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1 概述

湖南某機(jī)械鑄造廠的主要負(fù)載為1臺(tái)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(tái)，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(dòng)整流，所以整流部分所產(chǎn)生的諧波為12k±1次奇次諧波。低壓側(cè)主要有5、7、11、13次諧波，高壓側(cè)主要有11次、13次諧波電流，注入電網(wǎng)的諧波由12脈動(dòng)整流器產(chǎn)生。以上設(shè)備產(chǎn)生大量諧波污染，因此整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行全方位的電能質(zhì)量治理，包括無(wú)功補(bǔ)償、電網(wǎng)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(shù)、有效的抑制電網(wǎng)電壓閃變、減小電網(wǎng)諧波，引入SVG補(bǔ)償裝置。
2 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題分析及補(bǔ)償方案
2.1 現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)一次圖

湖南某機(jī)械鑄造廠中頻熔煉爐現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)一次圖，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)一次圖

2.2本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償方案

中頻熔煉爐在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了大量的感性無(wú)功需求，無(wú)功功率快速變化，現(xiàn)場(chǎng)感性無(wú)功功率短時(shí)有2000kvar的劇烈變化，造成電網(wǎng)電壓閃變。電網(wǎng)電壓的閃變對(duì)于熔煉質(zhì)量，以及電網(wǎng)上其它用電設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的影響。中頻熔煉爐產(chǎn)生了5、7、11、13次諧波，對(duì)于此類(lèi)中頻爐現(xiàn)場(chǎng)需要快速的無(wú)功補(bǔ)償來(lái)抑制電網(wǎng)電壓閃變、提高功率因數(shù)，同時(shí)進(jìn)行諧波補(bǔ)償。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的固定電容器、SVC等技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)快速無(wú)功補(bǔ)償以及諧波治理的需求，對(duì)于中頻爐現(xiàn)場(chǎng)需要使用當(dāng)今較先進(jìn)的高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)選用了新風(fēng)光電子科技股份有限公司一臺(tái)SVG，在電網(wǎng)系統(tǒng)接入點(diǎn)處進(jìn)行自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。
負(fù)荷總?cè)萘考s4000kW，現(xiàn)場(chǎng)平均功率因數(shù)為0.75，補(bǔ)償后功率因數(shù)目標(biāo)值為0.95，根據(jù)以下計(jì)算公式計(jì)算基波無(wú)功需求值：

得到需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率量大約2200kvar，考慮到負(fù)荷利用率不可能達(dá)到100%，因此基于成本考慮可選用2000kvar的SVG補(bǔ)償容量。

SVG在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，只需要在補(bǔ)償電流的指令信號(hào)中增加與負(fù)載電流的基波無(wú)功分量反極性的成分，就可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功功率的目的。這樣，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波和無(wú)功成分相抵消，電源電流等于負(fù)載電流的基波有功分量。

SVG控制器通過(guò)指令電流運(yùn)算電路（也稱之為諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路）檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量，然后補(bǔ)償電流發(fā)生電路根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波和無(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。從而達(dá)到在系統(tǒng)側(cè)有效濾除諧波的目的。
3 新風(fēng)光FGSVG性能介紹

SVG是目前國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，這種基于電壓型PWM變流器的補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過(guò)電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功能量的變換。基本原理就是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。SVG具有快速的電流響應(yīng)速度和較強(qiáng)的電壓閃變抑制能力。
新風(fēng)光電子科技股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的FGSVG系列高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是以IGBT為核心的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，能夠快速連續(xù)地提供容性或感性無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)考核點(diǎn)恒定無(wú)功、恒定電壓和恒定功率因數(shù)等控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行。在配電網(wǎng)中，將FGSVG產(chǎn)品安裝在某些特殊負(fù)荷（如電弧爐，中頻爐，電渣爐等）附近，可以顯著地改善負(fù)荷與公共電網(wǎng)連接點(diǎn)處的電能質(zhì)量，例如提高功率因數(shù)、克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動(dòng)、抑止諧波污染等。

