友誼軋鋼廠Ф120 mm熱軋無縫鋼管生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波抑制

王少軍++王小艷

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0043-03

摘 要：簡要介紹了沖擊性負(fù)荷和高次諧波造成的傷害，論述了TCR型SVC系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，并闡述了SVC設(shè)計(jì)方案，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；諧波抑制；SVC；晶閘管控制電抗器

中圖分類號(hào)：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.043

采用晶閘管可控整流控制系統(tǒng)控制軋鋼生產(chǎn)線電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，具有控制特性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。軋鋼生產(chǎn)線是一個(gè)非線性的沖擊性負(fù)荷，產(chǎn)生流入電網(wǎng)的高次諧波電流，同時(shí)，還會(huì)消耗大量的無功功率。諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓，引起電網(wǎng)供電電壓畸變，影響供電質(zhì)量和運(yùn)行安全。另外，軋機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，電網(wǎng)進(jìn)線上的功率因數(shù)波動(dòng)比較大，自然功率因數(shù)很低，增加了線路損耗，加劇了電壓偏移，對電網(wǎng)和企業(yè)本身電氣設(shè)備都會(huì)造成不良的影響。要想提高軋鋼生產(chǎn)線的用電功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量，優(yōu)化用電環(huán)境，就需要對其進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)償。為了解決這些問題，在軋鋼生產(chǎn)線的10 kV供電系統(tǒng)中設(shè)置了1套靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC）。

1 沖擊性負(fù)荷和高次諧波造成的危害

有功沖擊和無功沖擊會(huì)在一定程度上影響電力系統(tǒng)的頻率和電壓，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：①電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，而電動(dòng)機(jī)長期低壓運(yùn)行，就會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，甚至燒掉電機(jī)。②低電壓會(huì)出現(xiàn)比如繼電器、接觸器、磁力啟動(dòng)器吸合變慢、燒壞觸頭，抱閘打不開，電磁元件和設(shè)備的動(dòng)作不可靠的情況。③電壓下降使得晶閘管變流器的整流電壓下降，移相器移相角變化，引起直流輸出變化，影響直流設(shè)備的工作。④電壓波動(dòng)會(huì)影響電氣照明質(zhì)量。對于氣體光源燈，低電壓會(huì)導(dǎo)致電氣照明自動(dòng)熄滅，也會(huì)造成電氣照明的閃變。⑤電壓的波動(dòng)會(huì)使電子控制系統(tǒng)失靈。沖擊負(fù)荷既會(huì)影響電力系統(tǒng)，又會(huì)對用電設(shè)備造成危害。

高次諧波也會(huì)對電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備造成不利的影響，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：①諧波會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)和電氣設(shè)備在使用過程中的效率降低；②加速電力電纜的絕緣老化，使其更容易被擊穿，以致事故發(fā)生；③影響繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性；④對通訊線路和控制信號(hào)造成電磁干擾。

2 TCR型SVC系統(tǒng)

2.1 TCR型SVC的基本結(jié)構(gòu)和原理

SVC結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出，TCR型SVC由晶閘管相控電抗器部分、高次諧波濾波部分組成，整個(gè)系統(tǒng)連接在常見電壓等級（比如6 kV，10 kV，35 kV）的高壓供電母線上，并與欲補(bǔ)償?shù)碾娏ω?fù)載并聯(lián)，SVC中相控電抗器部分由全數(shù)字控制系統(tǒng)控制。全數(shù)字控制系統(tǒng)通過從母線電流互感器、電壓互感器測量到的相關(guān)電流量和電壓量，運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，得到對相控電抗器的觸發(fā)信號(hào)，繼而控制晶閘管的導(dǎo)通，發(fā)出相應(yīng)的感性無功，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)負(fù)荷的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。在SVC系統(tǒng)中，F(xiàn)C部分起到了濾除系統(tǒng)中高次諧波和對基波提供容性無功功率固定補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｕ麄€(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)償功能原理如圖2所示。

如圖2所示，QL為負(fù)荷工作時(shí)的無功功率曲線，它在區(qū)間QVmax到QVmin之間波動(dòng)，代表了沖擊性負(fù)荷工作時(shí)的狀況。SVC由FC部分提供固定的容性無功QC，其選型和設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的最大無功功率QVmax。當(dāng)負(fù)荷工作狀態(tài)改變時(shí)，QL隨之變化，通過調(diào)節(jié)晶閘管控制電抗器吸收的QTCR來抵消QL的變化，使系統(tǒng)無功QN=QL-QC+QTCR=0，或者等于常數(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)等于常數(shù)，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功平衡。

