关键词：中频炉；动态无功补偿装置；谐波污染
Abstract: This paper introduces the application of SVG (model FGSVG-C2.0 / 10), the application of medium frequency furnace in a mechanical foundry in Hunan, and the field application of high voltage dynamic reactive power compensation generating device in Windsun Electronic Technology Co., Ltd. It is shown that the dynamic reactive power compensation generating device has a good compensation effect for the IF furnace field.
Key words: Intermediate frequency furnace; Dynamic reactive power compensation device; Harmonic pollution
【中图分类号】{TF748.42+2} 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）07-0000-00
1 概述
湖南某机械铸造厂的主要负载为1台12脉5吨中频熔炼炉。电气部分高压采用交流10kV供电，变压器容量为ZSSP-4MVA：1台，10kV/1000V，额定电流为231A/1155A，变压器短路阻抗7.52%。
该中频电炉谐波源特性为典型的12脉动整流，所以整流部分所产生的谐波为12k±1次奇次谐波。低压侧主要有5、7、11、13次谐波，高压侧主要有11次、13次谐波电流，注入电网的谐波由12脉动整流器产生。以上设备产生大量谐波污染，因此整个现场需要进行全方位的电能质量治理，包括无功补偿、电网电压闪变抑制和谐波治理。为了满足变电所要求的功率因数、有效的抑制电网电压闪变、减小电网谐波，最终引入SVG补偿装置。
2 现场问题分析及补偿方案
2.1 现场配电系统一次图
湖南某机械铸造厂中频熔炼炉现场配电系统一次图，如图1所示。

2.2 本项目现场补偿方案
中频熔炼炉在运行过程中产生了大量的感性无功需求，无功功率快速变化，现场感性无功功率短时有2000kVar的剧烈变化，造成电网电压闪变。电网电压的闪变对于熔炼质量，以及电网上其它用电设备的安全运行带来严重的影响。中频熔炼炉产生了5、7、11、13次谐波，对于此类中频炉现场需要快速的无功补偿来抑制电网电压闪变、提高功率因数，同时进行谐波补偿。
根据现场负荷的特点，传统的固定电容器、SVC等技术已经不能满足现场快速无功补偿以及谐波治理的需求，对于中频炉现场需要使用当今最先进的高压动态无功补偿技术。现场选用了新风光电子科技股份有限公司一台SVG，在电网系统接入点处进行自动跟踪补偿。
负荷总容量约4000kW，现场平均功率因数为0.75，补偿后功率因数目标值为0.95，根据以下计算公式计算基波无功需求值：



得到需要补偿的无功功率量大约2200kVar，考虑到负荷利用率不可能达到100%，因此基于成本考虑可选用2000kVar的SVG补偿容量。
SVG在补偿谐波的同时，只需要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分，就可以实现补偿负载无功功率的目的。这样，补偿电流与负载电流中的谐波和无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。
SVG控制器通过指令电流运算电路（也称之为谐波和无功电流检测电路）检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，然后补偿电流发生电路根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。从而达到在系统侧有效滤除谐波的目的。
3 新风光FGSVG性能介绍
SVG是目前国内外最为先进的无功补偿装置，这种基于电压型PWM变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。SVG具有快速的电流响应速度和较强的电压闪变抑制能力。
新风光电子科技股份有限公司研发生产的FGSVG系列高压动态无功补偿装置是以IGBT为核心的无功补偿系统，能够快速连续地提供容性或感性无功功率，实现考核点恒定无功、恒定电压和恒定功率因数等控制，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。在配电网中，将FGSVG产品安装在某些特殊负荷（如电弧炉，中频炉，电渣炉等）附近，可以显著地改善负荷与公共电网连接点处的电能质量，例如提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑止谐波污染等。


