低壓動態無功補償裝置在無縫鋼管軋機的應用

郭智文

(中冶華天南京自動化工程有限公司，江蘇南京210019）

供用電

低壓動態無功補償裝置在無縫鋼管軋機的應用

郭智文

(中冶華天南京自動化工程有限公司，江蘇南京210019）

針對軋鋼廠主軋機的電能質量治理問題，提出了在整流變二次側裝設低壓TCR+FC型動態無功補償裝置的新型解決方案，并根據實際工程案例對低壓動補和高壓動補兩種方案進行了分析對比，為實施類似工程提供了借鑒。

動態無功補償；低壓；濾波；節能

1 概述

目前冶金企業軋鋼廠的主軋機仍然大量采用直流傳動系統，變流器一般是6脈動或12脈動整流裝置。這種變流器在工作過程中將出現較大的電能質量問題：首先，作為非線性負荷，變流器輸入電流含有大量的諧波成分，對其他用電設備和電網產生有害影響；其次，軋制過程產生的無功沖擊負荷，將引起系統電壓波動，嚴重時變流器負載電機以及其他電氣設備將無法正常運行；第三，低功率因數不能滿足國網公司的力率要求，降低生產過程的經濟效益。因此，進行綜合電能質量治理是非常必要的。

國內普遍采用兩種治理方案：一種是在軋鋼廠車間變電站高壓母線（6～35 kV）上安裝并聯電力濾波裝置，即FC方案，該方案可實現對諧波污染進行有效治理，并同時實現系統無功率補償；但無法對系統電壓波動起到改善作用。另一種是在高壓母線上安裝靜止型動態無功補償裝置（SVC），即TCR+FC方案，該方案可同時實現對諧波污染、電壓波動、低功率因數的綜合治理。但存在控制系統復雜、價格昂貴、占地面積大和維護要求高等不足。

對于上述方案的不足，本文提出了一種新型的低壓（0.4～1 kV）動態無功補償裝置（SVC）解決方案。不僅避免前兩種方案的不足，且實現了更優良的節能效果。在浙江某無縫鋼管軋機上的成功應用充分體現了這種方案的優點。

2 低壓TCR+FC型動態無功補償裝置工作原理與配置方案

低壓TCR+FC型動態無功補償裝置（SVC）主要由三部分構成：FC濾波器、TCR晶閘管控制電抗器和控制保護系統。FC濾波器用于提供容性無功功率和濾除高次諧波，TCR晶閘管控制電抗器用于平衡系統中由于負載的波動所產生的感性無功功率，使得控制點無功功率基本上實現完全平衡的功能。

TCR的單相基本結構是反并聯的晶閘管與電抗器串聯，三相一般采用三角形聯結，這樣的電路并聯到電網上，就相當于電感負載的交流調壓電路的結構。根據晶閘管相控調功原理，電感負載的交流調壓電路的晶閘管觸發角α的有效移相范圍為90°～180°，其基波電流都是無功電流。當α=90°時，晶閘管完全導通，與晶閘管串聯的電抗器相當于直接連接到電網上，這時其吸收的基波電流和無功功率最大。當α在90°～180°之間時，晶閘管為部分區間導通，增大觸發角可減少電流中的基波分量，增大TCR相控電抗器的等效感抗，因而減少其輸出的感性無功功率。圖1（a）中Ql為負荷的無功功率曲線，Qr為SVC中電抗器吸收的無功功率曲線。控制保護系統根據負荷無功功率Ql的變化情況，通過調節晶閘管觸發角的大小，控制流過電抗器的電流來改變感性無功功率的大小。即不管負載的無功功率如何變化，總要使二者之和（Ql+Qr）為常數，這個常數等于FC濾波器組發出的容性無功功率的數值（Qc），使取自電網的無功功率Qs為常數或為一定的允許范圍內，最終使得電網的功率因數保持在設定值，電壓幾乎不波動，從而達到動態無功補償的目的，以抑制負載波動所造成的系統電壓波動和閃變。圖1為TCR+FC型動態無功補償裝置（SVC）原理。

圖1 TCR+FC型動態無功補償裝置（SVC）原理

通常，傳動系統整流裝置是經整流變壓器接到電源上的。相比于高壓無功補償裝置，低壓TCR+FC型動補裝置可以使無功功率就地補償，通過直接在整流變壓器二次側動態連續地補償無功功率，負載所需的無功功率就不需要流過整流變壓器，減少了整流變壓器的無功損耗。同時，低壓TCR+FC型動補裝置可以使高次諧波就地吸收，整流裝置中的電力電子器件等非線性元件工作時產生的大量諧波電流就不需要流過整流變壓器，由理論分析和實際測量均表明，在直流傳動系統中，6脈動整流裝置閥側線電流中含有6k±1（k為正整數）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數，因此，高次諧波主要分布在5次和7次等。12脈動整流裝置是由兩個的6脈動整流裝置通過整流變兩個二次線圈的聯結組別配合構成，它們在整流變二次側產生的高次諧波同樣主要分布在5次和7次等，但5次和7次諧波電流在整流變壓器中相互抵消，注入電網的只有12k±1（k為正整數）次諧波，主要分布在11次和13次等。因為低壓TCR+FC型動補裝置中的濾波器已經在整流變二次側提供了高次諧波電流的通道，從而減少了整流變壓器的諧波損耗，降低整流變壓器的電磁振動和噪聲，延長整流變壓器的使用壽命。

