张岩  

（辽宁荣信兴业电力技术有限公司，辽宁  114000）

摘要：轧线系统中主要的负荷是变频、整流和动力负荷，而钢坯在轧制过程中粗轧开坯的冲击最大，因此需要强大的电网做支撑或快速响应的无功补偿装置进行治理，防止电网电压波动异常影响生产。以SVG为代表成熟的无功补偿装置特点为：响应速度快，功能多样性，补偿效果好。其对轧机的冲击可以有效补偿。不过随着技术的发展轧线系统越来越多的采用交直交的传动方式，这种方式冲击小谐波含量低、功率因数高的特点，被越来越多的钢铁企业进行应用。本文通过实例描述了SVG+FC形式的无功补偿装置的设计及后期治理后效果的展示。SVG（Static Var Generator静止无功发生器）;FC（ Fixed Capacitor固定投切电容器组)

关键词：SVG；FC；谐波；功率因数

Design and Application of SVG+FC Form Reactive Power Compensation

Zhang Yan

(Liaoning Rongxin Xingye Power Technology Co., Ltd., Liaoning 114000)

Abstract: The main loads in the rolling line system are frequency conversion, rectification, and power loads, and the impact of rough rolling and opening of steel billets is the greatest during the rolling process. Therefore, a strong power grid is needed for support or a reactive power compensation device with fast response is needed to prevent abnormal voltage fluctuations in the power grid from affecting production. The characteristics of mature reactive power compensation devices represented by SVG are: fast response speed, diverse functions, and good compensation effect. It can effectively compensate for the impact on the rolling    mill. However, with the development of technology, rolling line systems are increasingly adopting AC-DC-AC transmission methods, which have the characteristics of low harmonic content and high power factor, and are being applied by more and more steel enterprises. This article describes the design of a reactive power compensation device in the form of SVG+FC and demonstrates its effectiveness after post treatment through examples.SVG（Static Var Generator）;FC（Fixed Capacitor）

keyword: SVG；FC；Harmonic；Power factor

一、项目背景

某钢铁企业新增生产线，产线为1450连轧，电源引自上级110kV降压站的10kV侧，因产线中存在大量的整流变，在生产过程中会产生谐波，同时功率因数不能满足电网公司的要求，因此需要增加补偿装置对系统进行治理，满足生产和电网公司的要求。

1 谐波电流分析

1.1 执行标准及要求

执行标准：国家标准GB/T14549-93《电能质量－公用电网谐波》。

Ø 谐波电压

公用电网谐波电压限值如表1-1所示，公共连接点母线的谐波电压应小于表1-1所列出的数值。

表1-1公用电网谐波电压限值

Ø 谐波电流

谐波国标中规定在假定基准短路容量下注入系统公共连接点的各次谐波电流允许值如表1-3所示。

由于考核点的最小短路容量不同于假定基准最小短路容量，应按照国标附录B^[1]进行换算，换算公式如下：

          （1）

式中：S_k1―公共连接点的最小短路容量，MVA；

      S_k2―基准短路容量，MVA；

      I_hp―表1-3 的第h次谐波电流允许值，A；

      I_h―短路容量为S_k1时的第h次谐波电流允许值，A。

按国标附录C^[1]的要求，在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值还需下式进行换算。

       （2）        

式中：I_h―第一次换算的第h次谐波电流允许值，A；

      S_i―第i个用户的用电协议容量，MVA；此项目协议容量为44MVA

      S_t―公共连接点的供电设备容量，MVA；此项目供电容量为180MVA

a―相位叠加系数，按表1-2取值。

根据公式（1）和（2）输入数值后国标值限值如表1-4

表1-2 相位叠加系数的取值

表1-3允许注入考核点的基准谐波电流值（A）

表1-4 10kv母线谐波电流数值(A)

与10kv国标值对比现场5、7、11、13、23、25次谐波超标。

2 滤波器设计
 2.1 滤波器设计原则

（1）滤波器发出的无功应满足补偿功率因数、抑制电压波动及闪变的要求；

（2）选取的滤波电容器的额定电压应保证滤波器的安全可靠运行；应考虑以下因素：

a)母线电压水平；

b)串联电抗器后电容器两端电压升高^[3]；

c)谐波电流通过电容器引起的谐波电压；

d)电网电压波动引起电压升高；

（3）滤波器的分组应满足滤除谐波电流的要求；

（4）滤波器设计时应进行充分的计算机仿真计算及数据库选优，经多个方案比较，选择最佳方案；

（5）对选定的滤波器应进行滤波器各种运行方式下的计算机仿真，避免与系统发生谐振；

（6）对滤波器的安全运行应进行仔细校验。
 2.2 滤波器设计

FC设计方案：总安装容量为10140kvar；

5次、7次、11次三个通道分别为54000 kvar、1800 kvar、2940kvar。

H5次支路：

我方电容器选型为7.5kV  450Kvar，因为串联谐振时X_ln=X_cn,

即          （3）
                  故           （4）

串联电抗器基波值是基波容抗的 ，当n=3,电抗率K= = =0.11

由上可知电抗器电抗率为 K=  （5）

表2-1国标GB/T26868电抗器偏调谐选型^[2]

因此n：补偿次数H5，n=5*0.98=4.9

根据公式（5），K=1/(4.9*4.9)*100%=4.16%,因此H5通道电抗器电抗率为4.16%

总补偿容量：           Q_补=_安装        （6）^[3]

