低压动态无功补偿装置在无缝钢管轧机的应用

郭智文

(中冶华天南京自动化工程有限公司，江苏南京210019）

供用电

低压动态无功补偿装置在无缝钢管轧机的应用

郭智文

(中冶华天南京自动化工程有限公司，江苏南京210019）

针对轧钢厂主轧机的电能质量治理问题，提出了在整流变二次侧装设低压TCR+FC型动态无功补偿装置的新型解决方案，并根据实际工程案例对低压动补和高压动补两种方案进行了分析对比，为实施类似工程提供了借鉴。

动态无功补偿；低压；滤波；节能

1 概述

目前冶金企业轧钢厂的主轧机仍然大量采用直流传动系统，变流器一般是6脉动或12脉动整流装置。这种变流器在工作过程中将出现较大的电能质量问题：首先，作为非线性负荷，变流器输入电流含有大量的谐波成分，对其他用电设备和电网产生有害影响；其次，轧制过程产生的无功冲击负荷，将引起系统电压波动，严重时变流器负载电机以及其他电气设备将无法正常运行；第三，低功率因数不能满足国网公司的力率要求，降低生产过程的经济效益。因此，进行综合电能质量治理是非常必要的。

国内普遍采用两种治理方案：一种是在轧钢厂车间变电站高压母线（6～35 kV）上安装并联电力滤波装置，即FC方案，该方案可实现对谐波污染进行有效治理，并同时实现系统无功率补偿；但无法对系统电压波动起到改善作用。另一种是在高压母线上安装静止型动态无功补偿装置（SVC），即TCR+FC方案，该方案可同时实现对谐波污染、电压波动、低功率因数的综合治理。但存在控制系统复杂、价格昂贵、占地面积大和维护要求高等不足。

对于上述方案的不足，本文提出了一种新型的低压（0.4～1 kV）动态无功补偿装置（SVC）解决方案。不仅避免前两种方案的不足，且实现了更优良的节能效果。在浙江某无缝钢管轧机上的成功应用充分体现了这种方案的优点。

2 低压TCR+FC型动态无功补偿装置工作原理与配置方案

低压TCR+FC型动态无功补偿装置（SVC）主要由三部分构成：FC滤波器、TCR晶闸管控制电抗器和控制保护系统。FC滤波器用于提供容性无功功率和滤除高次谐波，TCR晶闸管控制电抗器用于平衡系统中由于负载的波动所产生的感性无功功率，使得控制点无功功率基本上实现完全平衡的功能。

TCR的单相基本结构是反并联的晶闸管与电抗器串联，三相一般采用三角形联结，这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。根据晶闸管相控调功原理，电感负载的交流调压电路的晶闸管触发角α的有效移相范围为90°～180°，其基波电流都是无功电流。当α=90°时，晶闸管完全导通，与晶闸管串联的电抗器相当于直接连接到电网上，这时其吸收的基波电流和无功功率最大。当α在90°～180°之间时，晶闸管为部分区间导通，增大触发角可减少电流中的基波分量，增大TCR相控电抗器的等效感抗，因而减少其输出的感性无功功率。图1（a）中Ql为负荷的无功功率曲线，Qr为SVC中电抗器吸收的无功功率曲线。控制保护系统根据负荷无功功率Ql的变化情况，通过调节晶闸管触发角的大小，控制流过电抗器的电流来改变感性无功功率的大小。即不管负载的无功功率如何变化，总要使二者之和（Ql+Qr）为常数，这个常数等于FC滤波器组发出的容性无功功率的数值（Qc），使取自电网的无功功率Qs为常数或为一定的允许范围内，最终使得电网的功率因数保持在设定值，电压几乎不波动，从而达到动态无功补偿的目的，以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。图1为TCR+FC型动态无功补偿装置（SVC）原理。

图1 TCR+FC型动态无功补偿装置（SVC）原理

通常，传动系统整流装置是经整流变压器接到电源上的。相比于高压无功补偿装置，低压TCR+FC型动补装置可以使无功功率就地补偿，通过直接在整流变压器二次侧动态连续地补偿无功功率，负载所需的无功功率就不需要流过整流变压器，减少了整流变压器的无功损耗。同时，低压TCR+FC型动补装置可以使高次谐波就地吸收，整流装置中的电力电子器件等非线性元件工作时产生的大量谐波电流就不需要流过整流变压器，由理论分析和实际测量均表明，在直流传动系统中，6脉动整流装置阀侧线电流中含有6k±1（k为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数，因此，高次谐波主要分布在5次和7次等。12脉动整流装置是由两个的6脉动整流装置通过整流变两个二次线圈的联结组别配合构成，它们在整流变二次侧产生的高次谐波同样主要分布在5次和7次等，但5次和7次谐波电流在整流变压器中相互抵消，注入电网的只有12k±1（k为正整数）次谐波，主要分布在11次和13次等。因为低压TCR+FC型动补装置中的滤波器已经在整流变二次侧提供了高次谐波电流的通道，从而减少了整流变压器的谐波损耗，降低整流变压器的电磁振动和噪声，延长整流变压器的使用寿命。

