鋼鐵廠專用變壓器無功補償方案設計

劉　銘，姜曉東，馬慶玉

（山東理工大學　電氣與電子工程學院，山東　淄博255049）

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節能減排

鋼鐵廠專用變壓器無功補償方案設計

劉銘，姜曉東，馬慶玉

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博255049）

摘要：通過在配電變壓器低壓側安裝無功補償裝置，選用STC12C5620AD系列單片機作為核心控制器，采用無功功率和功率因數雙參數控制方式，對控制策略進行精心設計，通過先共補后分補的投切邏輯，以配變無功缺額為最終補償判據，在補償裝置一定的情況下，完成配變最優補償，并實現投切振蕩抑制，以減少電能損失，抬高末端電壓，提高鋼鐵廠生產線的效率及質量。

關鍵詞：無功補償；專用變壓器；電容器；無功功率

1　前　言

不同于生活用電，廠礦區用電網絡功率因數較低，造成大量的無功電能損失。由于鋼鐵行業的特殊性，設備負荷容量普遍較大，如大型電動機無功功率總量大、波動范圍廣，具有較強沖擊性，又都處于供電網絡的最末端，大量負荷處于660 V供電系統的末端，其供電系統的無功損耗非常大。為了提高末端設備的功率因數及端電壓，使其高效率穩定運行，通常需要加裝無功補償設備。而靜止無功補償器（SVC）是現在應用的較多的一種補償設備，SVC不僅可以抑制電壓波動和閃邊、治理諧波，并且由于其靈活的補償方式而得到廣泛應用［1］。

在工業電網中，約60%的無功功率消耗在用戶側，電網則消耗了約剩余40%無功。而無功功率在電網中的流動中影響了用戶端用電質量，也對電能造成較大損失。因此工業用電普遍安裝專用變壓器，由各用電單位負責無功功率的補償，使有關參數達到供電公司要求，工業用電三相相對平衡，但無功需求較多，無功波動很大。因此針對專變無功特征，結合共補與分補，對專變采用三角形連接為主的電容器組連接組別。在冶金企業中隨著交流電弧爐、連軋機等不平衡、沖擊性工業用電設備的增多也較容易出現三相不平衡情況，例如大負荷的單相負載（如電焊機等）取自三相中的某一相太多時，造成電壓波動和閃變、三相電壓和電流不平衡等問題。

本研究針對鋼鐵廠末端設備功率因數低的問題設計補償方案。

2　補償方案

2.1無功補償方式

在煉鋼廠區變壓器低壓側裝設集中補償。由于這種補償方式效率高，運行可靠且易于維護，同時也提高了二次側電壓，降低了無功損耗，是非常經濟的補償方式。但是由于某臺容量較大的高低壓用電設備，把補償電容直接接到大功率的用電設備上的電氣回路中，就地平衡無功電流補償方式可以最有效地保證工作電壓質量，同時也可以選擇將電容器組分組安裝在車間配電室的分路出線上，可以更好地配合部分電荷同時投切。

對于距離變壓器較近且用電量相對較小的負荷采用集中補償方式，而對于負荷距離變壓器較遠又功率偏大的情況可采用個別補償方式以提高其功率因數。

針對可能出現的三相負荷不平衡現象，大多采取的應對辦法是使無功補償裝置發出的無功功率連續可調。采用TSC+TCR型SVC，在閉環控制中計算SVC的三相補償電納，通過改變TCR的觸發角和TSC的投入電容器組別就可以改變其等效電納繼而實現平滑調節輸出無功的目的。

2.2電容器分組方式

目前常采用的分組方式：

1）各電容器組容量相同，按1∶1∶1分組。該種電容器分組方式雖然結構簡單，易于實現，但若單組電容器容量過大，出現分級補償，不夠精確；若單組電容器分組過小，雖可以提高精確度，但組數增大，設備接線復雜，運營維護成本升高。

2）各電容器組容量依照“二進制”計數原則，按比例分組，減少了電容器組使用，節約了設備成本，相對較為靈活，控制策略略微復雜。

3）各電容器組容量大小按比例系數為2的等比數列進行分組［2］，補償精度大大提高，由最小的一組電容器容量決定，相比于等容量的分組方式，大大減少了電容器的使用，很大程度上降低了設備成本，正是由于組合方式多種多樣，也在一定程度上增加了控制難度，投切邏輯的判斷上相對復雜，在減少成本，提高精確度的同時，可靠性略微降低。

本方案采用（1）、（3）種電容器分組方式相結合的方法，在盡量使設備結構簡單易操作且降低成本的基礎上提高補償精確度及可靠性，使其更適合于鋼鐵廠環境中使用。

2.3專用變壓器綜合補償方案設計

10 kV配電變壓器中，部分變壓器由用電客戶自己裝配，供電企業代管，專門供大中型企業使用，這類變壓器成為專用變壓器。一般用于廠礦企業的三相大中型用電設備配電，將輸電網傳輸過來的高壓電能進行降壓，一般降至380 V，直接供工業設備使用，另外，一般不會在專用變壓器上另外掛接單相負載。

