中友中板廠動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

夏岳建

【摘 要】論文針對中友中板廠的幾種主要的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了負(fù)載電能質(zhì)量分析，采用TSC+LC+TCR的諧波抑制與無功補(bǔ)償?shù)姆桨?，提高功率因素，減省企業(yè)成本。

【關(guān)鍵詞】諧波抑制；無功補(bǔ)償；電能質(zhì)量；晶閘管投切電容器；晶閘管控制電抗器

0.概述

中友中板廠全稱無錫市中友不銹中板有限公司，屬金屬冶煉及壓延加工行業(yè)，主要從事不銹鋼中板、低合金中板、鍋爐板、容器板的冶煉與軋制，其中不銹鋼中板目前國內(nèi)僅有三家生產(chǎn)企業(yè)之一。公司目主要的大功率生產(chǎn)設(shè)備有兩臺60噸電弧爐、三臺30噸中頻爐、兩臺3000T軋機(jī)使用一臺2800kW的直流電機(jī)、二臺3000T軋機(jī)使用三臺4300kW的直流電機(jī)、一臺4000T的精軋機(jī)使用一臺5700kW的直流電機(jī)、三臺1250kW除塵電機(jī)為交流異步電機(jī)、一臺1250kVA的交流異步輥道電機(jī)、一臺1000kW的電阻加熱電爐。

該廠由于設(shè)備和生產(chǎn)原因，用電功率因數(shù)較低，用電質(zhì)量差。每月都要額外支付數(shù)萬到數(shù)十萬的力調(diào)電費。表1為該廠2010年來部分月份電費情況。

1.原因分析

對中友中板廠的幾種主要設(shè)備從其工作原理上進(jìn)行電能質(zhì)量分析可知，該廠負(fù)載對電網(wǎng)的影響主要有幾種情況：

（1）電弧爐工作時產(chǎn)生的諧波、無功、閃變、三相負(fù)載不對稱等情況，同時由于電弧爐工作狀態(tài)的不確定性，在產(chǎn)生諧波時不僅產(chǎn)生特征次諧波，也會產(chǎn)生非特征次諧波。

（2）晶閘管整流電路不僅產(chǎn)生大量諧波，也要消耗無功，且功率因數(shù)隨著控制角 的增加而降低。當(dāng)負(fù)載降低時，功率因數(shù)也隨之降低。

（3）異步電動機(jī)雖然是線性負(fù)載，在起動與空載時起功率因數(shù)均較低，尤其在起動瞬間需消耗大量的無功功率，對電網(wǎng)造成無功沖擊。另外異步電機(jī)在負(fù)載運行時的0.8～0.85功率因數(shù)也不能滿足國家《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》所規(guī)定的功率因數(shù)0.9的要求。

2.采取措施

2.1 TCR+TSC+LC控制法

按系統(tǒng)所需的無功補(bǔ)償值投入適當(dāng)組數(shù)的電容器，并略有過補(bǔ)（補(bǔ)成容性），再用TCR的感性無功來補(bǔ)償過補(bǔ)部分的無功。同時，LC濾波器濾除諧波，對于3、5、7、11次諧波采用單調(diào)諧濾波器，即TCR+TSC+LC控制法。

晶閘管控制電抗器TCR和晶閘管投切電容器TSC都采用三角形聯(lián)結(jié)。因為采用三角形聯(lián)結(jié)有很多優(yōu)點：一是可以避免線電流中產(chǎn)生零序分量；二是可以將 次諧波電壓互相抵消；三是各個元器件的絕緣水平與電網(wǎng)額定電壓的等級一致，使用中的同步信號可直接取自相應(yīng)的線電壓。

晶閘管閥的接線方式有晶閘管與大功率二極管反并聯(lián)和晶閘管反并聯(lián)兩種接線方式。由于采用晶閘管與大功率二極管反并聯(lián)方式時，晶閘管和二極管上承受的最大電壓為2倍線電壓峰值。而采用晶閘管反并聯(lián)接線方式時，電容器是在電壓過零點時投入，電容上沒有預(yù)充電，晶閘管閥所承受的最高電壓為線電壓峰值，可以減少晶閘管閥串聯(lián)的個數(shù)，降低控制裝置的成本。所以本裝置采用晶閘管反并聯(lián)接線方式。

