钢铁厂铁水预处理SVG高压动态无功补偿装置技术改造方案（3）

接上篇：钢铁厂铁水预处理SVG高压动态无功补偿装置技术改造方案（2）

3.4 基本技术参数
本装置满足调节系统电压、改善功率因数及治理谐波等技术要求，并达到以下技术指标：
1）额定电压等级和额定电流
     本装置的额定电压等级为10kv，额定电流为577A。
2) 输出电流谐波
在补偿容量足够前提下，注入系统的谐波电流（THD）≤3%，低于国家标准《电能质量、公用电网谐波》GB/T14549-93中的谐波电流允许值，如表3.1所示：
表3.1 注入系统的谐波电流允许值

注：a.标称电压为220kV的公用电网可参照110kV执行；
    b.220kV基准短路容量取2000MVA。
3)输出容量
本装置以10kV侧母线无功功率作为控制目标，能实现输出容量从容性10000kvar至感性10000kvar连续、平滑、动态、快速调节的功能。
4)响应时间
本装置的响应时间能实时动态跟踪电网电能质量变化，并根据变化情况动态调节无功输出，实现任意负荷段的高功率因数运行。动态响应时间≤5ms。
5) 谐波特性
动态无功补偿装置输出电流谐波含量能满足国标要求，并实现有源滤波功能。
6)运行效率
装置运行过程中，较大有功损耗不大于成套装置总输出容量的0.8%。
7) 过载能力
成套装置应具有短时过载能力，过载无功补偿容量为成套装置总容量的10%、时间持续3min开始报警。过载无功补偿容量为成套装置总容量的20%、时间持续1分钟保护停机。
8）三相电压不平衡度
电网公共连接点10KV母线的电压不平衡度≤1.3%，满足*人民共和国国家标准《GB/T 15543 2008 电能质量 三相电压允许不平衡度》的要求。
9)冷却方式
    高压动态无功补偿装置推荐采用水冷散热方式。
3.4 SVG系统主要发热部分是功率单元模块。其中，IGBT是功率单元模块的主要发热器件，通常其PN结不得**过125℃，封装外壳不得**过85℃。IGBT的发热量是根据IGBT厂家给出的损耗计算软件及人工公式计算综合比较得出。再结合多次的热仿真、水冷仿真和实际的试验测试，较终选择出合适的散热器材料与合理的器件布局及水冷装置。
SVG装置冷却方式是水冷散热方式，能较好的适应现场环境，噪音小。
1冷却系统基本要求
SVG冷却系统应采用高质量密闭水冷却系统，包括水冷系统主机(含监控系统)、水冷管道、水-风换热装置及必要的支撑架及附件等，采用的是行业中目前较先进的工程方法。冷却系统的设计和制造基准是保证装置在各种额定的环境条件下适应IGBT单元阀组的各种运行工况。每套SVG设备必须配套单独的水冷系统，严禁两套设备共用一套。
冷却系统能长期稳定运行，不允许有变形、泄漏、异常振动和其他影响IGBT单元阀组正常工作的缺陷。管路系统的设计保证其沿程水阻为较小。所**电设备和仪表的选型，均选择优质**的可靠产品。冷却系统的密封方式和密封材料的选型确保冷却系统正常运行时无泄漏。
 