圖2  FGSVG結(jié)構(gòu)示意圖

新風(fēng)光10kV SVG的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。主電路采用鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每一相由多個(gè)相同的功率單元組成。每個(gè)功率單元由多個(gè)大功率的電力電子器件組成橋式電路，單元串聯(lián)和載波移相技術(shù)使整機(jī)輸出電壓波形更接近于正弦波，避免了大的du/dt所導(dǎo)致的諸多問(wèn)題。

FGSVG系列產(chǎn)品采用進(jìn)口電力電子模塊作為主功率器件，多個(gè)DSP和FPGA組成強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。在控制算法上采用了先進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功理論，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)/負(fù)載無(wú)功功率的快速準(zhǔn)確的檢測(cè)。為了得到更快的響應(yīng)速度和更高的性能采用了電流直接控制技術(shù)和載波移相技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)無(wú)功電流的快速控制和更優(yōu)的并網(wǎng)電流波形。FGSVG能夠快速連續(xù)地提供容性或者感性無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷汉蜔o(wú)功功率控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行。
易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列產(chǎn)品為滿足用戶對(duì)提高輸配電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)、治理諧波、補(bǔ)償負(fù)序電流的迫切需要，做出相應(yīng)設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)：
（1）模塊化設(shè)計(jì)，安裝、調(diào)試、設(shè)定方便。
（2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間≤5ms。
（3）在補(bǔ)償容量足夠的前提下，輸出電流諧波(THD)≤3%。
（4）多種運(yùn)行模式極大的滿足用戶需求，運(yùn)行模式有：恒裝置無(wú)功功率模式、恒考核點(diǎn)無(wú)功功率模式、恒考核點(diǎn)功率因數(shù)模式、恒考核點(diǎn)電壓模式、恒考核點(diǎn)無(wú)功功率模式2,目標(biāo)值可實(shí)時(shí)更改。
（5）實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，動(dòng)態(tài)連續(xù)平滑補(bǔ)償無(wú)功功率，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，實(shí)時(shí)治理諧波，補(bǔ)償負(fù)序電流，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。
（6）抑制電壓閃變，改善電壓質(zhì)量，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。
（7）FGSVG電路參數(shù)精心設(shè)計(jì)，發(fā)熱量小，效率高，運(yùn)行成本低。
（8）設(shè)備結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)構(gòu)，每組由多個(gè)相同的功率單元組成，整機(jī)輸出由PWM波形疊加而成的階梯波，逼近正弦，經(jīng)輸出電抗器濾波后正弦度好。
（10）FGSVG采用冗余性設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)高可靠性的要求。
（11）功率電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單，互換性好。
（12）保護(hù)功能齊全，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、光纖通訊故障、單元過(guò)熱、不均壓等保護(hù)，并能實(shí)現(xiàn)故障瞬間的波形錄制，便于確定故障點(diǎn)，易維護(hù)，運(yùn)行可靠性高。
（13）人機(jī)界面友好顯示，對(duì)外通訊提供了RS485、以太網(wǎng)等接口，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議。除具有實(shí)時(shí)數(shù)字量及模擬量的顯示、運(yùn)行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)信息查詢、歷史故障查詢等功能外，還具有送電后系統(tǒng)自檢、一鍵開(kāi)停機(jī)、分時(shí)控制、示波器（AD通道強(qiáng)制錄波）、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。
（14）FGSVG設(shè)計(jì)包含與FC配合使用的接口，實(shí)現(xiàn)定補(bǔ)和動(dòng)補(bǔ)的有效結(jié)合，為用戶提供更經(jīng)濟(jì)、更靈活的方案。
（15）投切時(shí)無(wú)暫態(tài)沖擊，無(wú)合閘涌流，無(wú)電弧重燃，無(wú)需放電即可再投。
（16）與系統(tǒng)連接時(shí)，不需要考慮交流系統(tǒng)相序，連接方便。
（17）可并聯(lián)安裝，極易擴(kuò)展容量。并機(jī)運(yùn)行使用光纖通訊，通訊速度快，能夠完好的滿足實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)囊蟆?br/>4  現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)后運(yùn)行情況
經(jīng)過(guò)認(rèn)真安裝調(diào)試，SVG裝置按用戶要求，2016年9月已投入正常運(yùn)行，現(xiàn)按功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)行，功率因數(shù)設(shè)定值為97%，投運(yùn)后工作正常，用戶十分滿意。根據(jù)用戶要求，在安裝調(diào)試完畢后對(duì)機(jī)械鑄造廠高壓側(cè)進(jìn)行了諧波補(bǔ)償效果并進(jìn)行了測(cè)試。
4.1測(cè)量效果