新风光10kV SVG的结构示意图如图2所示。主电路采用链式串联结构设计，每一相由多个相同的功率单元组成。每个功率单元由多个大功率的电力电子器件组成桥式电路，单元串联和载波移相技术使整机输出电压波形更接近于正弦波，避免了大的du/dt所导致的诸多问题。
FGSVG系列产品采用进口电力电子模块作为主功率器件，多个DSP和FPGA组成强大的控制系统。在控制算法上采用了先进的瞬时无功理论，实现了对系统/负载无功功率的快速准确的检测。为了得到更快的响应速度和更高的性能采用了电流直接控制技术和载波移相技术，实现了并网无功电流的快速控制和更优的并网电流波形。FGSVG能够快速连续地提供容性或者感性无功功率，实现适当的电压和无功功率控制，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。
易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列产品为满足用户对提高输配电网络的功率因数、治理谐波、补偿负序电流的迫切需要，做出相应设计，具有以下特点：
（1）模块化设计，安装、调试、设定方便。
（2）动态响应速度快，响应时间≤5ms。
（3）在补偿容量足够的前提下，输出电流谐波（THD）≤3%。
（4）多种运行模式极大的满足用户需求，运行模式有：恒装置无功功率模式、恒考核点无功功率模式、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、恒考核点无功功率模式2,目标值可实时更改。
（5）实时跟踪负荷变化，动态连续平滑补偿无功功率，提高系统的功率因数，实时治理谐波，补偿负序电流，提高电网供电质量。
（6）抑制电压闪变，改善电压质量，稳定系统电压。
（7）FGSVG电路参数精心设计，发热量小，效率高，运行成本低。
（8）设备结构紧凑，占地面积小。
（9）主电路采用IGBT组成的H桥功率单元串联结构，每组由多个相同的功率单元组成，整机输出由PWM波形叠加而成的阶梯波，逼近正弦，经输出电抗器滤波后正弦度好。
（10）FGSVG采用冗余性设计和模块化设计，满足系统高可靠性的要求。
（11）功率电路模块化设计，维护简单，互换性好。
（12）保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、光纤通讯故障、单元过热、不均压等保护，并能实现故障瞬间的波形录制，便于确定故障点，易维护，运行可靠性高。
（13）人机界面友好显示，对外通讯提供了RS485、以太网等接口，采用标准MODBUS通讯协议。除具有实时数字量及模拟量的显示、运行历史事件记录、历史曲线记录查询、单元状态监控、系统信息查询、历史故障查询等功能外，还具有送电后系统自检、一键开停机、分时控制、示波器（AD通道强制录波）、故障瞬间电压/电流波形记录等特色功能。
（14）FGSVG设计包含与FC配合使用的接口，实现定补和动补的有效结合，为用户提供更经济、更灵活的方案。
（15）投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无电弧重燃，无需放电即可再投。
（16）与系统连接时，不需要考虑交流系统相序，连接方便。
（17）可并联安装，极易扩展容量。并机运行使用光纤通讯，通讯速度快，能够完好的满足实时补偿的要求。
4 现场投运后运行情况
经过认真安装调试，SVG装置按用户要求，2016年9月已投入正常运行，现按功率因数自动补偿运行，功率因数设定值为97%，投运后工作正常，用户十分满意。根据用户要求，在安装调试完毕后对机械铸造厂高压侧进行了谐波补偿效果并进行了测试。
4.1 测量效果
测量仪器为法国CA公司生产的CA8230型电能质量分析仪，该仪器可以在线监视测量记录电网质量，主要测量有功功率、无功功率、视在功率、总功率因数PF、2~50次谐波电流和谐波电压、电网电压总畸变率THDu、谐波电流总畸变率THDi、相位角等参数。另外可以测量峰值（PEAK）、最小值（min）、最大值（max）、平均值（AVG）、电流K因数，并有多种图形显示和记录。
FGSVG投运前电压畸变率和谐波电流含量如图3所示。

FGSVG运行后无功功率补偿效果非常理想，系统侧平均功率因数稳定在0.95以上,系统侧的无功功率降低到300kvar以下。FGSVG投运后对冲击性无功功率快速补偿，有效的抑制了电网电压的闪变，电网电压最大波动200V，基本稳定在10500V附近，保证了用电设备的安全运行，如图4所示。



理想的补偿效果归功于FGSVG响应速度小于等于5ms，极快的响应速度可以对无功冲击进行有效补偿，对电网电压闪变的抑制能力更强，谐波补偿效果理想。
4.2 结论分析
（1）中频炉电源部分为三相桥式12脉整流，低压侧主要特征谐波次数为5，7，11，13次，高压侧主要特征谐波次数为11，13次。新风光FGSVG投运工作后，测试的各项谐波电流统计如表1所示。


由上表看出5，7，11，13次谐波电流均国标限值。
（2）高压侧平均功率因数由装置投运前的0.89提高到0.958，降低了线损，提高了变压器和供电线路带载能力。
（3）4MVA 10kV/1kV 变压器后端负荷为单一负载，SVG可以自动跟踪补偿电网，减少对电网的冲击，有效的降低了现场生产对电网的污染。
（4）新风光SVG的高响应速度使得很够实时稳定地跟踪补偿现场谐波和电压畸变。取得了良好的补偿效果。
安装SVG装置后该机械铸造厂的电压畸变率、谐波电流限值和功率因素值符合国标要求。
5 结束语
现场使用新风光电子科技股份有限公司生产的FGSVG高压动态无功补偿装置之后，电网侧的月平均功率因数超过0.95，不仅避免了电力公司的罚款问题，而且每月还有一定比例的奖励。电网电压闪变得到有效的抑制，电网最大波动不超过200V，保证了厂内，以及电网上其他用电设备的安全运行。
参考文献
[1]新风光电子使用手册[Z]. 新风光电子科技股份有限公司.
作者简介
孔令凯 男 工程师 供职于新风光电子科技股份有限公司从事技术支持工作