（电气工程专业论文）包钢特殊负荷对配电网影响的研究及其治理.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 轧钢机生产线的电气传动采用晶闸管可控整流，带动轧钢直流电动机，因 而轧钢机是一个典型的谐波源，在生产过程中，产生大量的谐波，同时消耗大 量的无功功率，使电能质量恶化。本文通过比较现有的几种无功补偿和谐波治 理技术，选择采用目前比较先进的静止无功补偿装置s v g + f c 的方式为包钢某 轧钢机生产线设计了无功补偿和谐波治理技术方案，选用合适的控制策略设计 模型并进行仿真，仿真运行的结果证明了该模型具有很好的补偿效果，提高了 用电功率因数，使谐波含量明显减小，满足国标规定要求。 关键词：轧钢机、无功补偿、谐波、s v g a b s t r a c t t h ed cm o t o ro ft l l er o l l i n gs t e dp r o d u c t i o nl i n ei s s u p p l i e db ym em y d s t o 卜 r c c t i f i s o l ec o l dr o l l i n gm i l li sat y p i c a l lh a m o i l i cs o u r c e h 锄o i l i c sa r ep r o d u c e d a n dal o to fr e a c t i v ep o w e ri sc o n s u m e dw h e ni ti sw o r k i i l 易i tr e s u l t si nm eh e a 、7 p o l l u t i o no fp o w e rs y s t e i n m 锄y l 【i i l d so fr 船c t i v ep o w e rc 0 珥i e l l s 撕o n 锄dh a n n o l l i c 6 l 矧n gm 如0 d s 黜咖t e d i nn l ep a p e r am e t h o do fs 硼c g c 芏l 鼬r 趾df c a 托u s e di nm er 0 1 l i n gs t e e lp r o d u 舐o n1 i n eo fm eb t s t e e l ，t l l em o d e li sd e s i 印e d 、) l r i n l a 艄p r i a t ec o n 缸d ls 臼r a t e g y 舡l ds i i n u l a t e d t h er e s u l t sp r o v l l ee m c i e n c yo f 也e m e t l l o d t h ep o w e rf a c t o ri si 1 珥，f o v e da 1 1 d 廿l eh 锄o n i c si sl i i i l i t e d l d e rm en a t i o n a l s t a n d a r d 、l lb a o g u i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i ug u a n q i k e yw o r d s ：r o l l i n gs t e e l ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，h a r m o n i c ，s v g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包钢特殊负荷对配电网影响 的研究及其治理，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：少8 、lz 。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：叠主玺 导师签名： 日期： 秦硼虫 - 。