3 钢管轧机低压TCR+FC型动态无功补偿装置应用案例

浙江某无缝钢管轧机主要是由穿孔机、轧管机等生产设备组成，直流主传动采用晶闸管整流装置驱动直流电机。设备由10 kV母线供电，电源引自自备发电机系统，10 kV系统的短路容量SK＝250 MVA。直流传动负荷情况如表1所示。

表1 某厂无缝钢管生产线负荷参数

3.1 无功冲击

钢管轧机轧制时会产生的无功冲击，可由下面的公式计算：

（1）轧机的最大视在功率为：

式中，Ku——电压系数；

Ki——电流系数；

i——过电流倍数；

ηed——电动机额定效率。

（2）轧机的有功冲击为：

式中，m——转矩标么值，在基速以下时m=i；

ω——电动机转速标么值；

KCu——电动机铜损系数。

（3）轧机的无功冲击为：

由（1）～（3）式计算可得：Qc＝10.5 Mvar。

在10 kV母线上引起的电压波动可由下面的公式计算：

可见大于国家标准GB/T12326-2008规定的限值（2%）。电压波动过大会使连接在同一段母线上的其他用电设备的正常运行受到影响。

3.2 高次谐波

根据理论计算和系统仿真，钢管轧机轧制时产生的主要谐波电流如表2、表3所示。

表2 穿孔机整流变压器二次侧谐波电流发生量

表3 轧管机整流变压器二次侧谐波电流发生量

轧机整流装置产生的主要谐波电流超过国标限值，电压总谐波畸变率也远远超过国家标准GB/T14549-93规定的限值（5%）。谐波的危害已经得到普遍的共识，受到越来越多的重视，必须加以治理。

3.3 低压动态无功补偿装置的配置

为了减小高次谐波的影响、抑制电压波动、补偿功率因数，就需要装设动态无功补偿装置。在穿孔机和轧管机整流变压器二次侧（低压侧）装设低压动补，主要目的是非线性负载所产生的谐波就地吸收，无功就地补偿，电压波动就地抑制，以获得更好的治理效果（与高压动补相比）。根据负荷产生的冲击无功数据和谐波电流数据，TCR装置的容量应主要考虑抑制电压波动和功率因数补偿的因素，滤波器支路的设置根据谐波发生量的次数和大小进行，在满足无功补偿需要量和电压畸变率及流入系统各次谐波电流要求的前提下，要避免在某次谐波频率下产生谐波电流并联谐振，以保证滤波装置的长期安全运行。综上考虑，低压动补的配置为：穿孔机低压动补设计装设三个滤波补偿支路，分别为H5、H7和H11单调谐滤波装置，总安装容量为1800 kvar；TCR装置容量为1400 kvar。轧管机低压动补设计装设3个滤波补偿支路，分别为H5、H7和H11单调谐滤波装置，总安装容量为1500 kvar；TCR装置容量为1200 kvar。

3.4 低压动态无功补偿装置谐波治理效果

经过对滤波器的各种运行方式进行的仿真计算，其中最大负荷时的谐波滤波效果如表4、表5所示。

表4 穿孔机整流变压器二次侧谐波电流治理效果

表5 轧管机整流变压器二次侧谐波电流治理效果

滤波器投运后，整流变二次侧的主要谐波电流均低于国家标准GB/T14549-93的允许值，电压总谐波畸变率低于5%的国标限值，谐波滤波的效果良好。从实测结果来看，也与仿真计算结果相符。

3.5 低压动态无功补偿装置的节能效果

由于低压动补直接连接在整流变压器二次侧，与高压动补相比，它稳定了整流变压器二次电压，提高了电动机的有功出力。晶闸管变流装置产生的谐波就地吸收，使得大量的高次谐波电流不流过整流变，减少了整流变由于谐波所带来的损耗和电磁噪声，而轧机所需要的无功就地补偿，无功不用通过整流变从电网汲取，减小了整流变的电流，从而提高了整流变压器的出力。

