鋼鐵廠專用變壓器無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

劉　銘，姜曉東，馬慶玉

（山東理工大學(xué)　電氣與電子工程學(xué)院，山東　淄博255049）

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節(jié)能減排

鋼鐵廠專用變壓器無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

劉銘，姜曉東，馬慶玉

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049）

摘要：通過在配電變壓器低壓側(cè)安裝無功補(bǔ)償裝置，選用STC12C5620AD系列單片機(jī)作為核心控制器，采用無功功率和功率因數(shù)雙參數(shù)控制方式，對(duì)控制策略進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，通過先共補(bǔ)后分補(bǔ)的投切邏輯，以配變無功缺額為最終補(bǔ)償判據(jù)，在補(bǔ)償裝置一定的情況下，完成配變最優(yōu)補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)投切振蕩抑制，以減少電能損失，抬高末端電壓，提高鋼鐵廠生產(chǎn)線的效率及質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；專用變壓器；電容器；無功功率

1　前　言

不同于生活用電，廠礦區(qū)用電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)較低，造成大量的無功電能損失。由于鋼鐵行業(yè)的特殊性，設(shè)備負(fù)荷容量普遍較大，如大型電動(dòng)機(jī)無功功率總量大、波動(dòng)范圍廣，具有較強(qiáng)沖擊性，又都處于供電網(wǎng)絡(luò)的最末端，大量負(fù)荷處于660 V供電系統(tǒng)的末端，其供電系統(tǒng)的無功損耗非常大。為了提高末端設(shè)備的功率因數(shù)及端電壓，使其高效率穩(wěn)定運(yùn)行，通常需要加裝無功補(bǔ)償設(shè)備。而靜止無功補(bǔ)償器（SVC）是現(xiàn)在應(yīng)用的較多的一種補(bǔ)償設(shè)備，SVC不僅可以抑制電壓波動(dòng)和閃邊、治理諧波，并且由于其靈活的補(bǔ)償方式而得到廣泛應(yīng)用［1］。

在工業(yè)電網(wǎng)中，約60%的無功功率消耗在用戶側(cè)，電網(wǎng)則消耗了約剩余40%無功。而無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)中影響了用戶端用電質(zhì)量，也對(duì)電能造成較大損失。因此工業(yè)用電普遍安裝專用變壓器，由各用電單位負(fù)責(zé)無功功率的補(bǔ)償，使有關(guān)參數(shù)達(dá)到供電公司要求，工業(yè)用電三相相對(duì)平衡，但無功需求較多，無功波動(dòng)很大。因此針對(duì)專變無功特征，結(jié)合共補(bǔ)與分補(bǔ)，對(duì)專變采用三角形連接為主的電容器組連接組別。在冶金企業(yè)中隨著交流電弧爐、連軋機(jī)等不平衡、沖擊性工業(yè)用電設(shè)備的增多也較容易出現(xiàn)三相不平衡情況，例如大負(fù)荷的單相負(fù)載（如電焊機(jī)等）取自三相中的某一相太多時(shí)，造成電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓和電流不平衡等問題。

本研究針對(duì)鋼鐵廠末端設(shè)備功率因數(shù)低的問題設(shè)計(jì)補(bǔ)償方案。

2　補(bǔ)償方案

2.1無功補(bǔ)償方式

在煉鋼廠區(qū)變壓器低壓側(cè)裝設(shè)集中補(bǔ)償。由于這種補(bǔ)償方式效率高，運(yùn)行可靠且易于維護(hù)，同時(shí)也提高了二次側(cè)電壓，降低了無功損耗，是非常經(jīng)濟(jì)的補(bǔ)償方式。但是由于某臺(tái)容量較大的高低壓用電設(shè)備，把補(bǔ)償電容直接接到大功率的用電設(shè)備上的電氣回路中，就地平衡無功電流補(bǔ)償方式可以最有效地保證工作電壓質(zhì)量，同時(shí)也可以選擇將電容器組分組安裝在車間配電室的分路出線上，可以更好地配合部分電荷同時(shí)投切。

