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1 概述

湖南某機械鑄造廠(chǎng)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(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(wǎng)的諧波由12脈動(dòng)整流器產(chǎn)生。以上設備產(chǎn)生大量諧波污染，因此整個(gè)現場(chǎng)需要進(jìn)行全方位的電能質(zhì)量治理，包括無(wú)功補償、電網(wǎng)電壓閃變抑制和諧波治理。為了滿(mǎn)足變電所要求的功率因數、有效的抑制電網(wǎng)電壓閃變、減小電網(wǎng)諧波，引入SVG補償裝置。
2 現場(chǎng)問(wèn)題分析及補償方案
2.1 現場(chǎng)配電系統一次圖

湖南某機械鑄造廠(chǎng)中頻熔煉爐現場(chǎng)配電系統一次圖，如圖1所示。

圖1 現場(chǎng)配電系統一次圖

2.2本項目現場(chǎng)補償方案

中頻熔煉爐在運行過(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)電壓的閃變對于熔煉質(zhì)量，以及電網(wǎng)上其它用電設備的安全運行帶來(lái)嚴重的影響。中頻熔煉爐產(chǎn)生了5、7、11、13次諧波，對于此類(lèi)中頻爐現場(chǎng)需要快速的無(wú)功補償來(lái)抑制電網(wǎng)電壓閃變、提高功率因數，同時(shí)進(jìn)行諧波補償。

根據現場(chǎng)負荷的特點(diǎn)，傳統的固定電容器、SVC等技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現場(chǎng)快速無(wú)功補償以及諧波治理的需求，對于中頻爐現場(chǎng)需要使用當今較先進(jìn)的高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償技術(shù)。現場(chǎng)選用了新風(fēng)光電子科技股份有限公司一臺SVG，在電網(wǎng)系統接入點(diǎn)處進(jìn)行自動(dòng)跟蹤補償。
負荷總容量約4000kW，現場(chǎng)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(wú)功需求值：

得到需要補償的無(wú)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(shí)，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(wú)功分量反極性的成分，就可以實(shí)現補償負載無(wú)功功率的目的。這樣，補償電流與負載電流中的諧波和無(wú)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(guò)指令電流運算電路（也稱(chēng)之為諧波和無(wú)功電流檢測電路）檢測出補償對象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量，然后補償電流發(fā)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(chǎn)生實(shí)際的補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波和無(wú)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(fēng)光FGSVG性能介紹

SVG是目前國內外較為先進(jìn)的無(wú)功補償裝置，這種基于電壓型PWM變流器的補償裝置實(shí)現了無(wú)功補償方式質(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(fā)出滿(mǎn)足要求的無(wú)功電流，實(shí)現動(dòng)態(tài)無(wú)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(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)功補償裝置是以IGBT為核心的無(wú)功補償系統，能夠快速連續地提供容性或感性無(wú)功功率，實(shí)現考核點(diǎn)恒定無(wú)功、恒定電壓和恒定功率因數等控制，保障電力系統穩定、優(yōu)質(zhì)地運行。在配電網(wǎng)中，將FGSVG產(chǎn)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(zhù)地改善負荷與公共電網(wǎng)連接點(diǎn)處的電能質(zhì)量，例如提高功率因數、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結構示意圖

新風(fēng)光10kV SVG的結構示意圖如圖2所示。主電路采用鏈式串聯(lián)結構設計，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(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組成強大的控制系統。在控制算法上采用了先進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功理論，實(shí)現了對系統/負載無(wú)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(shù)和載波移相技術(shù)，實(shí)現了并網(wǎng)無(wú)功電流的快速控制和更優(yōu)的并網(wǎng)電流波形。FGSVG能夠快速連續地提供容性或者感性無(wú)功功率，實(shí)現適當的電壓和無(wú)功功率控制，保障電力系統穩定、優(yōu)質(zhì)地運行。
易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列產(chǎn)品為滿(mǎn)足用戶(hù)對提高輸配電網(wǎng)絡(luò )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(diǎn)：
（1）模塊化設計，安裝、調試、設定方便。
（2）動(dòng)態(tài)響應速度快，響應時(shí)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(mǎn)足用戶(hù)需求，運行模式有：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,目標值可實(shí)時(shí)更改。
（5）實(shí)時(shí)跟蹤負荷變化，動(dòng)態(tài)連續平滑補償無(wú)功功率，提高系統的功率因數，實(shí)時(shí)治理諧波，補償負序電流，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。
（6）抑制電壓閃變，改善電壓質(zhì)量，穩定系統電壓。
（7）FGSVG電路參數精心設計，發(fā)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(lián)結構，每組由多個(gè)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(jīng)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(mǎn)足系統高可靠性的要求。
（11）功率電路模塊化設計，維護簡(jiǎn)單，互換性好。
（12）保護功能齊全，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，并能實(shí)現故障瞬間的波形錄制，便于確定故障點(diǎn)，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(wǎng)等接口，采用標準MODBUS通訊協(xié)議。除具有實(shí)時(shí)數字量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線(xiàn)記錄查詢(xún)、單元狀態(tài)監控、系統信息查詢(xún)、歷史故障查詢(xún)等功能外，還具有送電后系統自檢、一鍵開(kāi)停機、分時(shí)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(shí)現定補和動(dòng)補的有效結合，為用戶(hù)提供更經(jīng)濟、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）與系統連接時(shí)，不需要考慮交流系統相序，連接方便。
（17）可并聯(lián)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(mǎn)足實(shí)時(shí)補償的要求。
4  現場(chǎng)投運后運行情況
經(jīng)過(guò)認真安裝調試，SVG裝置按用戶(hù)要求，2016年9月已投入正常運行，現按功率因數自動(dòng)補償運行，功率因數設定值為97%，投運后工作正常，用戶(hù)十分滿(mǎn)意。根據用戶(hù)要求，在安裝調試完畢后對機械鑄造廠(chǎng)高壓側進(jìn)行了諧波補償效果并進(jìn)行了測試。
4.1測量效果

測量?jì)x器為法國CA公司生產(chǎn)的CA8230型電能質(zhì)量分析儀，該儀器可以在線(xiàn)監視測量記錄電網(wǎng)質(zhì)量，主要測量有功功率、無(wú)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(wǎng)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(fēng)光SVG投運前電壓畸變率和諧波電流含量

FGSVG運行后無(wú)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(wú)功功率降低到300kvar以下。FGSVG投運后對沖擊性無(wú)功功率快速補償，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(xiàn)

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(wú)功沖擊進(jìn)行有效補償，對電網(wǎng)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(fēng)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(xiàn)損，提高了變壓器和供電線(xiàn)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(dòng)跟蹤補償電網(wǎng)，減少對電網(wǎng)的沖擊，有效的降低了現場(chǎng)生產(chǎn)對電網(wǎng)的污染。
（4）新風(fēng)光SVG的高響應速度使得很夠實(shí)時(shí)穩定地跟蹤補償現場(chǎng)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(chǎng)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(yǔ)

現場(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)功補償裝置之后，電網(wǎng)側的月平均功率因數超過(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勵。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(chǎng)內，以及電網(wǎng)上其他用電設備的安全運行。