孫國歧 魏曉賓 張玲艷 肖恩愷 劉 濤

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基于DYTSF的冷軋機動態(tài)無功補償及諧波治理方法

孫國歧 魏曉賓 張玲艷 肖恩愷 劉 濤

（山東德佑電氣股份有限公司，山東淄博 255000）

本文針對軋機行業(yè)用電負荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，提出了晶閘管投切開關(guān)在角外、濾波電抗器在角內(nèi)的動態(tài)無功補償及諧波治理方法，并結(jié)合現(xiàn)場運行情況給出了具體的實施方案，補償后功率因數(shù)顯著提高，電能質(zhì)量明顯改善。最后給出了補償前后電流的運行數(shù)據(jù)對比，驗證了本文方法的有效性。

沖擊性負荷；無功補償；諧波治理；電能質(zhì)量

隨著我國冷軋機行業(yè)的日益發(fā)展，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗。冷軋機主要設(shè)備為冷軋主機、退火爐、冷軋開卷卷取機等設(shè)備，其驅(qū)動方式大都采用的是移相觸發(fā)可控硅構(gòu)成的6脈波整流電路，因而產(chǎn)生的5次、7次、11次諧波電流特別多。軋機屬于沖擊性負荷[1-3]，負荷電流快速頻繁波動，電流諧波畸變率高達50%～100%，諧波電壓高達8%～15%，設(shè)備工作時功率因數(shù)在0.2～1之間變化，平均功率因數(shù)0.6左右。并且在其工作時，產(chǎn)生很大的電流沖擊和無功沖擊，使得供配電系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，系統(tǒng)電壓大幅波動，電壓畸變率大，影響用電設(shè)備的安全可靠性[4-9]。

此外，軋機沖擊性負荷會造成電力系統(tǒng)的電壓和頻率波動[9-11]，這些波動會對用電設(shè)備造成以下影響：

1）電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓2成正比。如果電動機長期運行在低電壓處，負荷轉(zhuǎn)矩保持不變，定子繞組的電流增加就會造成電動機轉(zhuǎn)子發(fā)熱，嚴(yán)重時燒壞電動機。

2）電壓降低使電磁元件及電氣設(shè)備誤動作。如：繼電器、接觸器、磁力啟動器吸合緩慢，燒壞觸頭等，甚至造成抱閘打不開，電動機不能工作。

3）晶閘管變流裝置整流電壓與系統(tǒng)電壓成正比。當(dāng)系統(tǒng)電壓變化時，整流電壓隨之變化，移相器移相角相應(yīng)變化，直流輸出最終發(fā)生變化。

4）電壓波動造成電子控制系統(tǒng)失效。

5）照明的光通量與電壓3.6的成正比，發(fā)光率與電壓2成正比，電壓波動嚴(yán)重影響照明質(zhì)量。

本文針對上述冷軋機負荷特性對電網(wǎng)的影響，提出了晶閘管投切開關(guān)在角外、濾波電抗器在角內(nèi)的動態(tài)無功補償及諧波治理方法，并結(jié)合現(xiàn)場運行情況給出了具體的實施方案。運行結(jié)果表明，本文方法具有顯著的效果。

1 現(xiàn)場工況分析

下面以山東某軋機廠1450軋機生產(chǎn)線為例，對現(xiàn)場工況情況進行分析。該廠主機整流變?nèi)萘繛?500kVA，電壓等級為10kV/0.66kV，冷軋主機配置2臺，容量為2×795kW，開卷、卷取整流變?nèi)萘繛?500kVA，電壓等級為10kV/0.4kV，直流電機配置4臺，容量為4×284kW，主要負荷為6脈沖可控硅整流調(diào)速直流馬達的軋機設(shè)備。

現(xiàn)場對400V開卷、卷取機系統(tǒng)的電壓、電流、功率等電氣量進行了詳細的測試。系統(tǒng)電流總畸變率為0.4左右，5次、7次、11次諧波電流很大，電壓總畸變率達到0.1以上，嚴(yán)重超出電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。變壓器下側(cè)負荷平均功率因數(shù)僅為0.6左右，存在嚴(yán)重的無功缺額，造成變壓器輸出有功嚴(yán)重不足，另外變壓器發(fā)熱問題較為嚴(yán)重。

