1、概述 萊鋼l500mm熱軋帶鋼工程由10kV供電，主要負載為粗軋機、精軋機、輔傳動及動力負荷等，其中粗軋機有交交變頻調(diào)速電動機2臺，每臺功率4500 kW，F(xiàn)[SUB]1[/SUB]～F[SUB]3[/SUB]精軋機有交交變額調(diào)速電動機3臺，每臺4000 kW，F(xiàn)[SUB]4[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機有交交變頻調(diào)速電動機3臺，每臺3500kW，直流輔助傳動負載共計1500kW，飛剪直流傳動負載共計435kW，卷筒、活套等直流傳動負載共計680kW，其他負荷為交直變變頻驅(qū)動負載，共計約7300kW。 負載的特點為軋機負載容量大，是電網(wǎng)產(chǎn)生波動的根源，其中尤以初軋機的沖擊負荷最大；R[SUB]1[/SUB]初軋機和F[SUB]1[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機負載均為交交變頻負載，具有旁頻諧波：整流負載按12脈波整流配置，其特征諧波為12k±1次，諧波含量5次、7次較小，11次、13次較大。軋制規(guī)格、品種及工藝情況不同時，其產(chǎn)生的無功和諧波量有很大不同。 對上述負載的總體動態(tài)無功補償及諧波濾波的設計是必要的。無功補償及諧波濾波設計需要解決軋機及其輔傳動所產(chǎn)生的無功及諧波，以達到提升運行功率因數(shù)，大幅度降低無功損耗，有效消除或抑制諧波含量和電壓畸變，使其達到國家標準的要求。 2、無功補償設計應用 根據(jù)萊鋼l500mm熱軋帶鋼工程供電系統(tǒng)圖，供電為10kV兩段母線供電。I段母線主要包括R[SUB]1[/SUB]初軋機、F[SUB]1[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機主傳動部分，豐要矛盾是無功沖擊、電壓波動及諧波濾波；Ⅱ段母線主要包括輔傳動及其他輔助負載，主要矛盾是無功補償。I段母線因含有R[SUB]1[/SUB]初軋機、F[SUB]1[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機，負載沖擊很大；II段母線為輔助負載，比較平穩(wěn)。因此本方案擬在I段母線上安裝一套FC+TCR型SVC（靜止型動態(tài)無功補償及諧波濾波裝置）系統(tǒng)，在II段母線上安裝一套FC濾波裝置。這種方式的優(yōu)點是： 1）I段母線電網(wǎng)上安裝SVC系統(tǒng)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功補償量，功態(tài)響應速度快，可以解決主軋機對電網(wǎng)的劇烈沖擊，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，濾除諧波，充分發(fā)揮SVC的優(yōu)勢，使I段電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在整定值0.95以上。 2）Ⅱ段母線的主要負載為輔傳動，負載的沖擊很小，安裝套靜態(tài)濾波裝置可以節(jié)約投資，同時又能滿足電網(wǎng)要求。Ⅱ段母線的功率因數(shù)補償指標設計為>0.92。 3）兩段的綜合效果為動態(tài)無功補償及諧波濾波。 2.1、系統(tǒng)的構(gòu)成 包括主供電同路、FC濾波器（H3、H5、H7、H11濾波回路）、TCR相控電抗器（TCR相控閥、主電抗器）。其中主供電回路內(nèi)包括：高壓真空開關(guān)柜2臺、高壓PT柜1臺、高壓PT柜1臺、高壓隔離開關(guān)柜4臺。 FC濾波器（H3、H5、H7、H11濾波回路）內(nèi)容包括： 濾波電容器4組（電容器外配熔斷器、內(nèi)接放電電阻）、濾波電抗器4套（空心）、高壓電阻器4套、保護裝置若干。TCR相控電抗器（TCR相控閥、主電抗器）內(nèi)容包括：TCR相控閥1套（采用水冷系統(tǒng)）、主電抗器1套（空心、三相平放）、水冷系統(tǒng)1套、保護裝置若干?？刂葡到y(tǒng)包括：TCR相控閥控制系統(tǒng)（采用西門子的SIMADYN——D數(shù)控系統(tǒng)）、觸發(fā)系統(tǒng)（高低壓光電隔離，脈沖觸發(fā)和BOD保護）、繼電保護系統(tǒng)（包括FC、TCR系統(tǒng)的各種保護）。 2.2、I段母線FC+TCR型SVC的補償原理 FC+TCR裝置由3部分構(gòu)成：FC濾波器、TCR相控電抗器和控制保護系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。