2.2 晶閘管控制電抗器（TCR）基本結(jié)構(gòu)和電氣原理

晶閘管控制電抗器（TCR）的單相基本結(jié)構(gòu)是，2個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與1個(gè)電抗器串聯(lián)，而實(shí)際中三相采用三角形聯(lián)結(jié)形式，晶閘管以串聯(lián)的形式連接。這里所說的控制，都是指由2個(gè)反并聯(lián)的晶閘管實(shí)施的正負(fù)半波的對稱控制，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，本質(zhì)上相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)。圖3為晶閘管控制電抗器的原理圖，圖中晶閘管串聯(lián)閥組接受來自控制系統(tǒng)的控制信號(hào)。

由交流調(diào)壓電路理論分析可知，當(dāng)負(fù)載為純電感時(shí)，交流調(diào)壓電路的觸發(fā)角移相范圍為90°～180°，其位移因數(shù)始終為0，所以，流過電抗器的基波電流均為無功電流。當(dāng)觸發(fā)角為90時(shí)，晶閘管完全導(dǎo)通，導(dǎo)通角等于180。此時(shí)，與晶閘管串聯(lián)的電抗器相當(dāng)于完全接入到電網(wǎng)中，產(chǎn)生的無功功率與基波電流為最大值。當(dāng)觸發(fā)控制角在90°～180°之間時(shí)，純電感的交流調(diào)壓電路為部分區(qū)間導(dǎo)通，導(dǎo)通角小于180。增大控制角的效果就是減少電流中的基波分量，相當(dāng)于增大補(bǔ)償器的等效感抗，或者說減小其等效電納，因而減少了其吸收的無功功率。由此可知，用于補(bǔ)償?shù)木чl管串聯(lián)電抗器的等效電納值與電抗器的導(dǎo)通角有關(guān)。

當(dāng)電抗器的額定電感值確定后，要想改變電抗器在電路中的等效電納值，可以改變控制電抗器的導(dǎo)通角。晶閘管串聯(lián)補(bǔ)償電抗器的等效電納值與控制其的導(dǎo)通角的關(guān)系可用式（1）表示，即：

（1）

式（1）中：α為電抗器觸發(fā)角；L為電抗器額定的電感值。

當(dāng)觸發(fā)角α增大時(shí)，導(dǎo)通角減小，對應(yīng)的電抗器的等效電納值減小，補(bǔ)償功率隨之減小，反之亦然。設(shè)可控制電抗器TCR所加的電壓為U，流過的電流為I，U和I的基本波形如圖4所示。由此可見，隨著導(dǎo)通角的變化，其基波電流也在改變。

在控制系統(tǒng)的控制下，得到如圖4所示的晶閘管控制電抗器的電壓—電流特性曲線。此特性實(shí)際上是晶閘管控制電抗器的穩(wěn)態(tài)特性，電抗器在導(dǎo)通角為可移相范圍內(nèi)任意一角度時(shí)，對應(yīng)的等效感抗伏安特性上的點(diǎn)構(gòu)成了此特性曲線。控制系統(tǒng)根據(jù)供電系統(tǒng)負(fù)載的負(fù)荷變化不斷調(diào)節(jié)觸發(fā)控制角，從而對應(yīng)地調(diào)節(jié)導(dǎo)通角。因此，晶閘管控制電抗器的工作點(diǎn)能夠從它的特性曲線上的一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)，而特性曲線的斜率以及在電壓軸上的截距，即無補(bǔ)償功能時(shí)的正常工作電壓，都是由控制系統(tǒng)的具體參數(shù)來確定的。

3 SVC設(shè)計(jì)方案

鋼鐵企業(yè)供配電系統(tǒng)是否裝設(shè)靜止補(bǔ)償器，主要是由企業(yè)波動(dòng)無功負(fù)荷（比如煉鋼電弧爐、軋鋼機(jī)等）引起的，公共供電點(diǎn)（PCC點(diǎn)）處的電壓波動(dòng)值和閃變電壓等效值是否超過國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在考慮SVC的容量和型式時(shí)，要同時(shí)滿足負(fù)荷的功率因數(shù)和諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于所能獲取的資料有限，下面提供某鋼廠生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實(shí)例。

工程高壓供配電設(shè)施包括整流變壓器（1 800 kVA，10 kV，1臺(tái)），整流變壓器（3 600 kVA，10 kV，2臺(tái)），整流變壓器