TCR+TSC+LC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置監(jiān)測系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)采集裝置各組成部分的主要狀態(tài)變量，進(jìn)行簡單計算或邏輯分析后對其進(jìn)行顯示，而且對TCR+TSC+LC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)進(jìn)行實時判斷，必要時發(fā)出報警信號或緊急操作指示，從而為預(yù)防和避免動態(tài)無功補(bǔ)償裝置裝置出現(xiàn)故障提供了可靠、有力的保證。TCR+TSC+LC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置保護(hù)系統(tǒng)則保障TCR+TSC+LC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置能夠安全并入電網(wǎng)運行，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，裝置不會受到損壞；而裝置出現(xiàn)故障后也不會對系統(tǒng)造成破壞性的影響。TCR+TSC+LC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)則是裝置中最為關(guān)鍵的部分，它指揮整個裝置按照預(yù)先設(shè)定的運行特性進(jìn)行工作，其設(shè)計的好壞直接關(guān)系到整個裝置的性能。

2.2中友中板廠混合型動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)運行分析

該系統(tǒng)于2012年9月12日投入試運行，我們于15日對電網(wǎng)質(zhì)量情況進(jìn)行了主要包括諧波電流，功率因素等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。

（1）對LC濾波系統(tǒng)投運前進(jìn)行單獨測量電流波形，得出3次、5次、7次、11次、13次諧波電流均超標(biāo)，且超標(biāo)嚴(yán)重，分別為65.32A，78.56A，34.72A，21.23A，23.32A。對混合型動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)投運前進(jìn)行電壓電流波形測量，6KV負(fù)荷注入6KV系統(tǒng)側(cè)的母線電壓總畸變率為5.06%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家限制3%。功率因素也很低，只有0.75。

（2）對混合型動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)投運后負(fù)荷注入系統(tǒng)的諧波電流進(jìn)行測量得出數(shù)據(jù)全部達(dá)標(biāo)。電壓畸變率也達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，滿負(fù)荷情況下，功率因素達(dá)到0.92，也符合國家規(guī)定要求。

（3）根據(jù)這個測試結(jié)果不難看出中友中板廠生產(chǎn)過程中，只要這套混合型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置正常運行，整個廠里的負(fù)荷不會對電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。

以上三大類負(fù)載是該廠主要的諧波與無功及閃變的污染源，針對這三種負(fù)載進(jìn)行相應(yīng)的諧波與無功治理不僅可降低其對電網(wǎng)的影響，提高供電效率及供電質(zhì)量。同時由于用電質(zhì)量的改善也能為該廠節(jié)約大量的電費，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.結(jié)論

本文針對大功率負(fù)荷下諧波及無功的特點和無功補(bǔ)償?shù)男阅苤笜?biāo)作了分析，以無錫中友中板廠的諧波及無功補(bǔ)償為課題背景，通過對混合型動態(tài)無功系統(tǒng)的工程實例調(diào)試和系統(tǒng)研究，得到以下結(jié)論：

（1）通過對大功率負(fù)荷下諧波及無功的特點的研究與分析，設(shè)計出現(xiàn)場實用的濾波及補(bǔ)償方案。

（2）建立了基于混沌遺傳算法的LC濾波器優(yōu)化方案。運用該方案的優(yōu)點是：補(bǔ)償及濾波裝置未投入運行前便可預(yù)知其運行時的各項電力技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過調(diào)整可以設(shè)計出較為理想的無功補(bǔ)償及諧波濾波裝置，避免了盲目性，對于裝置的設(shè)計質(zhì)量起到了保證作用。

（3）在動態(tài)無功補(bǔ)償方面，本文采用TCR+TSC的混合型補(bǔ)償方法。在TSC投切上設(shè)計了不等容分組的非線性投切的投切法，保證了每組電容組的使用效率，在滿足限定條件下總是投入容量較大的一組補(bǔ)償電容器。

（4）大型軋鋼廠的負(fù)荷均為沖擊型負(fù)荷，在運行時產(chǎn)生大量的諧波及無功，實踐證明SVC必須與工程同步。

（5）利用三相瞬時無功功率理論對諧波及無功進(jìn)行檢測，不但在動態(tài)響應(yīng)上有良好的特性，而且各計算公式形式相近，用查表和計算相結(jié)合的方法在計算機(jī)上很容易實現(xiàn)。

（6）在工程設(shè)計及調(diào)試過程中的經(jīng)驗，提出簡潔有效的解決思路和方法，對類似的設(shè)備設(shè)計、安裝調(diào)試具有可借鑒的意義。 [科]