FC濾波器用于無功補償及諧波濾波，該濾波器應完成以下兩個任務：提供系統(tǒng)所需要的容性無功功率、濾除負載及TCR系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的諧波。TCR相控電抗器用于平衡系統(tǒng)中由于負載的波動所產(chǎn)生的感性無功功率，該相控電抗器應完成以下兩個任務：提供系統(tǒng)所需要的感性無功功率、穩(wěn)定負載沖擊所產(chǎn)生的電壓波動?？刂票Ｗo系統(tǒng)包括兩個方面：一方面為整個系統(tǒng)的保護控制；另一方面為相控電抗器的調(diào)相控制。 [ALIGN=CENTER] 圖1 FC+TCR補償原理圖[/ALIGN] TCR的基本結(jié)構(gòu)就是由晶閘管構(gòu)成的可控閥體與電抗器串聯(lián)，采用三角形聯(lián)結(jié)。這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當于電感負載的交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)。吸收的諧波電流和無功功率隨著控制角α的增大而減小，實現(xiàn)調(diào)節(jié)無功功率的目的。負載的變化由TCR所產(chǎn)生的變化無功功率加以平衡，使得兩者之和總是維持為常數(shù)，此常數(shù)感性無功功率被FC的容性無功功率相抵消，最終使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在設定值如0.95附近。 （1）FC濾波器 FC濾波器是在并聯(lián)電容器上串聯(lián)濾波電抗器構(gòu)成的，根據(jù)負載諧波含量的不同組成若干組不同的LC補償濾波同路。 FC濾波器所要濾除的諧波，主要來自于兩個方面：一方面是負載所產(chǎn)生的諧波，主要來自于整流設備，其特征諧波為5次、7次、11次、13次等；另一方面來自于TCR相控電抗器，主要以3次諧波為主。 （2）TCR相控電抗器 TCR相控電抗器由晶閘管相控閥與電抗器串聯(lián)構(gòu)成，三相接線采用三角形聯(lián)結(jié)，這種接線形式比其他形式接線的電流中諧波含量小。另外，工程實際中，當容量較大時，將電抗器分為等容量的兩部分，串接在晶閘管相控閥的兩端，這樣可以使晶閘管在電抗器損壞時得到額外的保護。 2.3、Ⅱ段母線FC濾波裝置補償原理 Ⅱ段母線的FC由兩部分構(gòu)成：FC濾波器和控制系統(tǒng)。FC濾波器用于無功補償及諧波濾波，該濾波器應完成以下兩個任務：提供系統(tǒng)所需要的容性無功功率及濾除負載所產(chǎn)生的諧波。控制系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供繼電保護。 FC濾波器所要濾除的諧波主要來自于負載的整流設備，其特征諧波為5次、7次、11次、13次等。但由于Ⅱ段母線負載的諧波源較少，將該濾波器設計為5次、7次高通兩回路濾波器即可滿足電網(wǎng)要求，既能保證有效的諧波濾波，又可以防止與電網(wǎng)的背景諧被產(chǎn)生諧振。 2.4、無功補償及諧波濾波系統(tǒng)的容量計算 （1）諧波計算理論依據(jù) 1）電動機額定容量 式中K[SUB]Uu[/SUB] ——變壓器電壓計算系數(shù)，取1： K[SUB]1[/SUB] ——變壓器電流計算系數(shù)，12脈沖取0.789； K[SUB]t[/SUB] ——電動機過載倍數(shù)，粗軋取2.5，精軋取1； P[SUB]dn[/SUB] ——電動機額定功率，kW； η[SUB]d[/SUB] ——效率，取0.92。 2）諧波估算 12脈波變流囂 特征諧波電流含量 非特征諧波含量 TCR（三角形聯(lián)結(jié)） （2）補償容量的選擇 本無功補償及諧波濾波裝置容量計算是采用PSCAD仿真軟件，日前在世界范圍內(nèi)被廣泛運用，國內(nèi)像清華大學、中國電力科學研究院等電力系統(tǒng)權(quán)威機關(guān)在使用。采用仿真技術(shù)的優(yōu)點是：補償及濾波裝置未投入運行前便可預知其運行時的各項電力技術(shù)指標，經(jīng)過調(diào)整可以設計出較為理想的無功補償及諧波濾波裝置，避免了盲目性，對裝置的設計質(zhì)量起到了保證作用。 1）I段母線FC+TCR型SVC系統(tǒng) 裝置投入運行后的平均功率因數(shù)按0.95計算，則裝置的技術(shù)參數(shù)選定如下：裝置名稱為AriSVC36/10-2-TCR（28.8/36）；補償點為10kV母線：額定電壓為10kV：裝置容量為FC36Mvar，TCR28.8Mvar。 