SVC靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

精品文檔SVC靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用張海燕摘要：本文通過對軋鋼廠生產(chǎn)線正常生產(chǎn)時，其設(shè)備的無功損耗以及對電網(wǎng)的高次諧波影響進(jìn)行分析，并敘述了10KV-34MVar-SVC靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)過程。關(guān)鍵詞：無功功率補(bǔ)償；諧波抑制；SVC靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置；TCR相控電抗器；FC濾波器 5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載。一、前言無功補(bǔ)償，就其概念而言早為人所知，它就是借助于無功補(bǔ)償設(shè)備提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。而無功功率指的是交流電路中，電壓U與電流I存在相位差時，所形成的功率分量，根據(jù)負(fù)載特性的不同，又有感性無功與容性無功之分。而大型軋鋼廠礦是以感性負(fù)載為主，生產(chǎn)時感性無功沖擊較大?，F(xiàn)在以某生產(chǎn)線為例，其用電設(shè)備總裝機(jī)容量約為54.4MW；其中大型傳動為交交變頻系統(tǒng)，裝機(jī)容量約為17.5MW；部分輔傳動為交直交變頻系統(tǒng)，裝機(jī)容量約為19.7MW；其余的設(shè)備為恒速傳動設(shè)備，裝機(jī)容量約為17.2MW?，F(xiàn)代電力電子設(shè)備等非線性負(fù)荷大量的使用，產(chǎn)生的無功沖擊將引起電網(wǎng)電壓閃變、波動以及產(chǎn)生大量高次諧波電流，嚴(yán)重污染電網(wǎng)環(huán)境。該生產(chǎn)線平均有功功率為30.39MW、平均無功功率為33.84MVAR，平均功率因數(shù)僅為0.67；而且這套設(shè)備所供電力電子元器件，其無功沖擊較大；同時，注入電網(wǎng)的諧波電流超標(biāo)。高次諧波電流將對各種電氣設(shè)備，繼電保護(hù)、自動控制裝置、計算機(jī)、測量和計量儀器以及通訊系統(tǒng)均有不利的影響；它將惡化電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)可靠性，增加電網(wǎng)損失，縮短電氣設(shè)備的使用壽命。因此，對這條生產(chǎn)線進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理具有深遠(yuǎn)意義。二、無功損耗及諧波分析1、無功損耗分析該軋鋼廠生產(chǎn)線建設(shè)的10KV開關(guān)站，系統(tǒng)采用單母線分段接線，分段開關(guān)正常時斷開運(yùn)行，以10KV電壓等級向軋線的主、輔傳動及功輔設(shè)施的用電設(shè)備供電；其中變頻傳動設(shè)備全部由10KV段母線供電；其余的負(fù)荷由10KV、段母線分別供電。其主、輔傳動的負(fù)荷與電壓波動值見下表：項目平均有功功率(MW)平均無功功率(Mvar)最大有功功率(MW)最大無功功率(Mvar)母線電壓波動(%)10KV段母線大型傳動12.2512.5017.8020.176%(允許值為2%)變頻輔傳動12.7616.2812.7616.28恒速輔傳動3.963.493.963.49合計28.9732.2728.9732.27Px0.9,Qx0.9326.0730.0126.0730.0110KV段母線恒速輔傳動4.794.124.794.120%Px0.9,Qx0.934.313.834.313.83總計30.3933.8435.9441.516%表1：負(fù)荷和電壓波動值上表中的計算為平均功率，而大型傳動為沖擊性負(fù)荷，根據(jù)其軋制品種、鋼質(zhì)、道次及軋制溫度的不同，有功和無功功率也不同；并且最大無功應(yīng)在咬鋼加速段，隨著軋制速度升高，有功增大，無功減小。