郭智文

(中冶華天南京自動(dòng)化工程有限公司，江蘇南京210019）

供用電

低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在無(wú)縫鋼管軋機(jī)的應(yīng)用

郭智文

(中冶華天南京自動(dòng)化工程有限公司，江蘇南京210019）

針對(duì)軋鋼廠主軋機(jī)的電能質(zhì)量治理問(wèn)題，提出了在整流變二次側(cè)裝設(shè)低壓TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的新型解決方案，并根據(jù)實(shí)際工程案例對(duì)低壓動(dòng)補(bǔ)和高壓動(dòng)補(bǔ)兩種方案進(jìn)行了分析對(duì)比，為實(shí)施類似工程提供了借鑒。

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償；低壓；濾波；節(jié)能

1 概述

目前冶金企業(yè)軋鋼廠的主軋機(jī)仍然大量采用直流傳動(dòng)系統(tǒng)，變流器一般是6脈動(dòng)或12脈動(dòng)整流裝置。這種變流器在工作過(guò)程中將出現(xiàn)較大的電能質(zhì)量問(wèn)題：首先，作為非線性負(fù)荷，變流器輸入電流含有大量的諧波成分，對(duì)其他用電設(shè)備和電網(wǎng)產(chǎn)生有害影響；其次，軋制過(guò)程產(chǎn)生的無(wú)功沖擊負(fù)荷，將引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)變流器負(fù)載電機(jī)以及其他電氣設(shè)備將無(wú)法正常運(yùn)行；第三，低功率因數(shù)不能滿足國(guó)網(wǎng)公司的力率要求，降低生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益。因此，進(jìn)行綜合電能質(zhì)量治理是非常必要的。

國(guó)內(nèi)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(lián)電力濾波裝置，即FC方案，該方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波污染進(jìn)行有效治理，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功率補(bǔ)償；但無(wú)法對(duì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)起到改善作用。另一種是在高壓母線上安裝靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC），即TCR+FC方案，該方案可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波污染、電壓波動(dòng)、低功率因數(shù)的綜合治理。但存在控制系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、占地面積大和維護(hù)要求高等不足。

對(duì)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(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）解決方案。不僅避免前兩種方案的不足，且實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)良的節(jié)能效果。在浙江某無(wú)縫鋼管軋機(jī)上的成功應(yīng)用充分體現(xiàn)了這種方案的優(yōu)點(diǎn)。

2 低壓TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置工作原理與配置方案

低壓TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）主要由三部分構(gòu)成：FC濾波器、TCR晶閘管控制電抗器和控制保護(hù)系統(tǒng)。FC濾波器用于提供容性無(wú)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(tǒng)中由于負(fù)載的波動(dòng)所產(chǎn)生的感性無(wú)功功率，使得控制點(diǎn)無(wú)功功率基本上實(shí)現(xiàn)完全平衡的功能。

TCR的單相基本結(jié)構(gòu)是反并聯(lián)的晶閘管與電抗器串聯(lián)，三相一般采用三角形聯(lián)結(jié)，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)。根據(jù)晶閘管相控調(diào)功原理，電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路的晶閘管觸發(fā)角α的有效移相范圍為90°～180°，其基波電流都是無(wú)功電流。當(dāng)α=90°時(shí)，晶閘管完全導(dǎo)通，與晶閘管串聯(lián)的電抗器相當(dāng)于直接連接到電網(wǎng)上，這時(shí)其吸收的基波電流和無(wú)功功率最大。當(dāng)α在90°～180°之間時(shí)，晶閘管為部分區(qū)間導(dǎo)通，增大觸發(fā)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(wú)功功率。圖1（a）中Ql為負(fù)荷的無(wú)功功率曲線，Qr為SVC中電抗器吸收的無(wú)功功率曲線?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷無(wú)功功率Ql的變化情況，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角的大小，控制流過(guò)電抗器的電流來(lái)改變感性無(wú)功功率的大小。即不管負(fù)載的無(wú)功功率如何變化，總要使二者之和（Ql+Qr）為常數(shù)，這個(gè)常數(shù)等于FC濾波器組發(fā)出的容性無(wú)功功率的數(shù)值（Qc），使取自電網(wǎng)的無(wú)功功率Qs為常數(shù)或?yàn)橐欢ǖ脑试S范圍內(nèi)，最終使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在設(shè)定值，電壓幾乎不波動(dòng)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?，以抑制?fù)載波動(dòng)所造成的系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變。圖1為T(mén)CR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）原理。