對(duì)于距離變壓器較近且用電量相對(duì)較小的負(fù)荷采用集中補(bǔ)償方式，而對(duì)于負(fù)荷距離變壓器較遠(yuǎn)又功率偏大的情況可采用個(gè)別補(bǔ)償方式以提高其功率因數(shù)。

針對(duì)可能出現(xiàn)的三相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象，大多采取的應(yīng)對(duì)辦法是使無功補(bǔ)償裝置發(fā)出的無功功率連續(xù)可調(diào)。采用TSC+TCR型SVC，在閉環(huán)控制中計(jì)算SVC的三相補(bǔ)償電納，通過改變TCR的觸發(fā)角和TSC的投入電容器組別就可以改變其等效電納繼而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)輸出無功的目的。

2.2電容器分組方式

目前常采用的分組方式：

1）各電容器組容量相同，按1∶1∶1分組。該種電容器分組方式雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但若單組電容器容量過大，出現(xiàn)分級(jí)補(bǔ)償，不夠精確；若單組電容器分組過小，雖可以提高精確度，但組數(shù)增大，設(shè)備接線復(fù)雜，運(yùn)營維護(hù)成本升高。

2）各電容器組容量依照“二進(jìn)制”計(jì)數(shù)原則，按比例分組，減少了電容器組使用，節(jié)約了設(shè)備成本，相對(duì)較為靈活，控制策略略微復(fù)雜。

3）各電容器組容量大小按比例系數(shù)為2的等比數(shù)列進(jìn)行分組［2］，補(bǔ)償精度大大提高，由最小的一組電容器容量決定，相比于等容量的分組方式，大大減少了電容器的使用，很大程度上降低了設(shè)備成本，正是由于組合方式多種多樣，也在一定程度上增加了控制難度，投切邏輯的判斷上相對(duì)復(fù)雜，在減少成本，提高精確度的同時(shí)，可靠性略微降低。

本方案采用（1）、（3）種電容器分組方式相結(jié)合的方法，在盡量使設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單易操作且降低成本的基礎(chǔ)上提高補(bǔ)償精確度及可靠性，使其更適合于鋼鐵廠環(huán)境中使用。

2.3專用變壓器綜合補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

10 kV配電變壓器中，部分變壓器由用電客戶自己裝配，供電企業(yè)代管，專門供大中型企業(yè)使用，這類變壓器成為專用變壓器。一般用于廠礦企業(yè)的三相大中型用電設(shè)備配電，將輸電網(wǎng)傳輸過來的高壓電能進(jìn)行降壓，一般降至380 V，直接供工業(yè)設(shè)備使用，另外，一般不會(huì)在專用變壓器上另外掛接單相負(fù)載。

10 kV專用配電變壓器一般配接三相大中型負(fù)載。例如某軋鋼公司專變負(fù)載，將配電網(wǎng)電能電壓等級(jí)從10 kV降至380 V，主要承擔(dān)軋鋼公司中燒結(jié)車間、高爐、澆鑄車間和軋鋼車間以及退火車間的供配電。專用變壓器主要并聯(lián)三相負(fù)載，所以生產(chǎn)運(yùn)行中三相無功功率相對(duì)平衡。但所接負(fù)載幾乎全部為大容量負(fù)載，例如高爐、連續(xù)澆鑄機(jī)、熱軋機(jī)和冷軋機(jī)等，無功功率數(shù)值很大，需要大量補(bǔ)償，否則無論對(duì)用電企業(yè)還是電網(wǎng)公司都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)專用變壓器這一特點(diǎn)，提出以下補(bǔ)償方案：專變無功補(bǔ)償裝置安裝在10 kV專用配電變壓器用戶側(cè)，補(bǔ)償系統(tǒng)控制模塊集成于智能配變終端內(nèi)，方案選用STC12C5620AD系列單片機(jī)作為核心數(shù)據(jù)處理單元，結(jié)合配網(wǎng)二次側(cè)設(shè)備電壓、電流互感器等，完成信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、中斷、通信和存儲(chǔ)等主要功能，以及驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電容器組完成投切動(dòng)作［3］。