因此，最大無功應(yīng)為上述無功的1.3倍，即Qmax=26226Kvar。2、高次諧波分析根據(jù)生產(chǎn)線主輔傳動設(shè)備的情況分析，其諧波電流的產(chǎn)生主要來自以下幾個方面：2.1、大型傳動交交變頻產(chǎn)生的諧波電流以軋機(jī)最大的情況為依據(jù)，取其最大道次諧波電流疊加計算得主傳動諧波電流如下表：諧波次數(shù)57111317192325諧波電流 A134.339.7532.5222.5418.306.966.555.4表2：大型傳動產(chǎn)生的最大諧波電流值2.2、輔傳動交直交變頻產(chǎn)生的諧波電流綜合計算輔傳動產(chǎn)生的諧波電流如下表：諧波次數(shù)57111317192325諧波電流 A71.6551.3581.2164.4914.339.5513.149.55表3：輔傳動產(chǎn)生的諧波電流值2.3、背景諧波電流因背景諧波比較復(fù)雜，主要是在濾波器設(shè)計中考慮一定的余量。綜合以上各諧波電流源的計算，可得10KV母線諧波電流最大發(fā)生量如下表：諧波次數(shù)57111317192325諧波電流 A152.2264.9487.4868.3215.9323.2414.6810.97表4：10KV母線諧波電流最大值通過以上對生產(chǎn)線無功損耗以及諧波電流的分析，確定其無功補(bǔ)償容量為34Mvar，并設(shè)置3、5、7、11、13次五個濾波通道，設(shè)置3次濾波器是考慮整流設(shè)備觸發(fā)的不均勻及不對稱會產(chǎn)生較大的3次諧波。三、無功補(bǔ)償方式的確定 隨著電力電子控制技術(shù)和晶閘管控制技術(shù)的逐步成熟，用于無功功率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ踩找嬖龆?，且補(bǔ)償效果也越來越明顯，帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益也是巨大的。當(dāng)然，不同的補(bǔ)償方式有其不同的特點(diǎn)，適用范圍也不同。選擇無功補(bǔ)償方式要針對補(bǔ)償對象的負(fù)荷特性及補(bǔ)償要求綜合考慮，不僅要考慮補(bǔ)償后的效果，而且還要兼顧無功補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)性。下面介紹幾種常用的無功補(bǔ)償方式。1、并聯(lián)電容器在各種無功功率補(bǔ)償方法中，并聯(lián)電容器由于其簡單的結(jié)構(gòu)，方便、靈活的安裝方法，較低的運(yùn)行費(fèi)用和低廉的產(chǎn)品價格等方面的特點(diǎn)，以使其成為當(dāng)今無功功率補(bǔ)償技術(shù)中使用的主導(dǎo)產(chǎn)品。尤其是隨著電容器制造技術(shù)的日益成熟，其質(zhì)量水平、壽命等級、安全運(yùn)行可靠性等指標(biāo)得以大大提高；品種、規(guī)格也越來越齊全，為補(bǔ)償裝置的設(shè)計和制作帶來了極大的便利。但是并聯(lián)電容器也有其不足之處。它只能分級補(bǔ)償固定的無功功率，而不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)、線性的補(bǔ)償；分級控制的補(bǔ)償精度受電容器組中單臺電容器容量的限制，而且需通過開關(guān)切投，切投次數(shù)和間隔均受限制； 并且不能實(shí)現(xiàn)分相控制。2、同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)是早期的無功功率補(bǔ)償方法，已實(shí)際應(yīng)用數(shù)十年，在電壓和無功功率控制中發(fā)揮了非常重要的作用，同步調(diào)相機(jī)不僅能補(bǔ)償固定的無功功率，對變化的無功功率也能進(jìn)行動態(tài)的連續(xù)的補(bǔ)償，而且對于容性、感性無功功率均能起到補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｍㄟ^上述分析，似乎可以選擇同步調(diào)相機(jī)作為補(bǔ)償方式。