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 论文背景及意义 第一章绪论 电网中的电力负荷如交流电动机、变压器等，大部分属于电感性负荷，在运行 过程中电源需要向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器、同步 调相机等容性设备以后，可以提供感性电抗所消耗的部分无功功率，减少电网电源 向感性负荷提供的无功功率，也即减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低 电网因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件，这种做法称为无功补 偿。无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的节能降损措施。 无功补偿和谐波抑制有着密切的联系，电力电子设备或者大功率可控整流装置 所产生的高次谐波可能导致无功补偿电容器组产生过电流，或放大谐波电流，使电容 器因为过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也可能造成过负荷或过电压击穿，所以 无功补偿包括对基波无功功率和谐波无功功率的补偿是很重要的。大型轧钢生产线 产生的高次谐波和冲击性的无功功率，对电网的影响很大，一般都要装设专门的无 功功率补偿设备，这些无功功率补偿设备在补偿基波无功的同时也能进行电网谐波 的补偿。但是必须经过专门的设计，从而使两种补偿的目的进行协调，达到“一石 二鸟”的目的。如果设计不当，有可能导致谐波放大和影响电网的安全。谐波抑制 和无功补偿是电力系统自动补偿装置必须同时兼备的功能。 轧钢机生产线的电气传动在国内还广泛采用晶闸管可控整流方式，由6 脉动或 等效1 2 脉动变流设备带动轧钢直流电动机，这种方式具有控制特性好，造价低， 整体上高效节能等优点。但是晶闸管可控整流电路是一个非线性的冲击性负荷，工 作中产生流入电网的高次谐波电流，同时消耗大量的无功功率。谐波电流在电网阻 抗上产生谐波电压，引起电网电压波形发生畸变，影响供电系统的电能质量以及电 网的运行安全【l 】。另外轧机运行工况复杂，冲击性强，电网进线上的功率因数变化 较大，自然功率因数很低，使线路损耗及电压偏移增加，会对电网和钢厂本身电气 设备产生不良的影响。因此需要对轧钢机生产线进行无功补偿和滤波，以改善电能 质量，提高功率因数。 1 2 国内外研究动态 目前电力系统中的无功补偿装置主要可以分为静止无功补偿器和静止无功发 生器。 早期无功补偿设备的典型代表是同步调相机，同步调相机或同步补偿器实质就 是同步电动机，当其励磁电流变化时，电动机可随之平滑地改变输出无功电流的大 华北电力大学工程硕士学位论文 小和方向，对电力系统的稳定运行很有好处。但同步调相机或补偿器成本高，安装 复杂，维护工作量大，因此其应用受到限制。设置无功补偿电容器是补偿无功功率 的传统方法之一，目前在国内外得到广泛应用。这种方法有集中补偿、分组补偿、 就地补偿三种方式。并联电容器补偿无功的方法是简单经济、灵活方便，但缺点是 只能补偿固定无功，无法跟随快速变动的负载进行调节，还有可能与系统发生谐波 放大甚至并联谐振。为了防止电容器与系统阻抗形成并联谐振，一般都需要串联一 定比例的电抗器，限制谐波，防止谐波放大。随着电力半导体器件和电力电子应用 技术的发展，有望能很好地解决这些问题。静止无功补偿装置就是能够进行快速跟 踪负载变化的动态无功补偿装置。目前，在中低电压范围，应用比较广泛的静止无 功补偿装置主要有以下两种【2 】f 3 】【4 l ： ( 1 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 在工程实际中一般将电容器分成n 组，每组都可由晶闸管投切，这样可根据电 网的无功需求，动态投切不同组数的电容器。实际上就是阶梯式可调的吸收无功功 率的动态无功补偿器，虽然不能连续调节无功，但运行时不产生谐波，而且损耗较 小。 ( 2 ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 晶闸管的触发延迟角有效移相范围为9 0 0 1 8 0 0 ，触发延迟角在9 0 0 1 8 0 0 之间 时，晶闸管在一个周波内为部分导通，导通角永1 8 0 。，增大触发延迟角的效果就 是减小电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效感抗，因而减小了其吸收的无 功功率。t c r 的响应时间小于一个周波，可连续调节无功输出，但其电流中含有一 定的高次谐波。