圖1 TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）原理

通常，傳動(dòng)系統(tǒng)整流裝置是經(jīng)整流變壓器接到電源上的。相比于高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，低壓TCR+FC型動(dòng)補(bǔ)裝置可以使無(wú)功功率就地補(bǔ)償，通過(guò)直接在整流變壓器二次側(cè)動(dòng)態(tài)連續(xù)地補(bǔ)償無(wú)功功率，負(fù)載所需的無(wú)功功率就不需要流過(guò)整流變壓器，減少了整流變壓器的無(wú)功損耗。同時(shí)，低壓TCR+FC型動(dòng)補(bǔ)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(shí)產(chǎn)生的大量諧波電流就不需要流過(guò)整流變壓器，由理論分析和實(shí)際測(cè)量均表明，在直流傳動(dòng)系統(tǒng)中，6脈動(dòng)整流裝置閥側(cè)線電流中含有6k±1（k為正整數(shù)）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)，因此，高次諧波主要分布在5次和7次等。12脈動(dòng)整流裝置是由兩個(gè)的6脈動(dòng)整流裝置通過(guò)整流變兩個(gè)二次線圈的聯(lián)結(jié)組別配合構(gòu)成，它們?cè)谡髯兌蝹?cè)產(chǎn)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(wǎng)的只有12k±1（k為正整數(shù)）次諧波，主要分布在11次和13次等。因?yàn)榈蛪篢CR+FC型動(dòng)補(bǔ)裝置中的濾波器已經(jīng)在整流變二次側(cè)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(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)整流變壓器的使用壽命。

3 鋼管軋機(jī)低壓TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用案例

浙江某無(wú)縫鋼管軋機(jī)主要是由穿孔機(jī)、軋管機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備組成，直流主傳動(dòng)采用晶閘管整流裝置驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。設(shè)備由10 kV母線供電，電源引自自備發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，10 kV系統(tǒng)的短路容量SK＝250 MVA。直流傳動(dòng)負(fù)荷情況如表1所示。

表1 某廠無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線負(fù)荷參數(shù)

3.1 無(wú)功沖擊

鋼管軋機(jī)軋制時(shí)會(huì)產(chǎn)生的無(wú)功沖擊，可由下面的公式計(jì)算：

（1）軋機(jī)的最大視在功率為：

式中，Ku——電壓系數(shù)；

Ki——電流系數(shù)；

i——過(guò)電流倍數(shù)；

ηed——電動(dòng)機(jī)額定效率。

（2）軋機(jī)的有功沖擊為：

式中，m——轉(zhuǎn)矩標(biāo)么值，在基速以下時(shí)m=i；

ω——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)么值；

KCu——電動(dòng)機(jī)銅損系數(shù)。

（3）軋機(jī)的無(wú)功沖擊為：

由（1）～（3）式計(jì)算可得：Qc＝10.5 Mvar。

在10 kV母線上引起的電壓波動(dòng)可由下面的公式計(jì)算：

可見(jiàn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12326-2008規(guī)定的限值（2%）。電壓波動(dòng)過(guò)大會(huì)使連接在同一段母線上的其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響。

3.2 高次諧波

根據(jù)理論計(jì)算和系統(tǒng)仿真，鋼管軋機(jī)軋制時(shí)產(chǎn)生的主要諧波電流如表2、表3所示。

表2 穿孔機(jī)整流變壓器二次側(cè)諧波電流發(fā)生量

表3 軋管機(jī)整流變壓器二次側(cè)諧波電流發(fā)生量

軋機(jī)整流裝置產(chǎn)生的主要諧波電流超過(guò)國(guó)標(biāo)限值，電壓總諧波畸變率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93規(guī)定的限值（5%）。諧波的危害已經(jīng)得到普遍的共識(shí)，受到越來(lái)越多的重視，必須加以治理。

