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新風光SVG在中頻爐現場的應用

發布時間:2020-04-14 作者:新風光

1 概述

湖南某機械鑄造廠的主要負載為1臺12脈5噸中頻熔煉爐。電氣部分高壓采用交流10kV供電,變壓器容量為ZSSP-4MVA:1臺,10kV/1000V,額定電流  231A/1155A,變壓器短路阻抗7.52%。

該中頻電爐諧波源特性為典型的12脈動整流,所以整流部分所產生的諧波為12k±1次奇次諧波。低壓側主要有5、7、11、13次諧波,高壓側主要有11次、13次諧波電流,注入電網的諧波由12脈動整流器產生。以上設備產生大量諧波污染,因此整個現場需要進行全方位的電能質量治理,包括無功補償、電網電壓閃變抑制和諧波治理。為了滿足變電所要求的功率因數、有效的抑制電網電壓閃變、減小電網諧波,引入SVG補償裝置。
2 現場問題分析及補償方案
2.1 現場配電系統一次圖

湖南某機械鑄造廠中頻熔煉爐現場配電系統一次圖,如圖1所示。

 

 

圖1 現場配電系統一次圖

2.2本項目現場補償方案

中頻熔煉爐在運行過程中產生了大量的感性無功需求,無功功率快速變化,現場感性無功功率短時有2000kvar的劇烈變化,造成電網電壓閃變。電網電壓的閃變對于熔煉質量,以及電網上其它用電設備的安全運行帶來嚴重的影響。中頻熔煉爐產生了5、7、11、13次諧波,對于此類中頻爐現場需要快速的無功補償來抑制電網電壓閃變、提高功率因數,同時進行諧波補償。

根據現場負荷的特點,傳統的固定電容器、SVC等技術已經不能滿足現場快速無功補償以及諧波治理的需求,對于中頻爐現場需要使用當今較先進的高壓動態無功補償技術。現場選用了新風光電子科技股份有限公司一臺SVG,在電網系統接入點處進行自動跟蹤補償。
負荷總容量約4000kW,現場平均功率因數為0.75,補償后功率因數目標值為0.95,根據以下計算公式計算基波無功需求值:

 

得到需要補償的無功功率量大約2200kvar,考慮到負荷利用率不可能達到100%,因此基于成本考慮可選用2000kvar的SVG補償容量。

SVG在補償諧波的同時,只需要在補償電流的指令信號中增加與負載電流的基波無功分量反極性的成分,就可以實現補償負載無功功率的目的。這樣,補償電流與負載電流中的諧波和無功成分相抵消,電源電流等于負載電流的基波有功分量。

SVG控制器通過指令電流運算電路(也稱之為諧波和無功電流檢測電路)檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量,然后補償電流發生電路根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號,產生實際的補償電流,補償電流與負載電流中要補償的諧波和無功等電流抵消,最終得到期望的電源電流。從而達到在系統側有效濾除諧波的目的。
3 新風光FGSVG性能介紹

SVG是目前國內外較為先進的無功補償裝置,這種基于電壓型PWM變流器的補償裝置實現了無功補償方式質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件,而是通過電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上,適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位,或者直接控制其交流側電流就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流,實現動態無功補償的目的。SVG具有快速的電流響應速度和較強的電壓閃變抑制能力。
新風光電子科技股份有限公司研發生產的FGSVG系列高壓動態無功補償裝置是以IGBT為核心的無功補償系統,能夠快速連續地提供容性或感性無功功率,實現考核點恒定無功、恒定電壓和恒定功率因數等控制,保障電力系統穩定、優質地運行。在配電網中,將FGSVG產品安裝在某些特殊負荷(如電弧爐,中頻爐,電渣爐等)附近,可以顯著地改善負荷與公共電網連接點處的電能質量,例如提高功率因數、克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動、抑止諧波污染等。

 

圖2  FGSVG結構示意圖

新風光10kV SVG的結構示意圖如圖2所示。主電路采用鏈式串聯結構設計,每一相由多個相同的功率單元組成。每個功率單元由多個大功率的電力電子器件組成橋式電路,單元串聯和載波移相技術使整機輸出電壓波形更接近于正弦波,避免了大的du/dt所導致的諸多問題。