单独的t c r 由于只能吸收感性无功功率，因此往往与电容器并联 使用，当与固定电容器组并联配合使用时，称为t c r + f c ，其不足是除全输出情况 外，t c r 工作时都会产生谐波电流，因而常把电容器串联一定的电感接成滤波器形 式。当电容器的投切开关为晶闸管时，又称为t c r + t s c 型静止补偿器。 一般说，需要对无功进行连续和快速控制的地方，都可以装设静止补偿器。以 满足以下一个或多个要求： ( 1 ) 改善电压调整； ( 2 ) 提高静态和动态稳定； ( 3 ) 降低过电压； ( 4 ) 减少电压闪烁； ( 5 ) 阻尼次同步振荡； ( 6 ) 减少电压和电流的不平衡； 以上几种都是在电力系统中已经广泛得到实际应用的无功补偿装置，即静止无 功补偿器( s v c ) 。 随着电力电子技术的快速发展，已使得电力系统的无功补偿可以采用等效电源 2 华北电力大学工程硕士学位论文 的概念进行设计，这即是新近发展起来的静止无功发生器s t a t c o m 。 s 吖汀c o m 是柔性交流输电系统( f a c t s ) 的核心装置和核心技术之一。在电 力系统中的作用是进行无功补偿，维持连接点的电压为给定值，提高系统电压的稳 定性，改善系统的稳态性能和动态性能。s 几玎c o m 是基于瞬时无功功率的概念和 补偿原理，采用全控型开关器件组成自换相逆变器，辅之以小容量储能元件构成无 功补偿装置【1 2 l 。与现有的静止无功补偿装置( s v c ) 相比，具有调节速度更快、运 行范围更宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低于所用电抗器和电容器容量及安 装面积大为降低等优点。 采用电力电子半导体变流器实现无功补偿的思想早在2 0 世纪8 0 年代初就已提 出，1 9 8 0 年日本三菱公司研制出第一台j o m v as 仉订c o m ，引起各国电力工业界的 重视。1 9 8 7 年美国西屋电气公司研制成功了1 m v a 采用g t o 晶闸管的s 仉盯c o m 实验装置，并成功地进行了现场试验。到9 0 年代取得突破性的研究进展，1 9 9 1 年 和1 9 9 4 年日本和美国分别研制成功一套8 0 m v 打和一套1 0 0 m v a r 的采用g t o 晶闸 管的s 玑玎c o m 装置，并最终成功地投入商业运行。1 9 9 9 年7 月，美国华盛顿州的 s e a 钍i e 钢铁公司安装了一个5 m v a r ，4 1 6 k v 静止无功补偿器( s n 盯c o m ) 。该装置 已于2 0 0 0 年2 月完成最后的试运行，并已投入工作。该装置的主要目的之一就是 补偿4 0 0 0 马力碾碎机马达的电压闪烁补偿问题。在碾碎机马达运行中，这种 s t a t c o m 技术提供了快速的补偿响应速度。它克服了s v c 体积大和费用高的不足。 用于电弧炉补偿的最大s 仉盯c o m 综合装置1 9 9 8 年安装的，它位于t e x a s 。该系 统包含了一个8 0 m v a r 的s n 盯c o m 、以及6 0 m v 打的电容器组。通过使用得出的 结论是：该系统的响应速度( 1 m s ) 较s v c ( 4 5 m s ) 快；比s v c 更能有效的减少 闪烁；在容量相同的情况下，s 仉盯c o m 综合系统所产生的谐波比s v c 少；s t a t c o m 综合系统的尺寸可减少5 0 ；不仅能够提供感性和容性无功功率，并能提供系统所 需的有功功率，但s v c 是绝不能提供有功功率的；该s n 订c o m 综合系统的费用比 s v c 的费用减少了4 0 。1 9 9 9 年3 月清华大学与河南电力局共同研制的用于2 2 0 k v 电网的2 0 m v r a r s m 盯c o m 在河南电网成功投入运行，2 0 0 1 年2 月国家电力公司电 力自动化研究院也将5 0 0 k v a rs t a t c o m 投入了运行f 1 3 】【1 4 】【l 引。 1 3 本论文主要研究内容 轧钢机生产线的电气传动采用晶闸管可控整流，带动轧钢直流电动机，这种方 式具有控制特性好，整体上高效节能等优点。但是晶闸管可控整流电路是一个非线 性的冲击性负荷，产生流入电网的高次谐波电流，同时消耗大量的无功功率。谐波 电流在电网阻抗上产生谐波电压，引起电网电压畸变，影响供电质量及运行安全。 