（4 500 kVA，10 kV，2臺(tái)），動(dòng)力變壓器（1 000 kVA，10 kV，1臺(tái)），動(dòng)力變壓器（2 000 kVA，10 kV，1臺(tái)），濁環(huán)供水泵（配用電機(jī)500 kW，10kV，2臺(tái)），工程裝機(jī)總?cè)萘繛?1 194 kW。

根據(jù)負(fù)荷特性，工程設(shè)置10 kV高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償濾波裝置1套。每套補(bǔ)償容量為6 000 kVar，分成3組濾波支路，即5次支路3 000 kVar、7次支路2 000 kVar、11次支路1 000 kVar，配置2 000 kVar磁控電抗器。裝置采用柜式結(jié)構(gòu)，配有隔離開關(guān)、放電線圈、濾波電抗器、高壓并聯(lián)電容器、同步開關(guān)、高壓噴逐式熔斷器、電流互感器、避雷器、MVQC100控制器、電容器組微機(jī)保護(hù)單元和柜內(nèi)照明等，裝置通過總進(jìn)線隔離開關(guān)進(jìn)線，懸空式母排走線。每組是獨(dú)立的一套單元，可以獨(dú)立控制。

該裝置能運(yùn)用快速調(diào)節(jié)算法實(shí)現(xiàn)對無功的快速補(bǔ)償，可有效抑制電壓波動(dòng)、閃變，并可減少電力系統(tǒng)中的諧波、負(fù)序，提高功率因數(shù)，從而起到改善電能質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的作用。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不長于20 ms（控制系統(tǒng)從檢測到調(diào)節(jié)完成時(shí)間）。

3.1 成套裝置的技術(shù)參數(shù)

成套裝置的技術(shù)參數(shù)是：額定頻率為50 Hz，額定電壓為12 kV，裝置總?cè)萘繛? 000 kVar，投切級數(shù)為無級，接線形式為星形，冷卻方式為自冷，控制方式為無功功率，調(diào)節(jié)方式為三相，二次控制系統(tǒng)工作電源為AC220 V。另外，磁控電抗器帶有溫度保護(hù)、瓦斯保護(hù)。

3.2 成套裝置的性能特點(diǎn)

該裝置可以根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率和電壓控制要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，無需人為干預(yù)，以實(shí)現(xiàn)無功功率的動(dòng)態(tài)無級調(diào)節(jié)，提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，實(shí)時(shí)功率因數(shù)在0.95以上。成套裝置實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，響應(yīng)時(shí)間短于20 ms。控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化智能控制，由微機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)無觸點(diǎn)、無涌流、無過渡調(diào)節(jié)，內(nèi)部無動(dòng)作器件。裝置的實(shí)際電容與其額定電容偏差在電容的±5%.裝置的連續(xù)運(yùn)行電壓為1.00 Un，且能在表1所規(guī)定的穩(wěn)態(tài)過電壓運(yùn)行相應(yīng)的時(shí)間。

靜止補(bǔ)償器的各部件、控制屏和高低壓配電裝置都置于新建高壓配電室內(nèi)，電抗器和電容器布置在新建濾波器室內(nèi)，6～ 10 kV電容器安裝在直接接地的金屬構(gòu)架上，濾波用電抗器采用單相安裝，它的磁通通過空氣構(gòu)成環(huán)路。為了防止其周圍的鋼、鐵等導(dǎo)磁材料構(gòu)件在磁場的作用下發(fā)熱，而這些構(gòu)件的磁化又會(huì)影響電抗器的電感，影響濾波器的調(diào)諧，所以，要求電抗器周圍的一定距離內(nèi)不應(yīng)有鐵磁材料。因此，電抗器一般不需要金屬支架，其支柱絕緣子直接固定在土建基礎(chǔ)上。

4 供電系統(tǒng)投入 SVC后的運(yùn)行效果

供電母線投入SVC 后，總的諧波電壓畸變率小于2.4%，奇次諧波電壓畸變率小于1.6%，偶次諧波電壓畸變率小于1.0%.10 kV母線諧波電流限值優(yōu)于國標(biāo)GB/T 14549—93 的規(guī)定。10 kV母線側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，SVC投入的運(yùn)行效果達(dá)到了預(yù)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

在供電系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用SVC裝置，為負(fù)荷提供可快速調(diào)節(jié)的無功功率補(bǔ)償，能夠消除高次諧波，同時(shí)，抑制諧波引起的電網(wǎng)電壓畸變，極大地改善了供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低了供電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃變，改善了負(fù)荷的相間平衡，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，給用戶帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳延鏢，陸乃城，王敏杰.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[2]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]楊晨.TCR的電氣特性及控制系統(tǒng)[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

〔編輯：白潔〕