【原】TSVG在冶金轧机系统中的应用

电气技术杂志社 2020-11-18

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特变电工新疆新能源股份有限公司的研究人员冯建云，在2014年《电气技术》增刊上撰文，分析了轧机的工作特性，测试出轧机工作时的电能质量，提出采取特变电工新疆新能源公司的SVG对轧机进行无功和谐波进行综合治理。

轧机是冶金行业的主要加工设备，在冶金行业得到了广泛使用，它主要由上辊和下辊两台电机组成。轧机控制精度较高，因此轧机一般使用稳定可靠的直流调速系统对各电机进行控制，轧机在工作过程中需要消耗大量的感性无功，尤其在启动和停止过程中无功功率和有功功率都波动剧烈，引起供配电系统严重的电压波动与闪变。

轧机前端为电力电子整流器件组成的不控整流电路，因此工作时产生大量谐波，谐波的趋肤效应和邻近效应，使得供配电系统损耗增加，为了提高供电系统功率因数和抑制谐波电流，提高电能质量，在10kV进线侧装设一台SVG进行无功补偿和谐波抑制。无功补偿与谐波的综合治理，使得轧机供电系统的电能质量得到极大改善，保证了供用电的安全，而且有效的提高了用电效率，节能降耗的效果显著。

图1 某轧机现场配电系统示意图

1. 轧机的电能质量分析

某轧机现场供配电系统示意图如上图1所示，主要是由下辊整流支路、上辊整流支路、励磁之路、加热支路等组成。本工程在10KV母线上加装一套新疆特变电工集团10KV TSVG装置，以实现对无功功率及谐波抑制进行综合治理。

1.1轧机工作时无功情况

图2记录了某轧钢机在轧制TA2，Gr2，TA10材料时约75分钟内轧钢过程的电量变化情况，变比为100，由图可以看出，该轧钢机启动时在数秒内无功由0阶跃上升至2732kvar，在轧钢机停止时无功又迅速地阶跃下降至0。

图2 轧机工作时无功有功变化曲线

1.2轧机工作时谐波情况

上辊整流变以及下辊整流变支路为轧机主动力电机支路，主要提供轧机上下棍直流电机的供电，供电方式为12脉冲整流供电，上下棍咬钢过程中瞬间功率迅速大幅度提高，同时12脉冲整流电路会产生11、13次谐波成分。

图3 5次谐波电流趋势图

图4 7次谐波电流趋势图

图5 11次谐波电流趋势图

图6 13次谐波电流趋势图

辅整变和精整变支路为三相6脉冲整流电路，功率输出过程产生部分5、7次谐波电流。整个生产过程各负荷支路协同运行，对于电网造成明显的功率冲击和谐波污染。轧机工作时产生的电流谐波主要是5次、7次、11次、13次谐波，其实际情况如图4，图5、图6、图7所示。

2、轧机的电能质量治理措施

针对轧机的电能质量特性，通过对负荷特性进行详细分析，选择10kV6Mvar的TSVG对整个配电系统进行无功补偿和谐波治理。传统的滤波补偿系统均属于阻抗型补偿装置，对系统参数很敏感，当参数配置不合理、或者过一段时间系统参数发生变化后，很容易引起系统谐振或谐波电流放大，这也是一些传统滤波补偿设备经常运行不正常的重要原因。

TSVG是电流可控型设备，对系统参数不敏感，不会与电网阻抗发生系统谐振，产生谐波放大的情况，即使补偿对象的电流过大，TSVG也不会发生过载，并能正常发挥补偿的作用, 在任何情况下均可动态连续平滑地发（吸）无功，补偿电流完全可控。SVG较传统无功补偿装置，具有响应速度更快、电压闪变抑制能力更强、运行范围更宽、占地面积更小、谐波补偿、自身损耗更小的特点。

图7 轧机工作时电流波形及频谱

2.1高速的响应性

传统无功补偿设备的理论响应时间在20～40ms左右，而TSVG的负荷补偿全响应时间为12.38ms，如图8所示，完全满足DL/T 1215电力行业标准，因此特别适合快速暂态过程的补偿。对电力系统抑制闪变而言，在无功容量足够的情况下，补偿装置输出无功的响应时间是闪变补偿效果的决定性因素。

在相同的补偿容量下，响应时间越小的补偿装置对电压闪变的抑制效果越好，在同等闪变抑制要求下，响应时间越小的补偿装置所需要的补偿容量也越小。如图8所示，很明显快速的补偿能力将成倍地提高闪变的抑制效果：

图8 TSVG全补偿响应时间测试

图9 闪变改善率与无功补偿度曲线

由于TSVG设备具备如此快速的响应性和动态调节能力，因而可以随时跟随负载变化，动态连续补偿功率因数，根据需要快速调节无功的大小和极性。图9表示了闪变改善率受无功补偿度的影响状况，可以看出其改善效果受无功补偿响应时间的影响。

2.2补偿无功功率的同时动态滤除谐波电流

TSVG采用移相载波技术、单元级联技术、SPWM调制技术，通过FPGA快速计算无功及各次谐波电流，高速DSP使用传统PI控制和重复控制，运算产生调制控制信号，FPGA再下发给各个单元控制板，SVG设备本身不产生任何谐波电流，同时还可以在补偿负荷无功功率的同时滤除负荷电流的谐波分量，如图10所示，可见经过TSVG滤除后，被补偿电流由严重的畸变形态变成优良的正弦波了。