另外轧机运行工况复杂，冲击性强，电网进线上的功率因数变化较大，自然功率因 3 华北电力大学工程硕士学位论文 数很低，使线路损耗及电压偏移增加， 影响。要提高轧钢机的用电功率因数， 波和无功补偿。 对电网和钢厂本身电气设备均会产生不良的 改善电能质量优化用电环境需要对其进行滤 本文在比较各种无功补偿方法的基础上，对s v g 设计的相关理论进行了深入的 研究，并结合实际工程设计经验，对s v g 设计过程进行了系统的分析，以m a t l a b 软件为开发平台，初步完成了s v g + f c 模型应用在包钢配电网系统结构的仿真。论 文的研究工作将具体在以下几个方面展开： l 、对包钢配电网拓扑结构及实际运行情况进行了简要介绍； 2 、对电能质量的国家标准进行深入分析，评估非线性负荷、冲击性负荷及不 对称负荷等干扰性负荷对公用电网电能质量的影响，这是各种干扰性负荷被允许接 入公用网的依据； 3 、对几种典型的无功补偿及谐波治理方案进行了简要的介绍，并详细的介绍 了s v g 的原理及其控制策略； 4 、以m a t l a b 软件为开发平台，初步完成了s v g + f c 模型应用在包钢配电网 系统结构的仿真，结果表明该模型能有效的改善轧钢机高压入口处的电能质量，提 高功率因数，有效滤除谐波。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章冲击性负荷对配电网电能质量影响的评估 2 1 冲击性负荷简介【5 】【6 】【7 】【3 】 供电系统中的电压波动问题主要是由大容量的具有冲击性功率的负荷引起 的，如变频调速装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和大型轧钢机等。当系统的短路容 量较小时，这些非线性、不平衡冲击性负荷在生产过程中有功和无功功率随机地或 周期性地大幅度变动，当其波动电流流过供电线路阻抗时产生变动的压降，导致同 一电网上其它用户电压以相同的频率波动，危害其它馈电线路上用户的电气设备， 严重时会使其它用户无法正常工作。由于一般用电设备对电压波动敏感度远低于白 炽灯，通常选择人对白炽灯照度波动的主观视感，即“闪变”，作为衡量电压波动 危害程度的评价指标。 冲击负荷对系统的影响主要是造成频率下降及网络节点电压的波动。由于冲击 负荷的陡然变化，随机地从系统中吸取电磁功率，为维持机电功率平衡，调速系统 开始动作，而由于调速器的滞后效应，这种平衡只能首先由释放贮藏在发电机中的 转子能量来达到，从而造成发电机转子减速，系统频率下降，功率的波动势必引起 网络各节点电压的变化。 钢铁企业规模一般较大，耗电量较多，连续生产的设备多，负荷比较集中， 负荷率较高，同时由于存在电炉、轧钢、炼钢等特殊工艺，易产生冲击性负荷及高 次谐波。钢铁企业中大容量冲击性负荷存在如下特点： ( 1 ) 负荷受气候影响不大，而主要取决于生产工况的变化，实时波动大，人 工干预大，负荷急剧上升或下降的点比较随机，难以精确预测。 ( 2 ) 负荷有功、无功短期内都呈现出无规律的冲击变化，但是从长期来看， 存在一定的周期性。 ( 3 ) 负荷容量大，其容量变化对区域电网的联络线功率影响很大。大容量冲 击性负荷特性的功率变化速度快、变化量较大，对于地区电网的线路潮流和联络线 安全影响很大。 ( 4 ) 由于轧钢等生产作业产生的巨大冲击负荷对生产和系统供电都会有影 响。冲击负荷对系统的影响主要是造成频率下降及网络节点电压的波动。由于冲击 负荷的陡然变化，随机地从系统中吸取电磁功率，为维持机电功率平衡，调速系统 开始动作，而由于调速器的滞后效应，这种平衡只能首先由释放贮藏在发电机中的 转子能量来达到，从而造成发电机转子减速，系统频率下降，功率的波动势必引起 网络各节点电压的变化。 大型冶金企业有连轧机组，可将很厚的钢板碾成很薄的钢板。连轧机组由粗轧 华北电力大学工程硕士学位论文 机架和精轧机架组成。粗轧机架一般由2 4 台粗轧机组成，精轧机架般由5 7 台 精轧机组成。单台轧机有三个运行阶段：初期、稳定期和空载期。初期为低速咬钢 和带钢加速，这时无功功率最大，呈三角波形变化，但时间短，反映的冲击能量值 有限。之后无功功率下降，进入稳定轧制期问，持续时间视钢板长度和轧机上下辊 转速而定，一般为几十秒。通常将轧机的工作运行简化成两个阶段，如下图所示： q(mv砷q(mv砌 7；l 1、。