传递PWM信号，采用双极性空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制G1～G4 IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当 G1和G4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当G2和G3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当 G1和G2或者G3和G4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。