轧钢电网的动态无功补偿及谐波滤波技术

1、概述

    莱钢l500mm热轧带钢工程由10kV供电，主要负载为粗轧机、精轧机、辅传动及动力负荷等，其中粗轧机有交交变频调速电动机2台，每台功率4500 kW，F₁～F₃精轧机有交交变额调速电动机3台，每台4000 kW，F₄～F₆精轧机有交交变频调速电动机3台，每台3500kW，直流辅助传动负载共计1500kW，飞剪直流传动负载共计435kW，卷筒、活套等直流传动负载共计680kW，其他负荷为交直变变频驱动负载，共计约7300kW。

    负载的特点为轧机负载容量大，是电网产生波动的根源，其中尤以初轧机的冲击负荷最大；R₁初轧机和F₁～F₆精轧机负载均为交交变频负载，具有旁频谐波：整流负载按12脉波整流配置，其特征谐波为12k±1次，谐波含量5次、7次较小，11次、13次较大。轧制规格、品种及工艺情况不同时，其产生的无功和谐波量有很大不同。

    对上述负载的总体动态无功补偿及谐波滤波的设计是必要的。无功补偿及谐波滤波设计需要解决轧机及其辅传动所产生的无功及谐波，以达到提升运行功率因数，大幅度降低无功损耗，有效消除或抑制谐波含量和电压畸变，使其达到国家标准的要求。

2、无功补偿设计应用

    根据莱钢l500mm热轧带钢工程供电系统图，供电为10kV两段母线供电。I段母线主要包括R₁初轧机、F₁～F₆精轧机主传动部分，丰要矛盾是无功冲击、电压波动及谐波滤波；Ⅱ段母线主要包括辅传动及其他辅助负载，主要矛盾是无功补偿。I段母线因含有R₁初轧机、F₁～F₆精轧机，负载冲击很大；II段母线为辅助负载，比较平稳。因此本方案拟在I段母线上安装一套FC+TCR型SVC（静止型动态无功补偿及谐波滤波装置）系统，在II段母线上安装一套FC滤波装置。这种方式的优点是：

    1）I段母线电网上安装SVC系统，可以连续调节无功补偿量，功态响应速度快，可以解决主轧机对电网的剧烈冲击，稳定电网电压，滤除谐波，充分发挥SVC的优势，使I段电网的功率因数保持在整定值0.95以上。

    2）Ⅱ段母线的主要负载为辅传动，负载的冲击很小，安装套静态滤波装置可以节约投资，同时又能满足电网要求。Ⅱ段母线的功率因数补偿指标设计为>0.92。

    3）两段的综合效果为动态无功补偿及谐波滤波。

2.1、系统的构成

    包括主供电同路、FC滤波器（H3、H5、H7、H11滤波回路）、TCR相控电抗器（TCR相控阀、主电抗器）。其中主供电回路内包括：高压真空开关柜2台、高压PT柜1台、高压PT柜1台、高压隔离开关柜4台。

    FC滤波器（H3、H5、H7、H11滤波回路）内容包括：
    滤波电容器4组（电容器外配熔断器、内接放电电阻）、滤波电抗器4套（空心）、高压电阻器4套、保护装置若干。TCR相控电抗器（TCR相控阀、主电抗器）内容包括：TCR相控阀1套（采用水冷系统）、主电抗器1套（空心、三相平放）、水冷系统1套、保护装置若干。控制系统包括：TCR相控阀控制系统（采用西门子的SIMADYN——D数控系统）、触发系统（高低压光电隔离，脉冲触发和BOD保护）、继电保护系统（包括FC、TCR系统的各种保护）。

2.2、I段母线FC+TCR型SVC的补偿原理

    FC+TCR装置由3部分构成：FC滤波器、TCR相控电抗器和控制保护系统，系统框图如图1所示。FC滤波器用于无功补偿及谐波滤波，该滤波器应完成以下两个任务：提供系统所需要的容性无功功率、滤除负载及TCR系统本身所产生的谐波。TCR相控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，该相控电抗器应完成以下两个任务：提供系统所需要的感性无功功率、稳定负载冲击所产生的电压波动。控制保护系统包括两个方面：一方面为整个系统的保护控制；另一方面为相控电抗器的调相控制。

    TCR的基本结构就是由晶闸管构成的可控阀体与电抗器串联，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。吸收的谐波电流和无功功率随着控制角α的增大而减小，实现调节无功功率的目的。负载的变化由TCR所产生的变化无功功率加以平衡，使得两者之和总是维持为常数，此常数感性无功功率被FC的容性无功功率相抵消，最终使得电网的功率因数保持在设定值如0.95附近。

    （1）FC滤波器
    FC滤波器是在并联电容器上串联滤波电抗器构成的，根据负载谐波含量的不同组成若干组不同的LC补偿滤波同路。
    FC滤波器所要滤除的谐波，主要来自于两个方面：一方面是负载所产生的谐波，主要来自于整流设备，其特征谐波为5次、7次、11次、13次等；另一方面来自于TCR相控电抗器，主要以3次谐波为主。

    （2）TCR相控电抗器
    TCR相控电抗器由晶闸管相控阀与电抗器串联构成，三相接线采用三角形联结，这种接线形式比其他形式接线的电流中谐波含量小。另外，工程实际中，当容量较大时，将电抗器分为等容量的两部分，串接在晶闸管相控阀的两端，这样可以使晶闸管在电抗器损坏时得到额外的保护。