3.3 低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置

為了減小高次諧波的影響、抑制電壓波動(dòng)、補(bǔ)償功率因數(shù)，就需要裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。在穿孔機(jī)和軋管機(jī)整流變壓器二次側(cè)（低壓側(cè)）裝設(shè)低壓動(dòng)補(bǔ)，主要目的是非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波就地吸收，無(wú)功就地補(bǔ)償，電壓波動(dòng)就地抑制，以獲得更好的治理效果（與高壓動(dòng)補(bǔ)相比）。根據(jù)負(fù)荷產(chǎn)生的沖擊無(wú)功數(shù)據(jù)和諧波電流數(shù)據(jù)，TCR裝置的容量應(yīng)主要考慮抑制電壓波動(dòng)和功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)囊蛩兀瑸V波器支路的設(shè)置根據(jù)諧波發(fā)生量的次數(shù)和大小進(jìn)行，在滿足無(wú)功補(bǔ)償需要量和電壓畸變率及流入系統(tǒng)各次諧波電流要求的前提下，要避免在某次諧波頻率下產(chǎn)生諧波電流并聯(lián)諧振，以保證濾波裝置的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。綜上考慮，低壓動(dòng)補(bǔ)的配置為：穿孔機(jī)低壓動(dòng)補(bǔ)設(shè)計(jì)裝設(shè)三個(gè)濾波補(bǔ)償支路，分別為H5、H7和H11單調(diào)諧濾波裝置，總安裝容量為1800 kvar；TCR裝置容量為1400 kvar。軋管機(jī)低壓動(dòng)補(bǔ)設(shè)計(jì)裝設(shè)3個(gè)濾波補(bǔ)償支路，分別為H5、H7和H11單調(diào)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(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置諧波治理效果

經(jīng)過(guò)對(duì)濾波器的各種運(yùn)行方式進(jìn)行的仿真計(jì)算，其中最大負(fù)荷時(shí)的諧波濾波效果如表4、表5所示。

表4 穿孔機(jī)整流變壓器二次側(cè)諧波電流治理效果

表5 軋管機(jī)整流變壓器二次側(cè)諧波電流治理效果

濾波器投運(yùn)后，整流變二次側(cè)的主要諧波電流均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93的允許值，電壓總諧波畸變率低于5%的國(guó)標(biāo)限值，諧波濾波的效果良好。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，也與仿真計(jì)算結(jié)果相符。

3.5 低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的節(jié)能效果

由于低壓動(dòng)補(bǔ)直接連接在整流變壓器二次側(cè)，與高壓動(dòng)補(bǔ)相比，它穩(wěn)定了整流變壓器二次電壓，提高了電動(dòng)機(jī)的有功出力。晶閘管變流裝置產(chǎn)生的諧波就地吸收，使得大量的高次諧波電流不流過(guò)整流變，減少了整流變由于諧波所帶來(lái)的損耗和電磁噪聲，而軋機(jī)所需要的無(wú)功就地補(bǔ)償，無(wú)功不用通過(guò)整流變從電網(wǎng)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(jī)為例，計(jì)算節(jié)能效果：

TCR容量為1400 kvar，F(xiàn)C濾波器安裝容量為1800 kvar，F(xiàn)C濾波器有效無(wú)功容量為1260 kvar。有功計(jì)算負(fù)荷如下：

Pjs=KC×PN=0.85×3200=2720 kW

上式中，KC取0.85。

穿孔機(jī)的自然功率因數(shù)cosφ=0.7，tgφ=1.02，無(wú)功計(jì)算負(fù)荷如下：

Qjs=Pjs×tgφ=2720×1.02=2775 kvar在無(wú)低壓動(dòng)補(bǔ)（或在10 kV母線側(cè)裝設(shè)高壓動(dòng)補(bǔ)）的情況下，穿孔機(jī)整流變的視在功率：

穿孔機(jī)整流變的電流：

在整流變二次側(cè)裝設(shè)低壓動(dòng)補(bǔ)后，穿孔機(jī)整流變的視在功率：

穿孔機(jī)整流變的電流：

通過(guò)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(shù)可從0.7提高到：

由于整流變功率因數(shù)改善了，銅損和鐵損減小，整流變節(jié)約的有功功率ΔP和無(wú)功功率ΔQ為：

式中，P——整流變負(fù)載側(cè)輸出功率，取2720 kW；

SN——整流變額定容量，取5500 kVA；

cosφ1——整流變?cè)?fù)載功率因數(shù)，取0.7；

cosφ2——改善后的整流變負(fù)載功率因數(shù)，取0.99；

PK——整流變短路損失，取85 kW；

QK——整流變額定負(fù)載時(shí)的無(wú)功功率，取uk% =6%，QK=6%×5500=330 kvar。

綜合有功功率損失，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量KQ取0.1：

ΔPZ=ΔP+KQΔQ=21+0.1×81.5=29.2 kW

假定全年最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)τ為5000 h，則整流變一年節(jié)約的有功電能：