對(duì)投切電容器組進(jìn)行等容分組，可以連續(xù)遞增或遞減的無間斷投切，這樣對(duì)電網(wǎng)沖擊較小并且循環(huán)投切也可以延長斷路器和電容器的使用壽命。在選擇投切開關(guān)時(shí)，考慮到投切電容負(fù)載開關(guān)動(dòng)作時(shí)涌流可以達(dá)到額定電流的5至15倍，存在過電壓現(xiàn)象，通常開關(guān)動(dòng)作又比較頻繁，所以選用的開關(guān)不僅要保證觸頭能承受足夠的合閘涌流沖擊并且最好真空以應(yīng)對(duì)過電壓還要適合頻繁動(dòng)作。將晶閘管投切電容補(bǔ)償器仍然裝備六組電容器組，容量比按照1∶1∶1與1∶2∶4的形式設(shè)置，前面3組電容器組采用三角形連接方式，并選擇大容量電容器，完成對(duì)A、B、C三相中大部分無功功率的共補(bǔ)補(bǔ)償，后三組采用星形連接方式，電容器組容量依照等比數(shù)列設(shè)置，并選擇小容量電容器構(gòu)成，高效的完成從單位1到單位7容量的分補(bǔ)補(bǔ)償，補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　專用變壓器補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

3　結(jié)　語

10 kV配電變壓器作為電網(wǎng)末端設(shè)備，直接與用電客戶相連，對(duì)其進(jìn)行快速精確的無功補(bǔ)償可以直接改善用戶電能質(zhì)量，這種綜合功率因數(shù)和無功功率的復(fù)合控制方式，既能夠滿足國家有關(guān)規(guī)定，又可以實(shí)現(xiàn)直接快速有效的無功補(bǔ)償。既不會(huì)造成補(bǔ)償不足，也在一定程度上降低設(shè)備冗余，減少線路接線，符合智能型低壓配電箱的基本要求。

針對(duì)鋼鐵廠的特殊條件及專用變壓器的特殊性做出對(duì)應(yīng)補(bǔ)償方案，兼具變電所集中補(bǔ)償和用電設(shè)備隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，并將無功流動(dòng)控制在較低電壓區(qū)域內(nèi)，減少傳輸損耗，在一定程度上解決了當(dāng)前無功補(bǔ)償設(shè)備閑置或不足的問題，減少了方案資本投入，具有較高的實(shí)用價(jià)值。但是此方案也存在一定的局限性，由于線路末端負(fù)荷的特殊性以及線路復(fù)雜性，對(duì)于補(bǔ)償裝置的裝配與運(yùn)行維護(hù)使得方案的經(jīng)濟(jì)性、投資成本成為影響可行性的關(guān)鍵因素。隨著我國創(chuàng)新型國家發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，這一問題會(huì)隨著逐步研發(fā)的深入得到更好解決。

參考文獻(xiàn)：

［1］姜齊榮.新型靜止無功發(fā)生器建模及其控制的研究［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（7）：21-25．

［2］高東學(xué).電網(wǎng)無功補(bǔ)償使用新技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2014．

［3］鄧德智.基于TSC的無功補(bǔ)償控制器的研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012．

信息化建設(shè)

Reactive Power Compensation Scheme Design for Steel Works Special-purpose Transformer

LIU Ming, JIANG Xiaodong, MA Qingyu

（Shandong University of Technology, Zibo 255049, China）

Abstract:The purpose of high- speed and accurate reactive power compensation through the way of installing reactive power compensation device on the low-voltage side of the distribution transformer can be realized. That can integrate the advantages of substation's concentrated compensation and electrical loads compensation. The scheme which with double parameters control mode controls the reactive power and the power factor. The STC12C5620AD series single chip microcomputer is its controller. The scheme take disrupt compensation after the total compensation and take the reactive power gap as the final criterion. It completes the optimal compensation and restrains the oscillation. It can reduce power loss and boost the terminal voltage, improve the efficiency and quality of steelworks.

Key words:dynamic reactive power compensation; dedicated transformer; capacitor grouping; reactive power

中圖分類號(hào)：TM714.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4620（2016）02-0049-02

收稿日期：2016-03-07

作者簡介：劉銘，女，1992年生，山東理工大學(xué)電氣工程專業(yè)2014級(jí)碩士研究生，研究方向：配電網(wǎng)無功補(bǔ)償。