FGSVG系列產品采用進口電力電子模塊作為主功率器件,多個DSP和FPGA組成強大的控制系統。在控制算法上采用了先進的瞬時無功理論,實現了對系統/負載無功功率的快速準確的檢測。為了得到更快的響應速度和更高的性能采用了電流直接控制技術和載波移相技術,實現了并網無功電流的快速控制和更優的并網電流波形。FGSVG能夠快速連續地提供容性或者感性無功功率,實現適當的電壓和無功功率控制,保障電力系統穩定、優質地運行。
易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列產品為滿足用戶對提高輸配電網絡的功率因數、治理諧波、補償負序電流的迫切需要,做出相應設計,具有以下特點:
(1)模塊化設計,安裝、調試、設定方便。
(2)動態響應速度快,響應時間≤5ms。
(3)在補償容量足夠的前提下,輸出電流諧波(THD)≤3%。
(4)多種運行模式極大的滿足用戶需求,運行模式有:恒裝置無功功率模式、恒考核點無功功率模式、恒考核點功率因數模式、恒考核點電壓模式、恒考核點無功功率模式2,目標值可實時更改。
(5)實時跟蹤負荷變化,動態連續平滑補償無功功率,提高系統的功率因數,實時治理諧波,補償負序電流,提高電網供電質量。
(6)抑制電壓閃變,改善電壓質量,穩定系統電壓。
(7)FGSVG電路參數精心設計,發熱量小,效率高,運行成本低。
(8)設備結構緊湊,占地面積小。
(9)主電路采用IGBT組成的H橋功率單元串聯結構,每組由多個相同的功率單元組成,整機輸出由PWM波形疊加而成的階梯波,逼近正弦,經輸出電抗器濾波后正弦度好。
(10)FGSVG采用冗余性設計和模塊化設計,滿足系統高可靠性的要求。
(11)功率電路模塊化設計,維護簡單,互換性好。
(12)保護功能齊全,具有過壓、欠壓、過流、光纖通訊故障、單元過熱、不均壓等保護,并能實現故障瞬間的波形錄制,便于確定故障點,易維護,運行可靠性高。
(13)人機界面友好顯示,對外通訊提供了RS485、以太網等接口,采用標準MODBUS通訊協議。除具有實時數字量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態監控、系統信息查詢、歷史故障查詢等功能外,還具有送電后系統自檢、一鍵開停機、分時控制、示波器(AD通道強制錄波)、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。
(14)FGSVG設計包含與FC配合使用的接口,實現定補和動補的有效結合,為用戶提供更經濟、更靈活的方案。
(15)投切時無暫態沖擊,無合閘涌流,無電弧重燃,無需放電即可再投。
(16)與系統連接時,不需要考慮交流系統相序,連接方便。
(17)可并聯安裝,極易擴展容量。并機運行使用光纖通訊,通訊速度快,能夠完好的滿足實時補償的要求。
4  現場投運后運行情況
經過認真安裝調試,SVG裝置按用戶要求,2016年9月已投入正常運行,現按功率因數自動補償運行,功率因數設定值為97%,投運后工作正常,用戶十分滿意。根據用戶要求,在安裝調試完畢后對機械鑄造廠高壓側進行了諧波補償效果并進行了測試。
4.1測量效果

測量儀器為法國CA公司生產的CA8230型電能質量分析儀,該儀器可以在線監視測量記錄電網質量,主要測量有功功率、無功功率、視在功率、總功率因數PF、2~50次諧波電流和諧波電壓、電網電壓總畸變率THDu、諧波電流總畸變率THDi、相位角等參數。另外可以測量峰值(PEAK)、最小值(min)、最大值(max)、平均值(AVG)、電流K因數,并有多種圖形顯示和記錄。
FGSVG投運前電壓畸變率和諧波電流含量如圖3所示。

 

圖3新風光SVG投運前電壓畸變率和諧波電流含量

FGSVG運行后無功功率補償效果非常理想,系統側平均功率因數穩定在0.95以上,系統側的無功功率降低到300kvar以下。FGSVG投運后對沖擊性無功功率快速補償,有效的抑制了電網電壓的閃變,電網電壓最大波動200V,基本穩定在10500V附近,保證了用電設備的安全運行,如圖4所示。

 

圖4  FGSVG工作后電壓有效值曲線

理想的補償效果歸功于FGSVG響應速度小于等于5ms,極快的響應速度可以對無功沖擊進行有效補償,對電網電壓閃變的抑制能力更強,諧波補償效果理想。
4.2結論分析
(1)中頻爐電源部分為三相橋式12脈整流,低壓側主要特征諧波次數為5,7,11,13次,高壓側主要特征諧波次數為11,13次。新風光FGSVG投運工作后,測試的各項諧波電流統計如表1所示。

表1 測試的各項諧波電流統計

由上表看出5,7,11,13次諧波電流均國標限值。
(2)高壓側平均功率因數由裝置投運前的0.89提高到0.958,降低了線損,提高了變壓器和供電線路帶載能力。
(3)4MVA 10KV/1KV 變壓器后端負荷為單一負載,SVG可以自動跟蹤補償電網,減少對電網的沖擊,有效的降低了現場生產對電網的污染。
(4)新風光SVG的高響應速度使得很夠實時穩定地跟蹤補償現場諧波和電壓畸變。取得了良好的補償效果。
安裝SVG裝置后該機械鑄造廠的電壓畸變率、諧波電流限值和功率因素值符合國標要求。
5 結束語

現場使用新風光電子科技股份有限公司生產的FGSVG高壓動態無功補償裝置之后,電網側的月平均功率因數超過0.95,不僅避免了電力公司的罰款問題,而且每月還有一定比例的獎勵。電網電壓閃變得到有效的抑制,電網最大波動不超過200V,保證了廠內,以及電網上其他用電設備的安全運行。