3 鋼管軋機低壓TCR+FC型動態無功補償裝置應用案例

浙江某無縫鋼管軋機主要是由穿孔機、軋管機等生產設備組成，直流主傳動采用晶閘管整流裝置驅動直流電機。設備由10 kV母線供電，電源引自自備發電機系統，10 kV系統的短路容量SK＝250 MVA。直流傳動負荷情況如表1所示。

表1 某廠無縫鋼管生產線負荷參數

3.1 無功沖擊

鋼管軋機軋制時會產生的無功沖擊，可由下面的公式計算：

（1）軋機的最大視在功率為：

式中，Ku——電壓系數；

Ki——電流系數；

i——過電流倍數；

ηed——電動機額定效率。

（2）軋機的有功沖擊為：

式中，m——轉矩標么值，在基速以下時m=i；

ω——電動機轉速標么值；

KCu——電動機銅損系數。

（3）軋機的無功沖擊為：

由（1）～（3）式計算可得：Qc＝10.5 Mvar。

在10 kV母線上引起的電壓波動可由下面的公式計算：

可見大于國家標準GB/T12326-2008規定的限值（2%）。電壓波動過大會使連接在同一段母線上的其他用電設備的正常運行受到影響。

3.2 高次諧波

根據理論計算和系統仿真，鋼管軋機軋制時產生的主要諧波電流如表2、表3所示。

表2 穿孔機整流變壓器二次側諧波電流發生量

表3 軋管機整流變壓器二次側諧波電流發生量

軋機整流裝置產生的主要諧波電流超過國標限值，電壓總諧波畸變率也遠遠超過國家標準GB/T14549-93規定的限值（5%）。諧波的危害已經得到普遍的共識，受到越來越多的重視，必須加以治理。

3.3 低壓動態無功補償裝置的配置

為了減小高次諧波的影響、抑制電壓波動、補償功率因數，就需要裝設動態無功補償裝置。在穿孔機和軋管機整流變壓器二次側（低壓側）裝設低壓動補，主要目的是非線性負載所產生的諧波就地吸收，無功就地補償，電壓波動就地抑制，以獲得更好的治理效果（與高壓動補相比）。根據負荷產生的沖擊無功數據和諧波電流數據，TCR裝置的容量應主要考慮抑制電壓波動和功率因數補償的因素，濾波器支路的設置根據諧波發生量的次數和大小進行，在滿足無功補償需要量和電壓畸變率及流入系統各次諧波電流要求的前提下，要避免在某次諧波頻率下產生諧波電流并聯諧振，以保證濾波裝置的長期安全運行。綜上考慮，低壓動補的配置為：穿孔機低壓動補設計裝設三個濾波補償支路，分別為H5、H7和H11單調諧濾波裝置，總安裝容量為1800 kvar；TCR裝置容量為1400 kvar。軋管機低壓動補設計裝設3個濾波補償支路，分別為H5、H7和H11單調諧濾波裝置，總安裝容量為1500 kvar；TCR裝置容量為1200 kvar。

3.4 低壓動態無功補償裝置諧波治理效果

經過對濾波器的各種運行方式進行的仿真計算，其中最大負荷時的諧波濾波效果如表4、表5所示。

表4 穿孔機整流變壓器二次側諧波電流治理效果

表5 軋管機整流變壓器二次側諧波電流治理效果

濾波器投運后，整流變二次側的主要諧波電流均低于國家標準GB/T14549-93的允許值，電壓總諧波畸變率低于5%的國標限值，諧波濾波的效果良好。從實測結果來看，也與仿真計算結果相符。

3.5 低壓動態無功補償裝置的節能效果

由于低壓動補直接連接在整流變壓器二次側，與高壓動補相比，它穩定了整流變壓器二次電壓，提高了電動機的有功出力。晶閘管變流裝置產生的諧波就地吸收，使得大量的高次諧波電流不流過整流變，減少了整流變由于諧波所帶來的損耗和電磁噪聲，而軋機所需要的無功就地補償，無功不用通過整流變從電網汲取，減小了整流變的電流，從而提高了整流變壓器的出力。