l j - f ( s ) 图2 1 单台轧钢机的无功功率变化图及其简化图 轧钢机的电气运行特性有： ( 1 ) 无功冲击大。单台轧机在轧制期间的平均功率因数大约为o 6 0 8 ，无功 变化可引起p c c 点附近电压产生波动和闪变。单台粗轧机的无功冲击大过单台精轧 机。 ( 2 ) 有功冲击大。单台粗轧机的有功冲击大过单台精轧机。 ( 3 ) 三相电流平衡。传动设备本身是三相平衡负荷。 ( 4 ) 产生特征谐波电流和非特征谐波电流。 若供电电压三相平衡且对称，对于三相6 脉动桥式晶闸管变流或变频装置，将 在整流变压器二次侧产生5 、7 、1 1 、1 3 二次谐波电流。单台轧机由上辊轧机和下 辊轧机组成，两台轧机由容量相同，工作特性相同的两套三相6 脉动桥式晶闸管变 流或变频装置，且为其供电的整流变压器连结组别分别为y ”0 和y d 1 1 ( 即相角差 3 0 。) ，这样就构成一三相1 2 脉动晶闸管变流或变频装置。 y y n o 接线的整流变压器二次侧谐波电流的傅立叶分解为： 扛厄( s i i l 研一兰咝一兰业+ 堕堕+ 兰! 塑) ( 2 1 ) 一 571 11 3 y d l l 接线的整流变压器二次侧谐波电流的傅立叶分解为： f - 瓦( s i n 国h 兰堕+ 堕丝+ 兰业! + 堕堕+ ) ( 2 2 ) 57ll1 3 式中，乃一交流基波线电流有效值。 那么在整流变压器一次侧就只存在1 1 ，1 3 次谐波电流。 符合谐波次数h = k p 1 ( p 为脉动数，k 为自然数) 的谐波电流称为特征谐波电流， 其理论值为： 厶= ( 2 3 ) 实际产生的谐波电流量要比上式的计算结果小。 由于下列原因，变流装置还会产生2 、3 、4 次非特征谐波。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 控制角误差； ( 2 ) 负荷不均匀( 如1 2 脉动由2 组负荷不相等的6 脉动变流装置并联) ； ( 3 ) 交流三相阻抗不对称； ( 4 ) 移相角不完整( 如2 4 脉动变流装置移相角在调节电压分节点时不等于1 5 。) 。 2 2 包钢配电网情况简介 包钢轨梁厂百米长轨改造项目作为重点项目正在紧张的建设之中，全年产钢轨 型钢9 0 万吨，用电设备的总装机容量约为5 4 4 m w ；其中主传动为交一交变频传动， 装机容量约为1 7 5 m w ；部分辅传动为交一直一交变频传动，装机容量约为1 9 7 m w ； 其余的设备为恒速传动设备，设备装机容量为1 7 2 m w 。 本项目新建l o k v 开关站一座，开关站的1 0 k v 系统采用单母线分段接线，分段 开关正常时断开运行，以1 0 k v 电压等级向轨梁轧线的主、辅传动及公辅设施的用 电设备供电。其中变频传动设备全部由1 0 k vi 段母线供电；其余的负荷由l o k vi 、 i i 段母线分别供电。这条生产线平均有功功率为3 0 3 9 m w 、平均无功功率为 3 3 8 4 m v a r ，功率因数仅为o 6 7 ；而且这套轧线为往复式轧制工艺，其无功冲击较 大；同时，注入系统的谐波电流超标。新建1 0 k v 开关站的电源来自5 l f 变电所，5 1 群 变电所承担着轨梁厂、无缝厂、天诚高线、初轧厂、管加工、友谊轧钢厂和一中型 等多家轧钢单位的供电任务。这条生产线的谐波治理和无功补偿具有深远意义，其 具体负荷和电压波动如下表： 表2 1 轨粱厂百米长轨改造项目负荷和电压波动值 平均有功平均无功 最大有功最大无功母线电压 项目功率功率功率功率波动 ( m w )( m v a r )( m w )( m v a r ) ( ) 主传动1 2 2 5 1 2 5 01 7 8 02 0 1 7 l o k v 变频辅传动 1 2 7 61 6 2 81 2 7 61 6 2 8 6 ( 允许 i 段 恒速辅传动 3 9 63 4 93 9 6 3 4 9 值为2 ) 母线 合计 2 8 9 73 2 2 72 8 9 7 3 2 2 7 p x 0 9 ，q x 0 9 3 2 6 0 73 0 0 12 6 0 73 0 0 1 1 0 k v 恒速辅传动4 7 94 1 24 7 9 4 1 2 i i 段0 母线 p x o 9 ，q x o 9 3 4 。