W=ΔPZ×τ=29.2×5000=146000 kW·h上述的計(jì)算結(jié)果，僅是在一臺(tái)整流變低壓側(cè)裝設(shè)動(dòng)補(bǔ)裝置比在高壓側(cè)裝設(shè)TCR型動(dòng)補(bǔ)裝置所能節(jié)約的電能，可見(jiàn)節(jié)能效果顯著。

4 高低壓TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置方案和設(shè)備特點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)電能質(zhì)量治理工程方案配置、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可對(duì)高低壓TCR型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行如下對(duì)比分析：

（1）低壓動(dòng)補(bǔ)方案可提高變壓器利用率和壽命：可以使負(fù)荷所需的感性無(wú)功功率在整流變二次側(cè)就地補(bǔ)償，即負(fù)荷所需的感性無(wú)功功率不通過(guò)（或絕大部分不通過(guò)）整流變，從而提高整流變的出力。換言之，低壓動(dòng)補(bǔ)大大減輕了整流變的負(fù)擔(dān)，可以延長(zhǎng)整流變的使用壽命。

（2）低壓動(dòng)補(bǔ)方案可解決變壓器二次側(cè)電壓波動(dòng)問(wèn)題：高壓動(dòng)補(bǔ)可以解決高壓母線的電壓波動(dòng)問(wèn)題，但解決不了整流變二次側(cè)母線的電壓波動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)產(chǎn)生的沖擊無(wú)功直接造成整流變二次側(cè)的電壓波動(dòng)。裝設(shè)低壓SVC裝置后，可以按照負(fù)荷的無(wú)功變化快速調(diào)節(jié)相控電抗器的感性無(wú)功輸出，來(lái)抑制整流變二次側(cè)的電壓波動(dòng)，從而穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)的出力。低壓動(dòng)補(bǔ)在解決了整流變二次側(cè)電壓波動(dòng)問(wèn)題的同時(shí)，也一并解決了高壓母線的電壓波動(dòng)問(wèn)題。

（3）低壓動(dòng)補(bǔ)方案設(shè)備控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠：低壓TCR裝置的控制系統(tǒng)在信號(hào)檢測(cè)、控制等功能實(shí)現(xiàn)方面上簡(jiǎn)明實(shí)用，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間達(dá)20 ms。一套控制系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)多套TCR裝置的配合、運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，而高壓TCR裝置的控制系統(tǒng)復(fù)雜度高、維護(hù)困難。

（4）低壓動(dòng)補(bǔ)方案電力電子電路簡(jiǎn)單可靠：高壓TCR裝置一般需要多只晶閘管串聯(lián)，由此帶來(lái)的晶閘管均壓、過(guò)電壓保護(hù)和脈沖觸發(fā)等問(wèn)題都比較復(fù)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(hù)系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成熟、可靠，故障率極低。

（5）低壓動(dòng)補(bǔ)裝置電力電子熱設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴。低壓TCR裝置的晶閘管散熱采用風(fēng)冷即可滿足要求，簡(jiǎn)單可靠。

（6）低壓動(dòng)補(bǔ)裝置方案布置簡(jiǎn)單，占地面積?。焊邏篢CR裝置需要獨(dú)立完整的區(qū)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(dòng)系統(tǒng)的電氣柜一同布置，占地面積相對(duì)較小。

（7）低壓動(dòng)補(bǔ)裝置容量有限：低壓動(dòng)補(bǔ)由于電壓等級(jí)不高，容量受到一定局限，一般單套容量不超過(guò)2000 kvar。

5 結(jié)語(yǔ)

低壓TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置成功地應(yīng)用于無(wú)縫鋼管軋機(jī)整流變二次側(cè)，展示了它在電能質(zhì)量治理和電氣節(jié)能等方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有廣泛應(yīng)用的發(fā)展前景。

[1]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[2]王兆安等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(yè)于華東冶金學(xué)院工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事電力電子及電能質(zhì)量治理工作。