中友中板厂动态无功补偿系统的研究与应用

夏岳建

【摘 要】论文针对中友中板厂的几种主要的生产设备进行了负载电能质量分析，采用TSC+LC+TCR的谐波抑制与无功补偿的方案，提高功率因素，减省企业成本。

【关键词】谐波抑制；无功补偿；电能质量；晶闸管投切电容器；晶闸管控制电抗器

0.概述

中友中板厂全称无锡市中友不锈中板有限公司，属金属冶炼及压延加工行业，主要从事不锈钢中板、低合金中板、锅炉板、容器板的冶炼与轧制，其中不锈钢中板目前国内仅有三家生产企业之一。公司目主要的大功率生产设备有两台60吨电弧炉、三台30吨中频炉、两台3000T轧机使用一台2800kW的直流电机、二台3000T轧机使用三台4300kW的直流电机、一台4000T的精轧机使用一台5700kW的直流电机、三台1250kW除尘电机为交流异步电机、一台1250kVA的交流异步辊道电机、一台1000kW的电阻加热电炉。

该厂由于设备和生产原因，用电功率因数较低，用电质量差。每月都要额外支付数万到数十万的力调电费。表1为该厂2010年来部分月份电费情况。

1.原因分析

对中友中板厂的几种主要设备从其工作原理上进行电能质量分析可知，该厂负载对电网的影响主要有几种情况：

（1）电弧炉工作时产生的谐波、无功、闪变、三相负载不对称等情况，同时由于电弧炉工作状态的不确定性，在产生谐波时不仅产生特征次谐波，也会产生非特征次谐波。

（2）晶闸管整流电路不仅产生大量谐波，也要消耗无功，且功率因数随着控制角 的增加而降低。当负载降低时，功率因数也随之降低。

（3）异步电动机虽然是线性负载，在起动与空载时起功率因数均较低，尤其在起动瞬间需消耗大量的无功功率，对电网造成无功冲击。另外异步电机在负载运行时的0.8～0.85功率因数也不能满足国家《功率因数调整电费办法》所规定的功率因数0.9的要求。

2.采取措施

2.1 TCR+TSC+LC控制法

按系统所需的无功补偿值投入适当组数的电容器，并略有过补（补成容性），再用TCR的感性无功来补偿过补部分的无功。同时，LC滤波器滤除谐波，对于3、5、7、11次谐波采用单调谐滤波器，即TCR+TSC+LC控制法。

晶闸管控制电抗器TCR和晶闸管投切电容器TSC都采用三角形联结。因为采用三角形联结有很多优点：一是可以避免线电流中产生零序分量；二是可以将 次谐波电压互相抵消；三是各个元器件的绝缘水平与电网额定电压的等级一致，使用中的同步信号可直接取自相应的线电压。

晶闸管阀的接线方式有晶闸管与大功率二极管反并联和晶闸管反并联两种接线方式。由于采用晶闸管与大功率二极管反并联方式时，晶闸管和二极管上承受的最大电压为2倍线电压峰值。而采用晶闸管反并联接线方式时，电容器是在电压过零点时投入，电容上没有预充电，晶闸管阀所承受的最高电压为线电压峰值，可以减少晶闸管阀串联的个数，降低控制装置的成本。所以本装置采用晶闸管反并联接线方式。

TCR+TSC+LC动态无功补偿装置监测系统不仅负责采集装置各组成部分的主要状态变量，进行简单计算或逻辑分析后对其进行显示，而且对TCR+TSC+LC动态无功补偿装置系统当前所处的状态进行实时判断，必要时发出报警信号或紧急操作指示，从而为预防和避免动态无功补偿装置装置出现故障提供了可靠、有力的保证。TCR+TSC+LC动态无功补偿装置保护系统则保障TCR+TSC+LC动态无功补偿装置能够安全并入电网运行，一旦系统出现故障，装置不会受到损坏；而装置出现故障后也不会对系统造成破坏性的影响。TCR+TSC+LC动态无功补偿装置控制系统则是装置中最为关键的部分，它指挥整个装置按照预先设定的运行特性进行工作，其设计的好坏直接关系到整个装置的性能。

2.2中友中板厂混合型动态无功补偿系统运行分析

该系统于2012年9月12日投入试运行，我们于15日对电网质量情况进行了主要包括谐波电流，功率因素等电能质量数据。

（1）对LC滤波系统投运前进行单独测量电流波形，得出3次、5次、7次、11次、13次谐波电流均超标，且超标严重，分别为65.32A，78.56A，34.72A，21.23A，23.32A。对混合型动态无功补偿系统投运前进行电压电流波形测量，6KV负荷注入6KV系统侧的母线电压总畸变率为5.06%，远远超过国家限制3%。功率因素也很低，只有0.75。

（2）对混合型动态无功补偿系统投运后负荷注入系统的谐波电流进行测量得出数据全部达标。电压畸变率也达到国家标准，满负荷情况下，功率因素达到0.92，也符合国家规定要求。

（3）根据这个测试结果不难看出中友中板厂生产过程中，只要这套混合型动态无功补偿装置正常运行，整个厂里的负荷不会对电网产生不良影响。

以上三大类负载是该厂主要的谐波与无功及闪变的污染源，针对这三种负载进行相应的谐波与无功治理不仅可降低其对电网的影响，提高供电效率及供电质量。同时由于用电质量的改善也能为该厂节约大量的电费，提高经济效益。

3.结论

本文针对大功率负荷下谐波及无功的特点和无功补偿的性能指标作了分析，以无锡中友中板厂的谐波及无功补偿为课题背景，通过对混合型动态无功系统的工程实例调试和系统研究，得到以下结论：

（1）通过对大功率负荷下谐波及无功的特点的研究与分析，设计出现场实用的滤波及补偿方案。

（2）建立了基于混沌遗传算法的LC滤波器优化方案。运用该方案的优点是：补偿及滤波装置未投入运行前便可预知其运行时的各项电力技术指标，经过调整可以设计出较为理想的无功补偿及谐波滤波装置，避免了盲目性，对于装置的设计质量起到了保证作用。

（3）在动态无功补偿方面，本文采用TCR+TSC的混合型补偿方法。在TSC投切上设计了不等容分组的非线性投切的投切法，保证了每组电容组的使用效率，在满足限定条件下总是投入容量较大的一组补偿电容器。

（4）大型轧钢厂的负荷均为冲击型负荷，在运行时产生大量的谐波及无功，实践证明SVC必须与工程同步。

（5）利用三相瞬时无功功率理论对谐波及无功进行检测，不但在动态响应上有良好的特性，而且各计算公式形式相近，用查表和计算相结合的方法在计算机上很容易实现。

（6）在工程设计及调试过程中的经验，提出简洁有效的解决思路和方法，对类似的设备设计、安装调试具有可借鉴的意义。 [科]