但是，同步調(diào)相機(jī)的動態(tài)響應(yīng)速度較慢，約為100400毫秒之間；并且它屬于旋轉(zhuǎn)型補(bǔ)償裝置，附屬控制系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行及維護(hù)工作量大，前期投入及后期維護(hù)費(fèi)用高，能耗高；不具有諧波抑制能力，不能實(shí)現(xiàn)分相控制。所以，同步調(diào)相機(jī)不是最佳方案。3、靜止型無功補(bǔ)償器靜止型無功補(bǔ)償器是由晶閘管所控制切投電抗器和電容器組成，由于晶閘管對于控制信號反應(yīng)極為迅速，而且通斷次數(shù)也可以不受限制。當(dāng)電壓變化時靜止型補(bǔ)償器能快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿足動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)男枰?，同時還能做到分相補(bǔ)償；對于三相不平衡負(fù)荷及沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性。靜止型無功補(bǔ)償器由于其價格較低、維護(hù)簡單、工作可靠，在國內(nèi)仍是主流補(bǔ)償裝置。靜止型無功補(bǔ)償器(SVC)按其組成結(jié)構(gòu)及控制方式可分為以下兩種：固定連接電容器加可控硅控制的電抗器(fixed capacitorthyristor controlled reactor，F(xiàn)CTCR)；可控硅開關(guān)操作的電容器加可控硅控制的電抗器(thyristor switched capacitorthyristor controlled reactor，TSCTCR)。選擇固定連接電容器加可控硅控制的電抗器(FCTCR)型無功補(bǔ)償器較為合適，其連續(xù)可調(diào)的無功補(bǔ)償特性及小于10毫秒的快速響應(yīng)時間完全可以滿足軋鋼廠礦沖擊性要求；并且通過合理選擇配置FC濾波通道，可以有效的抑制其自身和現(xiàn)場主輔傳動變頻器產(chǎn)生的諧波干擾。四、SVC系統(tǒng)的組成及控制原理1、SVC系統(tǒng)的組成按照設(shè)計及選型要求， SVC靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)由H3、H5、H7、H11、H13五個濾波通道、TCR相控電抗器、晶閘管閥組和脈沖控制系統(tǒng)組成。以下是SVC系統(tǒng)組成簡圖：2、恒無功控制原理當(dāng)SVC接入系統(tǒng)中時，濾波器FC提供固定的容性無功功率QC，通過具有完好線性特征的補(bǔ)償電抗器的電流決定了補(bǔ)償電抗器輸出的感性無功值QTCR，感性無功與容性無功相抵消，只要能做到QN（系統(tǒng)）=QV（負(fù)荷）-QC+QTCR=常數(shù)（或0），就能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)=常數(shù)，電網(wǎng)電壓幾乎不波動。式中：QN為系統(tǒng)無功，QV為負(fù)荷無功。補(bǔ)償效果好壞的關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制晶閘管的觸發(fā)角，得到所需的流過補(bǔ)償電抗器的電流?？煽毓栝y和控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)這個功能。根據(jù)采集的進(jìn)線電流和母線電壓，經(jīng)乘法器后求得補(bǔ)償無功值，計算得觸發(fā)角大小，發(fā)出觸發(fā)脈沖、光纖傳輸至脈沖放大單元，經(jīng)放大后觸發(fā)晶閘管，使晶閘管流過所需電流。3、TCR相控電抗器工作原理及分相控制TCR相控電抗器電納值與晶閘管閥組的導(dǎo)通角有關(guān)。當(dāng)電抗器額定電感值確定后，控制電抗器的導(dǎo)通角可以改變電抗器在工作電路中的等效電納值。相控電抗器電納值與導(dǎo)通角的關(guān)系式如下：Br= 其中：為電抗器觸發(fā)角L為電抗器額定電感值改變電抗器的導(dǎo)通角是用晶閘管實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示，控制晶閘管的觸發(fā)角來改變電抗器的導(dǎo)通角。