2 補償技術(shù)方案

針對軋機的負荷特性，無功補償設(shè)備基本要求[12]如下。

1）能夠根據(jù)負荷無功功率的變化情況，進行實時跟蹤補償供電系統(tǒng)。

2）能夠有效降低系統(tǒng)諧波對無功補償設(shè)備的影響，防止諧波放大與系統(tǒng)共振。

3）能夠濾除系統(tǒng)低次諧波電流，顯著降低諧波危害和無功功率。

基于上述考慮，本文提出了一種基于零電壓投切晶閘管的動態(tài)無功補償及濾波裝置（DYTSF）治理方案，該裝置能夠快速跟蹤補償無功缺額，并能夠濾除系統(tǒng)中諧波電流。

DYTSF主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。晶閘管開關(guān)放在角外，三控三方式，相間電壓由兩相可控硅承擔(dān)，極大提高了可控硅開關(guān)的耐受電壓擊穿能力；濾波器電抗器放在角內(nèi)，流入的是相電流，在同樣補償容量下，通過的實際電流值減小，大大提高了電抗器余度。裝置采用電壓過零點投切，無涌流，不會對電容器產(chǎn)生沖擊，同時也不會受到電網(wǎng)電壓諧波的影響。裝置具有分相補償?shù)墓δ?，控制器檢測電網(wǎng)AB、BC、CA的電壓、電流信號，通過計算得出系統(tǒng)各相的無功缺額及諧波電流大小，解決了系統(tǒng)三相不平衡問題。

動態(tài)無功補償裝置由斷路器、大功率晶閘管投切開關(guān)、濾波電容器、濾波電抗器、控制器、柜體等組成。采用全智能控制及微機監(jiān)測技術(shù)，投切開關(guān)采用大功率晶閘管反并聯(lián)，實現(xiàn)對濾波電容器組的快速投切，具有投切準(zhǔn)確以及無涌流沖擊、無過渡過程等優(yōu)點。裝置將電容器組容性無功補償系統(tǒng)的感性無功，從而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

根據(jù)國標(biāo)要求[13-14]，本方案將功率因數(shù)補償?shù)?.92以上，電壓畸變率控制在5%以內(nèi)，諧波電流濾除50%左右。

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，功率因數(shù)由0.6提高到0.92以上需要基波無功補償容量約為1300kvar，電容器額定電壓為480V，安裝容量應(yīng)為1872kvar。選取型號為DYTSF-0.48-1872的晶閘管投切動態(tài)無功補償及濾波裝置。具體配置如下。

1）前8條支路的每條安裝電容器的容量為3×22.285×3=200.5kvar，共計1605kvar，每條支路濾波50A。

2）后2條支路每條安裝電容器的容量為2×22.285×3=133.7kvar，共267kvar，每條支路濾波35A。

3）柜體尺寸3×（1000mm×1000mm× 2200mm）。

具體方案配置見表1。具體補償目標(biāo)見表2。

表1 無功補償配置方案表

表2 系統(tǒng)補償目標(biāo)

3 實施效果

將上述方案安裝于該廠并投運后，補償效果明顯，功率因數(shù)由當(dāng)初的0.60提高到0.92，諧波電流降低了將近一半，電能質(zhì)量得到明顯改善，同時配電變壓器的溫升顯著降低。各次諧波電流濾除明顯，具體數(shù)據(jù)見表3。其中5次諧波電流從259.10A降低至78.40A，諧波濾除率為69.70%，7次諧波電流從76.40A降低至18.20A，諧波濾除率為76.10%，11次諧波電流從33.30A降低至24.80A，諧波濾除率為25.50%，與設(shè)計效果基本相吻合。

表3 補償效果

4 結(jié)論

本文針對軋機行業(yè)用電負荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，提出了晶閘管投切開關(guān)在角外、濾波電抗器在角內(nèi)的動態(tài)無功補償及諧波治理方案，補償后功率因數(shù)顯著提高，電能質(zhì)量明顯改善，同時降低了配電變壓器及用電設(shè)備中的電能損耗，有效保證了低壓配電系統(tǒng)的安全可靠運行。

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Scheme of Dynamic Reactive Power Compensation and Filtering Elimination based on DYTSF for Cold Rolling Mill

Sun Guoqi Wei Xiaobin Zhang Lingyan Xiao Enkai Liu Tao

(Shandong Deyou ElectricCo., Ltd, Zibo, Shandong 255000)

According to the impact on power quality of power grid by mill industry load, a scheme of dynamic reactive power compensation and harmonic elimination is proposed in this paper. The thyristor switching is designed in the outer of the delta-circuit and the filter reactor is designed in the inner of the delta-circuit. And the concrete implementation plan is presented combining with the operation condition, which result in the improving of power factor and power quality. Finally the comparison of current operation data with and without compensation is given, verifying the validity of the proposed scheme.

impulse load; reactive power compensation; harmonic elimination; power quality

孫國歧（1975-），高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)無功補償和電能質(zhì)量治理。