恒定压力和流速的冷却介质源源不断流经被冷却器件带走其运行中产生的热量，高温水经室外换热设备进行热交换变为低温水，换热后冷却介质回流至循环泵的进口，如此往复保证SVG阀体工作在安全温度以内。精密控制冷却系统的循环冷却水温度。在水冷系统进出管路之间设置电动三通阀，当室外环境温度较低和IGBT单元阀组低负荷运行或零负荷时，由电动三通阀实现冷却水温度的调节。
在主循环冷却回路上并联了去离子处理回路。预设定流量的一部分冷却介质流经离子交换器，不断降低管路中可能析出的离子，较终与主循环回路冷却介质在高压循环泵前合流。
系统中各机电单元及传感器由PLC自动监控运行，并通过操作面板的友好界面实现人机的即时交流。水冷系统的运行参数和报警信息即时传输至主控制器，并可通过SVG主控制器远程操控水冷系统，实现冷却系统与SVG控制的无缝接合。
2  主循环冷却回路技术要求
冷却介质在主循环泵动力作用下，带走水冷板中热量，热介质通过换热设备进行二次散热后，再回流主循环回路。
1.主循环泵
设置两台主循环泵，一用一备，工作模式为轮换工作，可定时自动切换和手动切换，工作时间可通过触摸屏设置。提供密闭循环流体所需动力。泵体采用机械密封，接液材质为不锈钢，拥有过流和过热保护。如果运行泵故障或不能提供额定压力或流量，马上发出报警信号，并自动切换到另一台泵工作。
2. 主循环回路机械过滤器
为防止循环冷却水在快速流动中可能冲刷脱落的刚性颗粒进入阀体，在主泵出口至阀体进口管路设置精度为200μm 机械过滤器。过滤器设压差指示表提示滤芯污垢程度，提醒操作人员清洗。
3. 气水分离器
置于主循环冷却水回路泵进口，罐**设自动排气装置，收集并排出冷却系统中的气体。
4.电动三通阀
采用优质电动三通阀，可调节流过换热设备的冷却水流量与不经过换热设备的冷却水流量的比例，用于冬天温度低及阀体低负荷运行时的冷却水温度调节，避免冷却水温度过低。 选用**优质品牌系列型号电动执行器件。电动三通阀在手动时可以手动调节闭合大小，自动时，由主回路的温度和设定值的差值自动调节闭合大小。
5. 主回路传感器
在主循环管路上设置压力、流量、温度和电导率传感器。
3  去离子回路技术要求
去离子回路是并联于主循环回路的支路，主要由离子交换器及相关附件组成，对主循环回路中的部分介质进行纯化。通过对冷却水中离子的不断脱除，达到长期维持较低电导率的目的。离子交换树脂采用长效离子交换树脂，吸附容量大，耐高温、高流速，**于微量离子的去除。当电导率传感器检测到离子浓度偏高时，发出报警信号。
1. 离子交换器
树脂选用优质树脂。
2. 精密过滤器
离子交换器出口处设置精密过滤器，精度为15μm，拦截可能破碎流出的树脂颗粒，采用可更换滤芯方式。
3. 去离子回路传感器
去离子回路中设置浮子式流量计，通过调节阀门调整流经去离子回路的冷却介质流量。
4  冷却介质、阀门、管道及管道附件
所有的不锈钢设备、管道焊接采用氩弧焊工艺，不锈钢表面经过严格的酸洗及钝化过程，管道系统需经过严格的试压、清洗。本系统由于在高电压条件下工作，为避免冷却介质中存在杂质离子，导致各元件之间形成漏电流，要求冷却介质为高纯水。冷却介质为含有乙二醇的防冻液，在现场室外温度低于零度以下不出现冻结。为保持介质的高纯性，循环管路、阀门均采用AISI304不锈钢。与冷却水接触的各种材料表面不能发生腐蚀或析出离子。管道系统的较高位置应设有自动排气阀，能自动有效的实现气水分离和排气功能。为方便检修、维护及保养，水冷系统管道的较低位置设置了排水口、紧急排放口等，并保留有足够的检修空间。管道、阀门的连接尽可能采用法兰等方式，只有在非常不便的情况下才可以采用螺纹连接的方式。
5  温湿度检测
水冷系统具有IGBT单元阀室的温湿度检测功能，并通过与水温的计算，具备结露预警功能，并可向SVG 控制系统发出预警信号。
6  水‐风换热器
水‐风冷却系统中户外换热设备为水风换热器。风机的起停组群由PLC 根据温度传感器发出的指令控制。其主要设备包括盘管、散热翅片和风机等。水风换热器在较低点应设有排水口，在高点应设有排气阀。
7  机架
水冷主机与水风换热器的机架均采用碳钢制作，表面涂漆，其颜色应依照买方的要求。所有外表面至少要涂一道底漆和两道面漆，面漆厚度不小于0.085mm，表层面漆应有足够弹性以耐受温度变化，耐剥落且不褪色、不粉化。
8  控制与保护系统
要求成套设备采用抗电磁干扰合格产品。
1.一次回路
1) 动力电源
进线电源：380V AC，三相四线制，50Hz。
2) 电源的监视和保护
对进线电源状况进行实时监控。电源故障，缺相，相序错，欠压，过流，过压，短路等信息上传至监控系统。
3) 接地
现场提供可靠接地，确保设备运行的稳定和安全。
4) 一次元件的选型
断路器、接触器以及热保护单元等主要元器件采用高性能产品。
5) 对主设备的保护
提供对泵的短路、过流、过压缺相和掉相保护。故障状态信息上传至PLC，实现自动报警和保护。
2.二次回路
控制回路采用控制器（PLC）的控制保护系统。从而实现：
1) 对水冷系统的监控与保护；