10 kV專用配電變壓器一般配接三相大中型負載。例如某軋鋼公司專變負載，將配電網電能電壓等級從10 kV降至380 V，主要承擔軋鋼公司中燒結車間、高爐、澆鑄車間和軋鋼車間以及退火車間的供配電。專用變壓器主要并聯三相負載，所以生產運行中三相無功功率相對平衡。但所接負載幾乎全部為大容量負載，例如高爐、連續澆鑄機、熱軋機和冷軋機等，無功功率數值很大，需要大量補償，否則無論對用電企業還是電網公司都會造成巨大的經濟損失。

針對專用變壓器這一特點，提出以下補償方案：專變無功補償裝置安裝在10 kV專用配電變壓器用戶側，補償系統控制模塊集成于智能配變終端內，方案選用STC12C5620AD系列單片機作為核心數據處理單元，結合配網二次側設備電壓、電流互感器等，完成信號調理、A/D轉換、中斷、通信和存儲等主要功能，以及驅動相應電容器組完成投切動作［3］。

對投切電容器組進行等容分組，可以連續遞增或遞減的無間斷投切，這樣對電網沖擊較小并且循環投切也可以延長斷路器和電容器的使用壽命。在選擇投切開關時，考慮到投切電容負載開關動作時涌流可以達到額定電流的5至15倍，存在過電壓現象，通常開關動作又比較頻繁，所以選用的開關不僅要保證觸頭能承受足夠的合閘涌流沖擊并且最好真空以應對過電壓還要適合頻繁動作。將晶閘管投切電容補償器仍然裝備六組電容器組，容量比按照1∶1∶1與1∶2∶4的形式設置，前面3組電容器組采用三角形連接方式，并選擇大容量電容器，完成對A、B、C三相中大部分無功功率的共補補償，后三組采用星形連接方式，電容器組容量依照等比數列設置，并選擇小容量電容器構成，高效的完成從單位1到單位7容量的分補補償，補償方案設計如圖1所示。

圖1　專用變壓器補償方案設計

3　結　語

10 kV配電變壓器作為電網末端設備，直接與用電客戶相連，對其進行快速精確的無功補償可以直接改善用戶電能質量，這種綜合功率因數和無功功率的復合控制方式，既能夠滿足國家有關規定，又可以實現直接快速有效的無功補償。既不會造成補償不足，也在一定程度上降低設備冗余，減少線路接線，符合智能型低壓配電箱的基本要求。

針對鋼鐵廠的特殊條件及專用變壓器的特殊性做出對應補償方案，兼具變電所集中補償和用電設備隨器補償的優點，并將無功流動控制在較低電壓區域內，減少傳輸損耗，在一定程度上解決了當前無功補償設備閑置或不足的問題，減少了方案資本投入，具有較高的實用價值。但是此方案也存在一定的局限性，由于線路末端負荷的特殊性以及線路復雜性，對于補償裝置的裝配與運行維護使得方案的經濟性、投資成本成為影響可行性的關鍵因素。隨著我國創新型國家發展戰略的實施，這一問題會隨著逐步研發的深入得到更好解決。

參考文獻：

［1］姜齊榮.新型靜止無功發生器建模及其控制的研究［J］.清華大學學報，1997（7）：21-25．

［2］高東學.電網無功補償使用新技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2014．

［3］鄧德智.基于TSC的無功補償控制器的研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2012．

信息化建設

Reactive Power Compensation Scheme Design for Steel Works Special-purpose Transformer

LIU Ming, JIANG Xiaodong, MA Qingyu

（Shandong University of Technology, Zibo 255049, China）

Abstract:The purpose of high- speed and accurate reactive power compensation through the way of installing reactive power compensation device on the low-voltage side of the distribution transformer can be realized. That can integrate the advantages of substation's concentrated compensation and electrical loads compensation. The scheme which with double parameters control mode controls the reactive power and the power factor. The STC12C5620AD series single chip microcomputer is its controller. The scheme take disrupt compensation after the total compensation and take the reactive power gap as the final criterion. It completes the optimal compensation and restrains the oscillation. It can reduce power loss and boost the terminal voltage, improve the efficiency and quality of steelworks.

Key words:dynamic reactive power compensation; dedicated transformer; capacitor grouping; reactive power

中圖分類號：TM714.3

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2016）02-0049-02

收稿日期：2016-03-07

作者簡介：劉銘，女，1992年生，山東理工大學電氣工程專業2014級碩士研究生，研究方向：配電網無功補償。