測(cè)量?jī)x器為法國(guó)CA公司生產(chǎn)的CA8230型電能質(zhì)量分析儀，該儀器可以在線監(jiān)視測(cè)量記錄電網(wǎng)質(zhì)量，主要測(cè)量有功功率、無(wú)功功率、視在功率、總功率因數(shù)PF、2~50次諧波電流和諧波電壓、電網(wǎng)電壓總畸變率THDu、諧波電流總畸變率THDi、相位角等參數(shù)。另外可以測(cè)量峰值（PEAK）、最小值（min）、最大值（max）、平均值（AVG）、電流K因數(shù)，并有多種圖形顯示和記錄。
FGSVG投運(yùn)前電壓畸變率和諧波電流含量如圖3所示。

圖3新風(fēng)光SVG投運(yùn)前電壓畸變率和諧波電流含量

FGSVG運(yùn)行后無(wú)功功率補(bǔ)償效果非常理想，系統(tǒng)側(cè)平均功率因數(shù)穩(wěn)定在0.95以上,系統(tǒng)側(cè)的無(wú)功功率降低到300kvar以下。FGSVG投運(yùn)后對(duì)沖擊性無(wú)功功率快速補(bǔ)償，有效的抑制了電網(wǎng)電壓的閃變，電網(wǎng)電壓最大波動(dòng)200V，基本穩(wěn)定在10500V附近，保證了用電設(shè)備的安全運(yùn)行，如圖4所示。

圖4  FGSVG工作后電壓有效值曲線

理想的補(bǔ)償效果歸功于FGSVG響應(yīng)速度小于等于5ms，極快的響應(yīng)速度可以對(duì)無(wú)功沖擊進(jìn)行有效補(bǔ)償，對(duì)電網(wǎng)電壓閃變的抑制能力更強(qiáng)，諧波補(bǔ)償效果理想。
4.2結(jié)論分析
（1）中頻爐電源部分為三相橋式12脈整流，低壓側(cè)主要特征諧波次數(shù)為5，7，11，13次，高壓側(cè)主要特征諧波次數(shù)為11，13次。新風(fēng)光FGSVG投運(yùn)工作后，測(cè)試的各項(xiàng)諧波電流統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 測(cè)試的各項(xiàng)諧波電流統(tǒng)計(jì)

由上表看出5，7，11，13次諧波電流均國(guó)標(biāo)限值。
（2）高壓側(cè)平均功率因數(shù)由裝置投運(yùn)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(fù)荷為單一負(fù)載，SVG可以自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償電網(wǎng)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，有效的降低了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)對(duì)電網(wǎng)的污染。
（4）新風(fēng)光SVG的高響應(yīng)速度使得很夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定地跟蹤補(bǔ)償現(xiàn)場(chǎng)諧波和電壓畸變。取得了良好的補(bǔ)償效果。
安裝SVG裝置后該機(jī)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(guó)標(biāo)要求。
5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)使用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的FGSVG高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置之后，電網(wǎng)側(cè)的月平均功率因數(shù)超過(guò)0.95，不僅避免了電力公司的罰款問(wèn)題，而且每月還有一定比例的獎(jiǎng)勵(lì)。電網(wǎng)電壓閃變得到有效的抑制，電網(wǎng)最大波動(dòng)不超過(guò)200V，保證了廠內(nèi)，以及電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行。