當(dāng)觸發(fā)角增大時，電抗器的電納值增大，補(bǔ)償功率減小。圖 2 中 I 為電抗器電流，它隨觸發(fā)角的增大而減小。TCR 控制系統(tǒng)完成如下功能：通過檢測系統(tǒng)電壓、電流和TCR的電流，計算出晶閘管的觸發(fā)角，控制電抗器電納值，達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康摹τ诓粚ΨQ負(fù)荷，應(yīng)用分相調(diào)節(jié)。TCR分相調(diào)節(jié)的理論基礎(chǔ)為STEINMETZ理論，此理論的前提是系統(tǒng)電壓為平衡對稱的。從這個前提出發(fā)，補(bǔ)償后理論上負(fù)荷是純有功、平衡的。STEINMETZ理論給出多種補(bǔ)償表達(dá)形式，本系統(tǒng)采用無功功率平均值表示的補(bǔ)償電納公式：Brab= （Vbcia（l）+Vcaib（l）-Vabic（l）dtBrbc= （Vcaib（l）+Vabic（l）-Vbcia（l）dtBrca= （Vabic（l）+Vbcia（l）-Vcaib（l）dt其中：Brab，Brbc，Brca分別為形連接的補(bǔ)償電抗器電納值V為系統(tǒng)電壓有效值Vab，Vbc，Vca為系統(tǒng)線電壓瞬時值ia(l)， ib(l)，ic(l)為負(fù)荷電流瞬時值T為采樣周期10msTCR的分相調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)能做到補(bǔ)償后各項指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，并滿足用戶要求。4、信號采樣計算與脈沖控制 通過對TCR相控電抗器的工作原理及分相控制原理的分析，可知在SVC靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)中，對電壓及電流信號的采樣計算和脈沖控制顯得十分重要，沒有精確的信號采樣過程和合理的計算過程，就無法實(shí)現(xiàn)對晶閘管的導(dǎo)通角的有效控制。下圖為信號采樣控制和脈沖控制系統(tǒng)簡圖： 為了能更有效的實(shí)現(xiàn)信號采樣及脈沖控制，系統(tǒng)中采用了信號采樣計算部分用模擬電路控制，而觸發(fā)脈沖控制部分用數(shù)字電路控制；通過A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)兩部分的連接。下面分別介紹這兩部分：4.1模擬信號的采樣計算 模擬信號的采樣計算功能由電流采樣和無功采樣兩部分完成。電流采樣的輸入信號為系統(tǒng)電流Ia、Ib、Ic和相控電抗器電流Iab、Ibc、Ica，經(jīng)以下計算：IA=Ia-(Iab-Ica）IB=Ib-(Ibc-Iab)IC=Ic-(Ica-Ibc)電流信號輸出為綜合負(fù)載電流IA、IB、IC。功率采樣的輸入為處理后的綜合負(fù)載電流、系統(tǒng)電壓Uab、Ubc、Uca ，經(jīng)以下計算：Qab=UbcIA+UcaIB-UabICQbc=UcaIB+UabIC-UbcIAQca=UabIC+UbcIA-UcaIB輸出Qab、Qbc、Qca，另外還輸出電壓同步信號Uab、Ubc、Uca。采樣后經(jīng)過對采樣信號的濾波放大，將信號調(diào)整為05V電壓信號送入CPU中央控制單元。4.2觸發(fā)脈沖控制要實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償控制，就必須對A、B、C三相閥組分別進(jìn)行脈沖控制。每一相的結(jié)構(gòu)及控制是完全相同的，每相的脈沖控制板也完全一樣，可以互換。通過對輸入信號Qab、Qbc、Qca進(jìn)行積分采樣，由控制程序完成以下計算：Brab=Qab/3 V2Brbc=Qbc/3 V2Brca=Qca/3 V2求出每相補(bǔ)償電抗器的電納值。然后計算每相的觸發(fā)角，分別發(fā)出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)角由下面公式計算： Br= 控制過程需要具有丟脈沖保護(hù)功能：在發(fā)觸發(fā)脈沖的同時接收反饋脈沖，用