基于DYTSF的冷轧机动态无功补偿及谐波治理方法

孙国歧 魏晓宾 张玲艳 肖恩恺 刘 涛



基于DYTSF的冷轧机动态无功补偿及谐波治理方法

孙国歧 魏晓宾 张玲艳 肖恩恺 刘 涛

（山东德佑电气股份有限公司，山东淄博 255000）

本文针对轧机行业用电负荷对电网电能质量的影响，提出了晶闸管投切开关在角外、滤波电抗器在角内的动态无功补偿及谐波治理方法，并结合现场运行情况给出了具体的实施方案，补偿后功率因数显著提高，电能质量明显改善。最后给出了补偿前后电流的运行数据对比，验证了本文方法的有效性。

冲击性负荷；无功补偿；谐波治理；电能质量

随着我国冷轧机行业的日益发展，电力系统的电能质量面临着越来越严峻的考验。冷轧机主要设备为冷轧主机、退火炉、冷轧开卷卷取机等设备，其驱动方式大都采用的是移相触发可控硅构成的6脉波整流电路，因而产生的5次、7次、11次谐波电流特别多。轧机属于冲击性负荷[1-3]，负荷电流快速频繁波动，电流谐波畸变率高达50%～100%，谐波电压高达8%～15%，设备工作时功率因数在0.2～1之间变化，平均功率因数0.6左右。并且在其工作时，产生很大的电流冲击和无功冲击，使得供配电系统稳定性降低，系统电压大幅波动，电压畸变率大，影响用电设备的安全可靠性[4-9]。

此外，轧机冲击性负荷会造成电力系统的电压和频率波动[9-11]，这些波动会对用电设备造成以下影响：

1）电动机的转矩与电压2成正比。如果电动机长期运行在低电压处，负荷转矩保持不变，定子绕组的电流增加就会造成电动机转子发热，严重时烧坏电动机。

2）电压降低使电磁元件及电气设备误动作。如：继电器、接触器、磁力启动器吸合缓慢，烧坏触头等，甚至造成抱闸打不开，电动机不能工作。

3）晶闸管变流装置整流电压与系统电压成正比。当系统电压变化时，整流电压随之变化，移相器移相角相应变化，直流输出最终发生变化。

4）电压波动造成电子控制系统失效。

5）照明的光通量与电压3.6的成正比，发光率与电压2成正比，电压波动严重影响照明质量。

本文针对上述冷轧机负荷特性对电网的影响，提出了晶闸管投切开关在角外、滤波电抗器在角内的动态无功补偿及谐波治理方法，并结合现场运行情况给出了具体的实施方案。运行结果表明，本文方法具有显著的效果。

1 现场工况分析

下面以山东某轧机厂1450轧机生产线为例，对现场工况情况进行分析。该厂主机整流变容量为2500kVA，电压等级为10kV/0.66kV，冷轧主机配置2台，容量为2×795kW，开卷、卷取整流变容量为2500kVA，电压等级为10kV/0.4kV，直流电机配置4台，容量为4×284kW，主要负荷为6脉冲可控硅整流调速直流马达的轧机设备。

现场对400V开卷、卷取机系统的电压、电流、功率等电气量进行了详细的测试。系统电流总畸变率为0.4左右，5次、7次、11次谐波电流很大，电压总畸变率达到0.1以上，严重超出电能质量标准要求。变压器下侧负荷平均功率因数仅为0.6左右，存在严重的无功缺额，造成变压器输出有功严重不足，另外变压器发热问题较为严重。

2 补偿技术方案

针对轧机的负荷特性，无功补偿设备基本要求[12]如下。

1）能够根据负荷无功功率的变化情况，进行实时跟踪补偿供电系统。

2）能够有效降低系统谐波对无功补偿设备的影响，防止谐波放大与系统共振。

3）能够滤除系统低次谐波电流，显著降低谐波危害和无功功率。

基于上述考虑，本文提出了一种基于零电压投切晶闸管的动态无功补偿及滤波装置（DYTSF）治理方案，该装置能够快速跟踪补偿无功缺额，并能够滤除系统中谐波电流。

DYTSF主电路拓扑结构如图1所示。晶闸管开关放在角外，三控三方式，相间电压由两相可控硅承担，极大提高了可控硅开关的耐受电压击穿能力；滤波器电抗器放在角内，流入的是相电流，在同样补偿容量下，通过的实际电流值减小，大大提高了电抗器余度。装置采用电压过零点投切，无涌流，不会对电容器产生冲击，同时也不会受到电网电压谐波的影响。装置具有分相补偿的功能，控制器检测电网AB、BC、CA的电压、电流信号，通过计算得出系统各相的无功缺额及谐波电流大小，解决了系统三相不平衡问题。

动态无功补偿装置由断路器、大功率晶闸管投切开关、滤波电容器、滤波电抗器、控制器、柜体等组成。采用全智能控制及微机监测技术，投切开关采用大功率晶闸管反并联，实现对滤波电容器组的快速投切，具有投切准确以及无涌流冲击、无过渡过程等优点。装置将电容器组容性无功补偿系统的感性无功，从而提高系统功率因数。

根据国标要求[13-14]，本方案将功率因数补偿到0.92以上，电压畸变率控制在5%以内，谐波电流滤除50%左右。

根据现场测试数据，功率因数由0.6提高到0.92以上需要基波无功补偿容量约为1300kvar，电容器额定电压为480V，安装容量应为1872kvar。选取型号为DYTSF-0.48-1872的晶闸管投切动态无功补偿及滤波装置。具体配置如下。

1）前8条支路的每条安装电容器的容量为3×22.285×3=200.5kvar，共计1605kvar，每条支路滤波50A。

2）后2条支路每条安装电容器的容量为2×22.285×3=133.7kvar，共267kvar，每条支路滤波35A。

3）柜体尺寸3×（1000mm×1000mm× 2200mm）。

具体方案配置见表1。具体补偿目标见表2。

表1 无功补偿配置方案表

表2 系统补偿目标

3 实施效果

将上述方案安装于该厂并投运后，补偿效果明显，功率因数由当初的0.60提高到0.92，谐波电流降低了将近一半，电能质量得到明显改善，同时配电变压器的温升显著降低。各次谐波电流滤除明显，具体数据见表3。其中5次谐波电流从259.10A降低至78.40A，谐波滤除率为69.70%，7次谐波电流从76.40A降低至18.20A，谐波滤除率为76.10%，11次谐波电流从33.30A降低至24.80A，谐波滤除率为25.50%，与设计效果基本相吻合。

表3 补偿效果

4 结论

本文针对轧机行业用电负荷对电网电能质量的影响，提出了晶闸管投切开关在角外、滤波电抗器在角内的动态无功补偿及谐波治理方案，补偿后功率因数显著提高，电能质量明显改善，同时降低了配电变压器及用电设备中的电能损耗，有效保证了低压配电系统的安全可靠运行。

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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

孙国歧（1975-），高级工程师，研究方向为电力系统无功补偿和电能质量治理。