2）Ⅱ段母線FC濾波裝置 裝置投入運行后的平均功率因數(shù)按0.92計算，則裝置的技術(shù)參數(shù)選定如下：裝置名稱為AriFC——3/10-2 -FC；補償點為10kV母線：額定電壓為10kV；裝置容量為FC 3Mvar。 （3）I段母線SVC裝置的容量計算及仿真曲線 根據(jù)諧波計算理論，對設備容量進行了計算，具體數(shù)值如下。 粗軋4500 kW×2=9000 KW，過載倍數(shù)取2.5。 精軋4009kWx3+3500kWx3=22509 kW 過載倍數(shù)取1。 總視在容量S[SUB]N[/SUB]為66844 KVA。 基頻電流 諧波含量 由于系統(tǒng)三相對稱，所以3次諧波含量很小，取60A。 TCR二角形聯(lián)結(jié)，總?cè)萘?8.8 Mvar。 諧波計算 總諧波電流 無功功率裝置總?cè)萘繛?6 Mvar。 其中，3次為4.2Mvar；5次為13.8Mvar：7次為9Mvar；11次為9 Mvar，采用高通濾波器，品質(zhì)因數(shù)取5。 [ALIGN=CENTER]表1 萊鋼1OKV I段母線SVC裝置參數(shù)計算 [/ALIGN] 對于I段母線SVC裝置進行了仿真，I段母線SVC裝置的仿真曲線如圖2所示，顯示了I段母線SVC裝置投入前后諧波濾波的效果，其中綠線為濾波前的測試曲線，紅線為采用斜波濾波設備后的測試曲線，由此可以看出濾波效果非常明顯。 1）諧波電壓總畸變率 濾波前（超標） 濾波后（達標） 2）注入系統(tǒng)殘余諧波電流 3）10 kV母線電壓波動 濾波前（超標） 濾波后（達標） 4）功率因數(shù)為0.95 （4）II段母線濾波裝置的結(jié)果對比 對于交直交變頻負載，因其功率因數(shù)很高，不參與容量計算。直流輔傳動，負載共計l509 kW。飛剪直流傳動，負載共計435 kW。卷筒、活套等直流傳動負載共計680 kW。其他負荷為交直變變頻驅(qū)動，負載共計約7300 kW。計算結(jié)果如表2所示。 [ALIGN=CENTER] ‘ 圖2 I段母線SVC裝置的仿真曲線[/ALIGN] [ALIGN=CENTER]表2 萊鋼10kV Ⅱ段母線SVC裝置參數(shù)計算采用濾波裝置前后的結(jié)果： [/ALIGN] 1）諧波電壓總畸變率 濾波前（超標） 濾波后（達標） 2）注入系統(tǒng)殘余諧波電流 3）功率因數(shù)為0.95 （5）I段母線保護及控制系統(tǒng) 裝置的保護及控制系統(tǒng)包括兩個方面：第一為整個系統(tǒng)的繼電保護擰制：第二為相控電抗器的調(diào)相控制。繼電保護控制及觸發(fā)信號的轉(zhuǎn)換由保護控制柜來完成，相控電抗器的調(diào)相控制及TCR系統(tǒng)的保護由西門子的SLMADYN——D數(shù)控系統(tǒng)來完成。 繼電保護系統(tǒng)采用PLC為中心控制器，對FC濾波裝置及電剛參數(shù)進行監(jiān)控，同時完成相控觸發(fā)信號的整形、放大和轉(zhuǎn)換，最終以光信號輸出給品閘管開關(guān)主柜。FC+TCR型SVC裝置具有過電壓保護、低電壓保護、過電流保護、電容器的過壓、過流保護、不平衡電壓保護、不平衡電流保護、接地保護等。 當有故障產(chǎn)生時按下列方式動作：當出現(xiàn)輕故障時，首先報輕故障，該輕故障持續(xù)定時問后報重故障；當有重故障產(chǎn)生時，自動停機，蜂嗚器報警，顯示板顯不故障狀況。重故障信號產(chǎn)生后，即使故障排除了，顯示板仍繼續(xù)報警，直到手動復位為止。 3、結(jié)論 系統(tǒng)采用動態(tài)無功補償及諧波濾波技術(shù)，在投運后運行狀況良好，控制精度高，操作方便，運行穩(wěn)定可靠，干擾小，很少出現(xiàn)問題，對電網(wǎng)的傷害很小。I段10kV母線電網(wǎng)上安裝SVC系統(tǒng)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功補償量，動態(tài)響應速度快，解決了R[SUB]1[/SUB]初軋機對電網(wǎng)的劇烈沖擊，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，濾除諧波，可以充分發(fā)揮SVC的優(yōu)勢，使I段10kV電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在整定值0.95以上。軋機在生產(chǎn)過程中，Ⅱ段10 kV母線上的負載沖擊與I段10kV母線上的沖擊相比會較小，Ⅱ段母線的功率因數(shù)補償指標設計為0.92。 在投運后，沒有因為電網(wǎng)的擾動原因造成停機，電網(wǎng)的工作很正常，減少了可能由于停機而帶來的損失，創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟效益。