2) 将水冷系统的工作状况上传给主控制器。
3) 对水冷系统的远程控制。
3.控制系统
1) 采样系统
为确保系统安全稳定工作，仪表均采用国际**品牌，防止由于水冷系统仪表故障导致IGBT单元阀停运，对水冷系统冷却介质进出阀温度、压力、冷却介质电导率，缓冲罐/高位水箱液位，系统流量等重要参数在线监测。
水冷系统仪表分为3 类：现场指示、开关量信号、4～20mA 线性模拟信号。通过PLC 连接和反馈，实现监视、控制、报警及保护功能。
a. PLC接收并直接处理现场开关量信号。
b. PLC接收传感器4～20mA 信号并显示其参数在线值。如PLC接收到传感器的**量程读数时，将发出“传感器故障”报警信号。水冷系统整定值在系统停机或断电后，不能丢失。
2) 工作模式
a.手动模式
旋钮置于手动位时，水冷系统处于手动操作模式。
主循环泵、补水泵能通过控制柜面板旋钮进行手动操作。电磁阀能在操作面板上操作。手动模式运行时水冷系统不由PLC 自动控制，此模式一般在系统检修维护及调试时采用。
b.停止模式
旋钮置于停止位时，水冷系统处于停止操作模式。
在控制柜面板按钮及操作面板上不能进行任何操作。
c.自动模式
旋钮置于自动位时，水冷系统处于自动操作模式。
自动启动后，水冷控制系统根据整定参数监控水冷系统的运行状况和检测系统故障。PLC 自动控制冷却水温度，对水冷系统参数的**标及时的发出预警，当参数严重**标有可能影响被冷却器件运行安全时自动发出跳闸信号。
自动运行模式下，主循环泵、自动补水泵等由PLC 根据实际工作条件进行自动控制。此时各设备控制柜面板按钮手动操作无效。
3) 人机界面
控制柜面板按钮
人机界面显示的报警信息，较少包括：系统运行、系统停止、系统故障、跳闸。
 操作面板
可编程逻辑控制器与触摸式控制屏组成人机对话的操作面板，经过编程可具有以下功能。
显示水冷系统工艺流程图及各机电设备工作状态；
 压力、流量、温度、水位和电导率等参数在线显示；
报警时显示当前报警信息条，如水温过高等，同时保存故障历史记录；
 主泵通过操作面板按键可手动切换；
水冷系统自动的启动/停止；
水冷系统停止时可手动调试电磁阀；
参数设定及密码保护。
4) 控制逻辑
主循环泵正常工作时，其流量是恒定不变的。
通常情况下，即使阀体退出运行，主泵也不切除，水冷系统保持运行。
当系统检测到工作泵故障时，报警。
当系统检测到两台工作泵均故障时，跳闸。
当系统检测到补水箱液位下降至低报警液位时，发出补水箱液位低报警信号，提示操作人员及时向补水箱内补水。
仪表故障逻辑说明：变送器异常，发出报警信号，〈某仪表故障,请检查〉。故障仪表恢复正常后，相关控制功能恢复正常。
任何传感器故障时，操作面板上均显示“某仪表故障,请检查”报警信息并上传，同时发出预警信号。
交流动力电源掉电时，发出跳闸信号。
PLC 接收处理温度变送器信号并根据设定的温度上下限，输出低温预警、高温预警和**低、**高温跳闸信号；
 PLC 接收并处理有关其他变送器信号，并根据设定限值输出预警及跳闸信号；
水冷系统泄漏时发出报警信息。
5） 温度控制
IGBT单元阀组通过改变导通角来连续调节系统容量。IGBT单元阀的导通角不同，流过IGBT单元阀的电流有效值不同，IGBT单元阀的发热量也不同。而IGBT单元使用时要求冷却水进阀温度基本稳定，严禁冷却水进阀温度骤升骤降，因此要求水冷装置改变水冷散热量来跟踪IGBT单元阀热负荷变化，使冷却水进阀温度稳定在设定范围内。本系统根据阀体温度的变化调节电磁阀开关大小，从而形成一个温度闭环调节系统，是阀体工作在相对稳定的温度环境内，从而提高阀体地寿命和使用效率。
6) 抗电磁干扰设计
水冷系统在大功率电力电子设备环境中连续运行，控制系统的抗电磁干扰性是关系到冷却系统甚至整个换流系统能否正常稳定运行的关键。
信号线采用屏蔽线缆，全部可靠接地，强电弱电分开排布，采用软线压端子保证连接可靠。
7) 远程传输（通讯）
对实时性要求较高的远程控制信号和水冷系统报警信号，水冷系统通过开关量接点与IGBT单元阀组监控系统(以下简称主控箱)进行通讯；对信息量较大的在线参数、设备状态监测及水冷系统报警信息，水冷系统通过MODBUS 协议RS485 总线与IGBT单元阀监控系统进行通讯，上传的关键信息能在SVG主控屏上在线显示。
8) 开关量输出节点
延时跳闸（正常时继电器触点闭合，跳闸时继电器触点断开，断电时继电器触点断开）；
水冷系统启/停（两泵全停,上位机接收到此信号应立即停运IGBT单元阀组，水冷系统正常工作才允许合闸。水冷系统启动时继电器触点闭合，停止时继电器触点断开）；
水冷控制系统综合故障（包含PLC 故障及控制电源掉电,包括水冷的所有报警故障，跳闸信号在内。上位机接收到此信号应立即检修水冷系统，正常时继电器触点闭合，故障时继电器触点断开）；
备用。
9) SVG触摸屏显示
阀组进口温度；
阀组出口温度；
报警信息上传（详见报警信息及参数设定一览表）；
主循环泵状态；
补水泵状态；
风机运行状态；
水冷系统已自动运行；
设备状态上传各主要机电单元状态均应在水冷触摸屏流程图上显示。