下面以穿孔機為例，計算節能效果：

TCR容量為1400 kvar，FC濾波器安裝容量為1800 kvar，FC濾波器有效無功容量為1260 kvar。有功計算負荷如下：

Pjs=KC×PN=0.85×3200=2720 kW

上式中，KC取0.85。

穿孔機的自然功率因數cosφ=0.7，tgφ=1.02，無功計算負荷如下：

Qjs=Pjs×tgφ=2720×1.02=2775 kvar在無低壓動補（或在10 kV母線側裝設高壓動補）的情況下，穿孔機整流變的視在功率：

穿孔機整流變的電流：

在整流變二次側裝設低壓動補后，穿孔機整流變的視在功率：

穿孔機整流變的電流：

通過整流變的電流減小值：

ΔI=I-I′=224.3-157.7=66.5 A

整流變的視在功率減少了約30%，意味著整流變出力可增加30%。

整流變功率因數可從0.7提高到：

由于整流變功率因數改善了，銅損和鐵損減小，整流變節約的有功功率ΔP和無功功率ΔQ為：

式中，P——整流變負載側輸出功率，取2720 kW；

SN——整流變額定容量，取5500 kVA；

cosφ1——整流變原負載功率因數，取0.7；

cosφ2——改善后的整流變負載功率因數，取0.99；

PK——整流變短路損失，取85 kW；

QK——整流變額定負載時的無功功率，取uk% =6%，QK=6%×5500=330 kvar。

綜合有功功率損失，無功經濟當量KQ取0.1：

ΔPZ=ΔP+KQΔQ=21+0.1×81.5=29.2 kW

假定全年最大負荷損耗小時數τ為5000 h，則整流變一年節約的有功電能：

W=ΔPZ×τ=29.2×5000=146000 kW·h上述的計算結果，僅是在一臺整流變低壓側裝設動補裝置比在高壓側裝設TCR型動補裝置所能節約的電能，可見節能效果顯著。

4 高低壓TCR+FC型動態無功補償裝置方案和設備特點對比

根據電能質量治理工程方案配置、設備結構特點，可對高低壓TCR型動態無功補償裝置進行如下對比分析：

（1）低壓動補方案可提高變壓器利用率和壽命：可以使負荷所需的感性無功功率在整流變二次側就地補償，即負荷所需的感性無功功率不通過（或絕大部分不通過）整流變，從而提高整流變的出力。換言之，低壓動補大大減輕了整流變的負擔，可以延長整流變的使用壽命。

（2）低壓動補方案可解決變壓器二次側電壓波動問題：高壓動補可以解決高壓母線的電壓波動問題，但解決不了整流變二次側母線的電壓波動問題，因為電動機產生的沖擊無功直接造成整流變二次側的電壓波動。裝設低壓SVC裝置后，可以按照負荷的無功變化快速調節相控電抗器的感性無功輸出，來抑制整流變二次側的電壓波動，從而穩定電動機的出力。低壓動補在解決了整流變二次側電壓波動問題的同時，也一并解決了高壓母線的電壓波動問題。

（3）低壓動補方案設備控制系統簡單可靠：低壓TCR裝置的控制系統在信號檢測、控制等功能實現方面上簡明實用，性能穩定，抗干擾能力強。響應速度快，動態響應時間達20 ms。一套控制系統能夠同時對多套TCR裝置的配合、運行進行協調控制，而高壓TCR裝置的控制系統復雜度高、維護困難。

（4）低壓動補方案電力電子電路簡單可靠：高壓TCR裝置一般需要多只晶閘管串聯，由此帶來的晶閘管均壓、過電壓保護和脈沖觸發等問題都比較復雜。低壓TCR裝置中只需一只晶閘管就能滿足電壓要求，晶閘管的保護系統和觸發系統簡單、成熟、可靠，故障率極低。

（5）低壓動補裝置電力電子熱設計簡單可靠：高壓TCR裝置的晶閘管散熱一般采用水冷或熱管冷卻，結構復雜，造價昂貴。低壓TCR裝置的晶閘管散熱采用風冷即可滿足要求，簡單可靠。

（6）低壓動補裝置方案布置簡單，占地面積小：高壓TCR裝置需要獨立完整的區域安放，占地面積較大。低壓TCR裝置的控制柜、功率柜可與傳動系統的電氣柜一同布置，占地面積相對較小。

（7）低壓動補裝置容量有限：低壓動補由于電壓等級不高，容量受到一定局限，一般單套容量不超過2000 kvar。

5 結語

低壓TCR+FC型動態無功補償裝置成功地應用于無縫鋼管軋機整流變二次側，展示了它在電能質量治理和電氣節能等方面獨特的優勢，具有廣泛應用的發展前景。

[1]鋼鐵企業電力設計手冊編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，1996.

[2]王兆安等.諧波抑制和無功功率補償（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2005.

Application of Low-voltage Dynamic Reactive Power Compensation Device in Seamless Pipe Rolling Mill

GUO Zhiwen
(MCC Huatian Nanjing Automation Engineering Co.Ltd.,Najing,Jiangsu 210019,China)

To tackle the problem of rectifying the electricity power quality for rolling mills,a new solution of installing a low-voltage TCR+FC dynamic reactive power compensation device at the secondary side of the rectifier transformer is put forward;and the two solutions of low-voltage and high-voltage dynamic reactive power compensation are analyzed and compared based on actual project cases,to provide reference for similar projects.

dynamic reactive power compensation;low-voltage;wave filtering;energy saving

TM714.3

B

1006-6764(2014)10-0001-04

2014－06－04

郭智文（1968－），男，1991年畢業于華東冶金學院工業電氣自動化專業，高級工程師，現從事電力電子及電能質量治理工作。