2.3、Ⅱ段母线FC滤波装置补偿原理

    Ⅱ段母线的FC由两部分构成：FC滤波器和控制系统。FC滤波器用于无功补偿及谐波滤波，该滤波器应完成以下两个任务：提供系统所需要的容性无功功率及滤除负载所产生的谐波。控制系统为整个系统提供继电保护。
    FC滤波器所要滤除的谐波主要来自于负载的整流设备，其特征谐波为5次、7次、11次、13次等。但由于Ⅱ段母线负载的谐波源较少，将该滤波器设计为5次、7次高通两回路滤波器即可满足电网要求，既能保证有效的谐波滤波，又可以防止与电网的背景谐被产生谐振。

2.4、无功补偿及谐波滤波系统的容量计算

    （1）谐波计算理论依据

    1）电动机额定容量

式中K_Uu ——变压器电压计算系数，取1：
    K₁ ——变压器电流计算系数，12脉冲取0.789；
    K_t ——电动机过载倍数，粗轧取2.5，精轧取1；
    P_dn ——电动机额定功率，kW；
    η_d ——效率，取0.92。
    2）谐波估算
    12脉波变流嚣
    特征谐波电流含量

    非特征谐波含量

    TCR（三角形联结）

    （2）补偿容量的选择
    本无功补偿及谐波滤波装置容量计算是采用PSCAD仿真软件，日前在世界范围内被广泛运用，国内像清华大学、中国电力科学研究院等电力系统权威机关在使用。采用仿真技术的优点是：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，对装置的设计质量起到了保证作用。

   1）I段母线FC+TCR型SVC系统
    装置投入运行后的平均功率因数按0.95计算，则装置的技术参数选定如下：装置名称为AriSVC36/10-2-TCR（28.8/36）；补偿点为10kV母线：额定电压为10kV：装置容量为FC36Mvar，TCR28.8Mvar。
    2）Ⅱ段母线FC滤波装置
    装置投入运行后的平均功率因数按0.92计算，则装置的技术参数选定如下：装置名称为AriFC——3/10-2 -FC；补偿点为10kV母线：额定电压为10kV；装置容量为FC 3Mvar。
    （3）I段母线SVC装置的容量计算及仿真曲线

    根据谐波计算理论，对设备容量进行了计算，具体数值如下。
    粗轧4500 kW×2=9000 KW，过载倍数取2.5。

    精轧4009kWx3+3500kWx3=22509 kW  过载倍数取1。

    总视在容量S_N为66844 KVA。
    基频电流

    谐波含量

    由于系统三相对称，所以3次谐波含量很小，取60A。
    TCR二角形联结，总容量28.8 Mvar。
    谐波计算

    总谐波电流

    无功功率装置总容量为36 Mvar。
    其中，3次为4.2Mvar；5次为13.8Mvar：7次为9Mvar；11次为9 Mvar，采用高通滤波器，品质因数取5。

    对于I段母线SVC装置进行了仿真，I段母线SVC装置的仿真曲线如图2所示，显示了I段母线SVC装置投入前后谐波滤波的效果，其中绿线为滤波前的测试曲线，红线为采用斜波滤波设备后的测试曲线，由此可以看出滤波效果非常明显。

    1）谐波电压总畸变率
    滤波前（超标）
    滤波后（达标）
    2）注入系统残余谐波电流
    
    
    3）10 kV母线电压波动
    滤波前（超标）
    滤波后（达标）
    4）功率因数为0.95

    （4）II段母线滤波装置的结果对比
    对于交直交变频负载，因其功率因数很高，不参与容量计算。直流辅传动，负载共计l509 kW。飞剪直流传动，负载共计435 kW。卷筒、活套等直流传动负载共计680 kW。其他负荷为交直变变频驱动，负载共计约7300 kW。计算结果如表2所示。

    1）谐波电压总畸变率
    滤波前（超标）
    滤波后（达标）
    2）注入系统残余谐波电流
    
    3）功率因数为0.95

    （5）I段母线保护及控制系统
    装置的保护及控制系统包括两个方面：第一为整个系统的继电保护拧制：第二为相控电抗器的调相控制。继电保护控制及触发信号的转换由保护控制柜来完成，相控电抗器的调相控制及TCR系统的保护由西门子的SLMADYN——D数控系统来完成。
    继电保护系统采用PLC为中心控制器，对FC滤波装置及电刚参数进行监控，同时完成相控触发信号的整形、放大和转换，最终以光信号输出给品闸管开关主柜。FC+TCR型SVC装置具有过电压保护、低电压保护、过电流保护、电容器的过压、过流保护、不平衡电压保护、不平衡电流保护、接地保护等。
    当有故障产生时按下列方式动作：当出现轻故障时，首先报轻故障，该轻故障持续定时问后报重故障；当有重故障产生时，自动停机，蜂呜器报警，显示板显不故障状况。重故障信号产生后，即使故障排除了，显示板仍继续报警，直到手动复位为止。

3、结论

    系统采用动态无功补偿及谐波滤波技术，在投运后运行状况良好，控制精度高，操作方便，运行稳定可靠，干扰小，很少出现问题，对电网的伤害很小。I段10kV母线电网上安装SVC系统，可以连续调节无功补偿量，动态响应速度快，解决了R₁初轧机对电网的剧烈冲击，稳定电网电压，滤除谐波，可以充分发挥SVC的优势，使I段10kV电网的功率因数保持在整定值0.95以上。轧机在生产过程中，Ⅱ段10 kV母线上的负载冲击与I段10kV母线上的冲击相比会较小，Ⅱ段母线的功率因数补偿指标设计为0.92。

    在投运后，没有因为电网的扰动原因造成停机，电网的工作很正常，减少了可能由于停机而带来的损失，创造了很大的经济效益。