下面以穿孔机为例，计算节能效果：

TCR容量为1400 kvar，FC滤波器安装容量为1800 kvar，FC滤波器有效无功容量为1260 kvar。有功计算负荷如下：

Pjs=KC×PN=0.85×3200=2720 kW

上式中，KC取0.85。

穿孔机的自然功率因数cosφ=0.7，tgφ=1.02，无功计算负荷如下：

Qjs=Pjs×tgφ=2720×1.02=2775 kvar在无低压动补（或在10 kV母线侧装设高压动补）的情况下，穿孔机整流变的视在功率：

穿孔机整流变的电流：

在整流变二次侧装设低压动补后，穿孔机整流变的视在功率：

穿孔机整流变的电流：

通过整流变的电流减小值：

ΔI=I-I′=224.3-157.7=66.5 A

整流变的视在功率减少了约30%，意味着整流变出力可增加30%。

整流变功率因数可从0.7提高到：

由于整流变功率因数改善了，铜损和铁损减小，整流变节约的有功功率ΔP和无功功率ΔQ为：

式中，P——整流变负载侧输出功率，取2720 kW；

SN——整流变额定容量，取5500 kVA；

cosφ1——整流变原负载功率因数，取0.7；

cosφ2——改善后的整流变负载功率因数，取0.99；

PK——整流变短路损失，取85 kW；

QK——整流变额定负载时的无功功率，取uk% =6%，QK=6%×5500=330 kvar。

综合有功功率损失，无功经济当量KQ取0.1：

ΔPZ=ΔP+KQΔQ=21+0.1×81.5=29.2 kW

假定全年最大负荷损耗小时数τ为5000 h，则整流变一年节约的有功电能：

W=ΔPZ×τ=29.2×5000=146000 kW·h上述的计算结果，仅是在一台整流变低压侧装设动补装置比在高压侧装设TCR型动补装置所能节约的电能，可见节能效果显著。

4 高低压TCR+FC型动态无功补偿装置方案和设备特点对比

根据电能质量治理工程方案配置、设备结构特点，可对高低压TCR型动态无功补偿装置进行如下对比分析：

（1）低压动补方案可提高变压器利用率和寿命：可以使负荷所需的感性无功功率在整流变二次侧就地补偿，即负荷所需的感性无功功率不通过（或绝大部分不通过）整流变，从而提高整流变的出力。换言之，低压动补大大减轻了整流变的负担，可以延长整流变的使用寿命。

（2）低压动补方案可解决变压器二次侧电压波动问题：高压动补可以解决高压母线的电压波动问题，但解决不了整流变二次侧母线的电压波动问题，因为电动机产生的冲击无功直接造成整流变二次侧的电压波动。装设低压SVC装置后，可以按照负荷的无功变化快速调节相控电抗器的感性无功输出，来抑制整流变二次侧的电压波动，从而稳定电动机的出力。低压动补在解决了整流变二次侧电压波动问题的同时，也一并解决了高压母线的电压波动问题。

（3）低压动补方案设备控制系统简单可靠：低压TCR装置的控制系统在信号检测、控制等功能实现方面上简明实用，性能稳定，抗干扰能力强。响应速度快，动态响应时间达20 ms。一套控制系统能够同时对多套TCR装置的配合、运行进行协调控制，而高压TCR装置的控制系统复杂度高、维护困难。

（4）低压动补方案电力电子电路简单可靠：高压TCR装置一般需要多只晶闸管串联，由此带来的晶闸管均压、过电压保护和脉冲触发等问题都比较复杂。低压TCR装置中只需一只晶闸管就能满足电压要求，晶闸管的保护系统和触发系统简单、成熟、可靠，故障率极低。

（5）低压动补装置电力电子热设计简单可靠：高压TCR装置的晶闸管散热一般采用水冷或热管冷却，结构复杂，造价昂贵。低压TCR装置的晶闸管散热采用风冷即可满足要求，简单可靠。

（6）低压动补装置方案布置简单，占地面积小：高压TCR装置需要独立完整的区域安放，占地面积较大。低压TCR装置的控制柜、功率柜可与传动系统的电气柜一同布置，占地面积相对较小。

（7）低压动补装置容量有限：低压动补由于电压等级不高，容量受到一定局限，一般单套容量不超过2000 kvar。

5 结语

低压TCR+FC型动态无功补偿装置成功地应用于无缝钢管轧机整流变二次侧，展示了它在电能质量治理和电气节能等方面独特的优势，具有广泛应用的发展前景。

[1]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[2]王兆安等.谐波抑制和无功功率补偿（第2版）[M].北京：机械工业出版社，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年毕业于华东冶金学院工业电气自动化专业，高级工程师，现从事电力电子及电能质量治理工作。