Ø 水冷系统的机械构造
各主要零部件说明如下1）：

 3.5输出电抗器
本方案选用电抗器将装置和电网连接起来；
电抗器采用铜绕组空芯电抗器。
3.6人机界面
本系统采用液晶显示器，具有友好的人机简体中文操作界面，数据保存至少6个月。能提供以下功能：
1）主接线图；
2）实时电量参数显示（10kV侧电压、电流、功率、功率因数等）；
3）历史时间记录；
4）链式装置单元状态监控；
5）显示当前时间、保护动作时间、显示保护类型等信息；
当各类保护动作或监视的状态发生变化时，控制器能将自动记录事件发生的类型、相别及动作值，事件按顺序记录，通过液晶进行查询，并以通讯方式上传。动作次数*保存，即使掉电也不丢失。事件的清除靠手动操作来实现。
4 方案实施
4.1安装地点
安装方式采用户内柜体安装。（由于配电室现场空间受限，建议采用户外集装箱式安装）
4.2 现场连接方式

一套装置现场连接方式如图4.1所示，具体连接方式在技术协议上说明。

图4.1 SVG连接示意图
4.3 装置运行方案
1)装置需要现场提供10kv母线侧的A、B、C三相的网侧电流信号，检测位置示意图如图4.2所示。
2)装置并入电网后可24小时运行。装置会自动跟踪电网功率因数的变化，使电网功率因数维持在0.98-1的某个设定值（无过补）。
3)以母线电压为目标运行时，根据用户设定的目标值运行。
4)以功率因数、负载侧或者以网侧电压为目标的时间段可自由设定。

  
图4.2  电流检测位置示意图
4.4装置现场解决方案
比较理想的治理方法是直接在10kv系统内接入动态无功补偿装置（SVG），通过供电运行电流进行检测运算，对其所产生的无功和电压波动进行补偿，达到相应的治理效果。
4.5 输出谐波特性
本公司SVG采用了载波移相PWM技术和功率单元级联多电平技术，自身产生的谐波含量≤3%，装置输出侧*滤波器。
4.6散热方案
SVG系统主要发热部分是功率单元模块。其中，IGBT是功率单元模块的主要发热器件，通常其PN结不得**过125℃，封装外壳不得**过85℃。IGBT的发热量是根据IGBT厂家给出的损耗计算软件及人工公式计算综合比较得出。再结合多次的热仿真和实际的试验测试，较终选择出合适的散热器材料与合理的器件布局及散热装置。
因车间生产现场环境有大量导电粉灰尘，SVG装置冷却方式采用水冷散热方式。
4.7通信及监控功能
控制器具有和上位机通信的标准化接口，具备与变电站综合自动化联网的功能，装置的运行状态和故障类型均可上传。通讯采用RS485等通讯接口，采用标准Modbus或用户自定义等多种通讯协议。
4.8 成套SVG补偿装置关键技术要求
1.逆变功率单元技术要求：选用的IGBT必须为原装进口品牌，开关频率**500Hz，且具有良好的dv/dt，di/dt特性，并留有足够的电压、电流裕度，为全控型器件。且整机采用冗余设计，满足“N-2”（每一相允许有两个功率模块旁路）的运行要求。
2. 控制及保护系统技术要求：功率单元采用串行光纤通讯技术、具有载波频率在线自调整技术。
3.运行具备高低压穿越功能：SVG成套装置应具备高低压穿越功能。
4.响应时间：SVG装置可动态跟踪电网电压变化，并根据变化情况动态调节无功输出，实现稳定电压的作用。动态响应时间不大于5ms。
5.使用寿命：SVG装置在规定的工作条件和负载条件下运行，并按使用说明书进行安装和维护，预期寿命应不少于20年，质保期1年。
说明：
  测试期间企业处于试生产状态，可能非满负荷或重负荷生产，酌情考虑今后实际生产负荷变化，较终确定SVG补偿容量选型。