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速電動機2臺，每臺功率4500 kW，F[SUB]1[/SUB]～F[SUB]3[/SUB]精軋機有交交變額調速電動機3臺，每臺4000 kW，F[SUB]4[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機有交交變頻調速電動機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動負載，共計約7300kW。 負載的特點為軋機負載容量大，是電網產生波動的根源，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。軋制規格、品種及工藝情況不同時，其產生的無功和諧波量有很大不同。 對上述負載的總體動態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生的無功及諧波，以達到提升運行功率因數，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 根據萊鋼l500mm熱軋帶鋼工程供電系統圖，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。因此本方案擬在I段母線上安裝一套FC+TCR型SVC（靜止型動態無功補償及諧波濾波裝置）系統，在II段母線上安裝一套FC濾波裝置。這種方式的優點是： 1）I段母線電網上安裝SVC系統，可以連續調節無功補償量，功態響應速度快，可以解決主軋機對電網的劇烈沖擊，穩定電網電壓，濾除諧波，充分發揮SVC的優勢，使I段電網的功率因數保持在整定值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，安裝套靜態濾波裝置可以節約投資，同時又能滿足電網要求。Ⅱ段母線的功率因數補償指標設計為>0.92。 3）兩段的綜合效果為動態無功補償及諧波濾波。 2.1、系統的構成 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）。其中主供電回路內包括：高壓真空開關柜2臺、高壓PT柜1臺、高壓PT柜1臺、高壓隔離開關柜4臺。 FC濾波器（H3、H5、H7、H11濾波回路）內容包括： 濾波電容器4組（電容器外配熔斷器、內接放電電阻）、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）內容包括：TCR相控閥1套（采用水冷系統）、主電抗器1套（空心、三相平放）、水冷系統1套、保護裝置若干。控制系統包括：TCR相控閥控制系統（采用西門子的SIMADYN——D數控系統）、觸發系統（高低壓光電隔離，脈沖觸發和BOD保護）、繼電保護系統（包括FC、TCR系統的各種保護）。 2.2、I段母線FC+TCR型SVC的補償原理 FC+TCR裝置由3部分構成：FC濾波器、TCR相控電抗器和控制保護系統，系統框圖如圖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：提供系統所需要的容性無功功率、濾除負載及TCR系統本身所產生的諧波。TCR相控電抗器用于平衡系統中由于負載的波動所產生的感性無功功率，該相控電抗器應完成以下兩個任務：提供系統所需要的感性無功功率、穩定負載沖擊所產生的電壓波動。控制保護系統包括兩個方面：一方面為整個系統的保護控制；另一方面為相控電抗器的調相控制。 [ALIGN=CENTER] 圖1 FC+TCR補償原理圖[/ALIGN] TCR的基本結構就是由晶閘管構成的可控閥體與電抗器串聯，采用三角形聯結。這樣的電路并聯到電網上，就相當于電感負載的交流調壓電路的結構。吸收的諧波電流和無功功率隨著控制角α的增大而減小，實現調節無功功率的目的。負載的變化由TCR所產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，此常數感性無功功率被FC的容性無功功率相抵消，最終使得電網的功率因數保持在設定值如0.95附近。 （1）FC濾波器 FC濾波器是在并聯電容器上串聯濾波電抗器構成的，根據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構成，三相接線采用三角形聯結，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由兩部分構成：FC濾波器和控制系統。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：提供系統所需要的容性無功功率及濾除負載所產生的諧波。控制系統為整個系統提供繼電保護。 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要求，既能保證有效的諧波濾波，又可以防止與電網的背景諧被產生諧振。 2.4、無功補償及諧波濾波系統的容量計算 （1）諧波計算理論依據 1）電動機額定容量 式中K[SUB]Uu[/SUB] ——變壓器電壓計算系數，取1： K[SUB]1[/SUB] ——變壓器電流計算系數，12脈沖取0.789； K[SUB]t[/SUB] ——電動機過載倍數，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（三角形聯結） （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，日前在世界范圍內被廣泛運用，國內像清華大學、中國電力科學研究院等電力系統權威機關在使用。采用仿真技術的優點是：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指標，經過調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，對裝置的設計質量起到了保證作用。 1）I段母線FC+TCR型SVC系統 裝置投入運行后的平均功率因數按0.95計算，則裝置的技術參數選定如下：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按0.92計算，則裝置的技術參數選定如下：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 根據諧波計算理論，對設備容量進行了計算，具體數值如下。 粗軋4500 kW×2=9000 KW，過載倍數取2.5。 精軋4009kWx3+3500kWx3=22509 kW 過載倍數取1。 總視在容量S[SUB]N[/SUB]為66844 KVA。 基頻電流 諧波含量 由于系統三相對稱，所以3次諧波含量很小，取60A。 TCR二角形聯結，總容量28.8 Mvar。 諧波計算 總諧波電流 無功功率裝置總容量為36 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，品質因數取5。 [ALIGN=CENTER]表1 萊鋼1OKV I段母線SVC裝置參數計算 [/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）功率因數為0.95 （4）II段母線濾波裝置的結果對比 對于交直交變頻負載，因其功率因數很高，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動，負載共計約7300 kW。計算結果如表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裝置參數計算采用濾波裝置前后的結果： [/ALIGN] 1）諧波電壓總畸變率 濾波前（超標） 濾波后（達標） 2）注入系統殘余諧波電流 3）功率因數為0.95 （5）I段母線保護及控制系統 裝置的保護及控制系統包括兩個方面：第一為整個系統的繼電保護擰制：第二為相控電抗器的調相控制。繼電保護控制及觸發信號的轉換由保護控制柜來完成，相控電抗器的調相控制及TCR系統的保護由西門子的SLMADYN——D數控系統來完成。 繼電保護系統采用PLC為中心控制器，對FC濾波裝置及電剛參數進行監控，同時完成相控觸發信號的整形、放大和轉換，最終以光信號輸出給品閘管開關主柜。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。 當有故障產生時按下列方式動作：當出現輕故障時，首先報輕故障，該輕故障持續定時問后報重故障；當有重故障產生時，自動停機，蜂嗚器報警，顯示板顯不故障狀況。重故障信號產生后，即使故障排除了，顯示板仍繼續報警，直到手動復位為止。 3、結論 系統采用動態無功補償及諧波濾波技術，在投運后運行狀況良好，控制精度高，操作方便，運行穩定可靠，干擾小，很少出現問題，對電網的傷害很小。I段10kV母線電網上安裝SVC系統，可以連續調節無功補償量，動態響應速度快，解決了R[SUB]1[/SUB]初軋機對電網的劇烈沖擊，穩定電網電壓，濾除諧波，可以充分發揮SVC的優勢，使I段10kV電網的功率因數保持在整定值0.95以上。軋機在生產過程中，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段母線的功率因數補償指標設計為0.92。 在投運后，沒有因為電網的擾動原因造成停機，電網的工作很正常，減少了可能由于停機而帶來的損失，創造了很大的經濟效益。