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SVG鏈式無功補償裝置在軋鋼機現場的應用

發布時間:2020-04-14 作者:新風光
1 引言

 菏澤某不銹鋼有限公司主要生產各種角鋼、T型鋼等不銹鋼,每年可生產各種不銹鋼30萬噸。公司內主變壓器有1200kVA、1500kVA、2000kVA整流變,以及1600kVA動力變,主負荷為橫列式軋鋼機、連軋生產線。橫列式軋機為三輥式軋鋼機,由一臺1250kW/10kV的高壓電機驅動;連軋生產線有8臺平軋、2臺立軋以及一臺飛剪組成。軋鋼機運行時產生大量無功功率,致使公司10kV進線端的功率因數降低;軋鋼時有功、無功功率的沖擊,引起了電網電壓的閃變。

橫列式軋鋼機的動力電機為1250kW/10kV交流電機,而連軋生產線全部是220kW、400kW、480kW、560kW不同功率的10臺直流軋機,其控制柜輸入端為整流電路,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。

本項目為新建項目,電網電壓為10kV,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
       菏澤某軋鋼機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

3臺整流變壓器為直流軋機的控制柜提供電源,1臺動力變壓器為生產線上的驅動電機提供電源,1250kW/10kV的高壓電機通過配電柜接入10kV電網。

2.2 現場負荷情況
 本項目現場負荷情況如表1所示。

表1負荷情況表

現場主要負荷是1臺1250kW/10kV橫列式軋鋼機和數臺不同功率等級的低壓直流軋機,以及生產線上運動部件的低壓交流驅動電機。

2.3 本項目現場存在的問題
通過現場考察,現場主要有3個問題:
(1)電網電壓閃變。入廠為10kV電網,電網容量有限。1250kW/10kV交流電機,直接掛在10kV電網,啟動方式為直接啟動,對電網造成較大的無功、有功沖擊,引起電網劇烈下降,10100V的電網電壓最低跌落至9200V,超過了電網規定的電能質量標準。橫列式軋機是生產線上第一級軋機,屬于粗軋,軋鋼過程也能引起電網電壓閃變500V左右。
(2)功率因素低。平均功率因數為0.75左右,存在電力公司的罰款問題。
(3)諧波問題。大量的直流軋機產生了產生大量6N±1 為主的諧波,同時負荷為沖擊性負載,運行過程中對電網電壓也會引起閃變等現象。
 2.4 本項目現場補償方案
軋鋼機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4500kvar的劇烈變化,造成電網電壓閃變。電網電壓的閃變對于軋鋼質量,以及電網上其它用電設備的安全運行帶來嚴重的影響。大量的直流軋機產生了5、7次諧波,對于此類軋機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,對于軋鋼機現場需要使用當今較先進的高壓動態無功補償技術。現場選用了山東新風光電子科技發展有限公司一臺SVG,在電網系統接入點處進行自動跟蹤補償。
       負荷總容量約8000kW,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4400kvar,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4000kvar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
SVG是目前國內外爭相研發的無功補償裝置,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。
圖2  FGSVG結構示意圖

山東新風光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、有效、優質地運行。

FGSVG功率單元采用冗余、模塊化設計,滿足系統高可靠性的需求,模塊化設計集成度高,功率單元互換性好,現場安裝、維護簡單,占地面積小,通常只有相同容量SVC的50%。可多臺FGSVG并聯安裝,極易擴展容量;并聯運行使用高速光纖通訊,通訊速度快,能夠滿足快速補償的要求。此外現場操作非常簡單,超大尺寸的觸摸屏具有豐富的顯示界面,例如實時狀態量及模擬量的顯示、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,還具有上電控制系統自檢、一鍵開停機、分時控制、示波器(AD錄波)、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。

4 現場補償效果
4.1  FGSVG調試

在現場FGSVG通過高壓配電柜接入10kV電網,檢測10kV系統側的電網電壓、電網電流,進行自動跟蹤補償。FGSVG具有多種自動補償模式,如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、負載補償模式,以及綜合補償等,現場采用恒考核點功率因素進行電壓綜合補償。調試投運之后,SVG自動跟蹤補償,無需現場人員參與。

SVG具有多種通信接口,例如RS-485、以太網接口,以及多種電力系統常用通信規約,如MODBUS_RTU、CDT91、IEC104等,可以與后臺進行聯網通信。在生產過程中,現場人員只需定期的巡檢、清掃,操作、維護非常簡單。現場運行中的FGSVG照片如圖3所示。


圖3  FGSVG現場外觀圖
4.2  補償效果

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0.94以上,系統側的無功功率降低到500kvar以下,如圖4。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5。

圖4 SVG工作后系統側無功數據曲線                                                                圖5 SVG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,如圖6所示。

圖6 補償后的系統10kV電壓總諧波畸變5 結束語

現場使用山東新風光電子科技發展有限公司生產的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0.94,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。