关键词：轧钢机  动态无功补偿装置 谐波治理

1 引言

陕钢集团汉中钢铁有限责任公司注册资本金约30亿元，是陕西精品建材重要生产基地，现拥有国内一流的轧钢生产线4条，形成了精品建材和优特钢两大系列产品，部分型号填补了省内规格空白。

该公司双高线Ⅰ段母线电压10kV，双高线Ⅰ段共10台变压器，总容量47700kVA。负载为轧钢整流设备，双高线10kV系统如图1所示，容量如表1所示。

                                                        图1  双高线10kV系统图

轧钢机运行时产生大量无功功率，致使公司进线端功率因数降低，同时快速的瞬时有功、无功功率变化还造成了电网电压的闪变现象。轧钢机的动力电机为直流电机，其前端为电力电子器件组成的不控整流电路，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。本项目原来设计有无功补偿和谐波治理装置，原装置采用MCR+滤波支路+FC补偿的综合方式对现场负荷进行补偿，但是由于MCR响应速度有限，对于轧钢机产生的快速无功需求无法实现快速补偿，因此对于现场电网电压闪变抑制情况不理想，最终引入SVG装置满足了现场的补偿要求。

2 轧钢机现场用电情况及容量选择

2.1 轧钢机现场用电情况

现场数据测试情况

图2  现场运行谐波含量

图3  现场运行无功含量

图4  现场运行有功及功率因数含量

技术人员进行现场测试，通过FLUKE 435谐波表测量谐波成分及无功含量，如图2、图3、图4所示。正常运行时带载11000-18000kW之间，无功返送接近0或感性。无载时510kW左右，无功返送较大在7800kvar左右，变化较大，会出现瞬间峰值。正常运行无功功率因数0.94-0.98。

2.2 方案容量选择

根据现场在无载工况下最大的反送无功量选择8M无功补偿设备即可基本上满足当前需求，考虑到后期负载的变化，建议选择10Mvar/10kV户内直挂式SVG。在正常运行时SVG根据负载情况发送容性无功，保证功率因数运行在0.97以上且不过补；在无载工况下，最大可发出9M的感性无功，完全补偿掉目前系统反送的无功量，保证系统没有无功反送。

该方案的优点是原有的5次、7次、11次滤波电容器组可以长时间挂接于系统中，不需要频繁的投切，延长电容器的使用寿命，减少电网冲击，间接保护系统中的其它用电设备安全；通过SVG快速跟踪调节实保障电力系统稳定、高效、优质地运行。选用新风光电子科技股份有限公司生产的10kV直挂式FGSVG-C10.0/10（10Mvar/10kV）型号的SVG，满足现场工况在任何时候都能达到预期效果。

3  FGSVG-C10.0/10特点以及优势

FGSVG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。

图5  FGSVG原理示意图

在交流电路中，电压和电流的相位有三种情况，当负载是纯电阻特性时，电压和电流相位相同；当负载是（或含有）电感特性时，电压相位超前电流相位；当负载是（或含有）容性特性时，电压相位滞后电流相位。如图5所示，基本原理就是将自换相桥式电路通过变压器或者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，如表2所示。

从技术上讲，FGSVG较传统的无功补偿装置有如下优势：

（1）响应速度更快

FGSVG系列产品响应时间：≤5ms。传统无功补偿装置响应时间： ≥40ms。产品可在极短的时间之内完成从额定容性无功到额定感性无功的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

（2）谐波治理

FGSVG不仅不产生谐波，而且同时具备谐波治理功能，在动态无功补偿的同时，可对谐波进行滤除。而SVC中TCR在补偿无功功率同时产生大量谐波，导致TCR必须与大容量滤波器同时使用。

（3）电压闪变抑制能力更强

SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加，而FGSVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。

（4）运行范围更宽

FGSVG能够在额定感性无功到额定容性无功的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。

（5）补偿功能多样化

FGSVG不仅具有快速补偿系统无功的作用，还能够根据用户实际需要，对负荷进行谐波电流补偿、负序电流补偿、综合补偿等。

（6）占地面积小

由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件，FGSVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%。

（7）自身损耗较低

FGSVG自身功率较低，其运行效率一般可以达到99.8%以上，极大的节省了用户的电费。

4 改造补偿效果
4.1  FGSVG调试

在现场FGSVG通过高压配电柜接入10kV电网，通过PT、CT检测10kV系统侧的电网电压和电流，进行自动跟踪补偿。FGSVG具备PT、CT自动识别功能，现场配电柜合闸后，FGSVG主控制器自动分析PT、CT接线，辨别PT、CT相序之后可以直接开机自动跟踪补偿。FGSVG具有多种自动补偿模式，如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、负载补偿模式，以及综合补偿模式。

2017年10月，设备一次性调试成功，投入现场，至今运行正常。改造达到了预期目的。现场运行FGSVG照片如图6所示。为方便用户远程监控SVG运行数据，用户原监控电脑通过双绞线连接到SVG的对外通信接口，实现远程监控。FGSVG具有多种通信接口，例如RS-485、以太网接口，以及多种电力系统常用通信规约，如MODBUS_RTU、CDT91、IEC104等，可以与后台进行联网通信。在生产过程中，现场人员只需定期的巡检、清扫，操作、维护非常简单。

图6 FGSVG整机外观图

4.2  补偿效果

在SVG投运之前，短时间闪变值最大接近11.2左右，如图7所示。

图7  SVG投运前的短时闪变值

FGSVG在投运之后，抑制电网电压波动效果显著，测得到的最大闪变值降低到3.2左右，如图8所示。FGSVG投运之后电网电压波动范围显著减小，无功电流稳定，有功电流轻微波动，已经不影响生产。

图8  SVG投运后的短时闪变值

5 结束语

轧钢机是钢铁行业对电网电能质量影响最严重的设备，其运行时产生大量的谐波、负序、闪变，危害最大的是闪变，影响程度与轧钢机的容量、电网容量有很大关系。钢铁厂为了降低投资成本，补偿容量选配的偏小，在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，电网电压闪变值显著降低，不仅消除了电弧炉对水力发电站的影响，而且钢厂的月平均功率因数也提高到0.98以上。本产品对冶金行业轧线系统的电能质量治理和安全运行保驾护航，降本增效成果显著，有利于提高钢铁行业的市场竞争力。

参考文献：

1、王兆安，杨君，刘进军等. 谐波抑制和无功功率补偿-2版.机械工业出版社，2005.10.

2、栗春,马晓军,姜齐荣等.用STATCOM改善系统电压调节特性的动模试验[J].中国电机工程学报,1999,19(9):46-49.

3、《FGSVG系列高压动态无功补偿装置用户操作手册（V2.3）》，新风光电子科技股份有限公司，2018.07.