式中n是补偿次数*偏调谐系数；

U₁是系统额定电压，单位KV；

U_c1是单台电容额定相电压*串联数，单位KV；

Q_安装是电容器组的安装容量，单位kvar；

因此，当n=5*0.98=4.9，U₁=10，U_c1=7.5*1=7.5

Q_补5=4.9²/（4.9²-1）×(10/√3/7.5) ²×5400≈3339Kvar

同理计算H7次支路

电容器选型为6.6kV  300Kvar，

由上可知电抗器电抗率为 K=   

n：补偿次数，n=7*0.97=6.79

K=1/(6.79*6.79)*100%=2.169%,因此H7通道电抗器电抗率为2.169%

总补偿容量：            Q_补=_安装        （6）

n=7*0.97=6.79，U1=10，U_c1=6.6*1=6.6

Q_补7=6.79²/（6.79²-1）×(10/√3/6.6) ²×1800≈1408Kvar

同理计算H11次支路

电容器选型为6.6kV  490Kvar，

由上可知电抗器电抗率为K=  

n：补偿次数，n=11*0.97=10.67

K=1/(10.67*10.67)*100%=0.878%,因此7通道电抗器电抗率为0.878%

总补偿容量：            Q_补=_安装       （6）

n=11*0.97=10.67，U1=10，U_c1=6.6*1=6.6

Q_补11=10.67²/（10.67²-1）×(10/√3/6.6) ²×2940≈2270Kvar

因此，FC总补偿容量=Q_补5+次Q_补7+次Q_补11=3339+1408+2270=7017kvar

根据以上滤波器设计原则及计算结果，母线设H5、H7、H11三个滤波通道。总基波补偿容量约7Mvar，从滤波效果仿真结果分析，滤波后母线谐波电流全部满足国标要求，如下表所示

表2-2滤波后系统中谐波与国标值对比

10kv所有谐波均达到国标值。

3 补偿容量确定

由于五连轧所有动力负荷均有补偿，无需考虑补偿容量，因此所有整流负荷加和约为23650KVA，按设计院所提供的系数：负载率按0.9考虑，同时工作系数按1考虑，自然功率因数为0.8考虑，补偿到0.95，所需容量可按下公式^[4]计算：

Q_L1=P*Kp*Kq*[tg(AcosPF1)-tg(AcosPF2）]      （7）

式中P是有功功率，单位是kw；

Kp是负载率；

Kq是同时工作系数；

PF1是自然功率因数；

PF2是目标功率因数；

Q_L1=23650*0.9*0.8*[tg(Acos0.8)-tg（Acos0.95）] =7174kvar

小结：由于五连轧线需要将谐波滤除置国标值以下的容量为7Mvar，SVG需要FC配合使用，防止轧线空载时FC电容器组出现过补的情况，因此将SVG容量也设计成7Mvar。

在10kv母线上安装一套总补偿容量为14MVar的无功补偿设备，将补偿设备设计为SVG+FC的形式，其中SVG的容量为-7Mvar（感性）—7Mvar（容性），FC设H5、H7、H11三个滤波通道，补偿容量为7Mvar，从而整套设备可实现0-14Mvar的平滑连续无功功率调节功能.可以满足功率因数、谐波等电能质量问题。

4 投产后测试

4.1功率因数

SVG+FC投运后三相功率因数变化曲线如下图1所示（功率因数在0.998～1之间），平均功率因数约为0.995

图1功率因数

图2为补偿设备投运前有功及无功变化与补偿设备投运后有功及无功变化，可以看见补偿设备投运后系统中的无功基本为0kvar。有功为黄色，无功为蓝色，红线为无功补偿设备投运前后区分线。

图2有功、无功变化曲线

表4-1 SVG+FC投运后电能质量统计报

5 结束语

   轧线系统中无功及谐波问题都会给电网的运行或效率带来不良的影响，同时也会对同在一条母线上的其他用电设备带来一些不良的影响甚至危害。静止无功发生器（SVG）由于响应速度快^[5]，补偿效果好可以快速平滑调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。在轧线系统中SVG+FC的补偿是最常规设计方式，目前已经在全国大面积应用。随着一带一路和中国企业更多的海外投资，SVG这种成熟的无功补偿设备也越来越多的应用于海外市场，由于SVG功能的多样性在电炉负荷、轧线负荷、新能源负荷等等领域也有更多应用，其补偿效果好性价比高的特点也被更多的用户所接受。

参考文献

[1]中国国家标准GB/T 14549-93:电能质量公用电网谐波[S]. 北京:中国标准出版社,1994

[2]中国国家标准GB/T 26868-2011:高压滤波装置设计与应用导则[S]. 北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会,2011

[3]陈延镖，陆乃城，王敏杰，等.钢铁企业电力设计手册［M］.北京:冶金工业出版社，2017

[4]中国国家标准GBT30841-2014：高压并联电容器的通用技术要求[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会,2014

[5]王兆安,刘进军，王跃，等.谐波抑制和无功补偿［M］.北京:机械工业出版社.2016

【作者简介】张岩（1985-），男，辽宁人，辽宁荣信兴业电力技术有限公司，高级工程师，本科学士，研究方向：SVG静止无功发生器；