3 13 8 34 3 1 3 8 3 总计 3 0 3 93 3 8 43 5 9 44 1 5 l6 本1 0 k v 系统供电容量按5 0 m v a 考虑，本生产线协议用电量按3 0 m v a 考虑， 注入5 1 j | 变电所l o k v 母线的5 次、7 次、1 1 次、1 3 次和1 7 次谐波电流均超标。电 能质量的超标势必引起如下后果： ( 1 ) 低功率因数运行将增加输变电设施的运行电流，后果有两种：其一、将 引起输变电设施过载，且因传输大量无功电流而降低有功电能的传输容量，造成电 华北电力大学工程硕士学位论文 气设备运行效率低、损耗大；其二、功率因数低于国标要求0 9 ，将被供电局处以 高额罚款( 月电费7 7 7 6 万元，月罚款5 0 5 万元) 。 ( 2 ) 无功冲击较大表现在母线电压上就是电压波动较大。1 9 9 3 年初轧厂交一 交变频大电机投运同期，引进了前苏联的动态无功补偿装置，但投运不久就因事故 频繁发生而退出运行，大电机装机2 5 0 0 0 k w ，冲击负荷达3 0 0 0 0 k v a ，如此大的 无功冲击导致其他轧钢厂不能与其共用一台主变供电。现在5 1 j f 变电所5 0 0 0 0 k v a 的3 挣主变专供初轧交。交变频大电机，显然3 撑主变的容量未得到有效利用；第二个 较典型的事例是连轧钢管厂没有设计和投入动补装置，该厂投产后，电压波动超标 严重，导致天诚高线有限公司和连轧钢管厂不能由一台主变供电，而只能采取两台 6 3 0 0 0 k v a 大型主变分别供电的方式。天诚高线和连轧钢管厂总负荷约3 0 0 0 0 k w ， 显然，电力设施负荷率小、利用率低而且系统运行方式不灵活、检修困难。 ( 3 ) 谐波电流超标将对各种电气设备，对继电保护、自动装置、计算机、测 量和计量仪器以及通讯系统均有不利的影响；将恶化电能质量，降低电网可靠性， 增加电网损失，缩短电气设备的寿命，在有些情况下还使产品的质量下降，数量减 少。过去，棒材生产线与初轧厂大电机公用5 l j f j 变电所3 j | l 主变供电时，棒材生产的 产品的质量和数量明显下降，为此将棒材生产线负荷转至l 群、2 f 主变。轨粱厂9 5 0 轧机改为交交变频后，未装设动补装置，导致5 1 撑变电所系统电能质量下降，曾多 次发生电缆放炮、避雷器爆炸、电抗器爆炸、电机端头绝缘击穿和电机转子温升、 震动超标的事故，而且大量谐波的存在还使设备绝缘逐渐下降、使用寿命缩短。 从上述的计算结果和分析来看，如果轨梁厂百米长轨改造工程动补装置不同时 投产，必然形成两种后果：第一，这条生产线的正常生产和设备的稳定性将受到自 身的严重影响，这一点在薄板调试期间，即动补装置未投的情况下已得到一些验证 一工控机频繁死机，调试无法进行；第二，无缝厂、天诚高线有限公司、棒材厂和 管加工厂等单位因采用先进的工控机和变频设备，其生产和设备也将受到严重影 响，甚至无法正常生产。 针对上述危害，较全面的技术措施就是在谐波源处即轨梁厂主电室1 0 k v 母线 并联装设动态无功补偿装置。动态无功补偿装置虽投资较大，但实际意义深远，其 运行的成败将直接影响到轨梁厂百米长轨改造项目的顺利投产和其他轧钢厂的正 常生产。 2 3 冲击性负荷对配电网的影响 轧钢机生产线的电气传动采用晶闸管可控整流器一直流电动机组。直流电动机 调速是一种比较传统的调速方式，它具有调速精度高，技术成熟、价格较低的优点， 其缺点是维护工作量大，调速运行时会产生谐波污染，功率因数较低。可控整流器 华北电力大学工程硕士学位论文 是一个典型的谐波源，在生产过程中将消耗大量无功并产生大量谐波。为了对其进 行无功补偿和谐波治理，本章主要介绍轧钢机生产线的电气参数，进行理论计算和 现场实际测量，在此基础上进行了滤波和补偿容量的计算和选取并确定补偿控制方 式。 2 3 1 生产线供电系统参数 轧钢机生产线电气部分高压采用交流1 0 k v 供电，低压主传动电机驱动电源为 0 6 9 k v 和0 4 6 k v 。其中整流变压器六台，容量分别为：4 0 0 0 k v a 两台、3 4 0 0 k v a 两 台、1 6 0 0 k v a 一台、1 5 0 0 k v a ( 0 4 6 k v ) 一台。动力变压器两台，容量分别为：1 2 5 0 k v a 一台、2 0 0 0 k v a 一台。考虑到动力变压器负载为普通交流负载，不产生严重谐波， 因此重点设计整流变压器的滤波兼补偿。表2 2 表示轧钢机机组工作过程的典型工 艺参数。 表2 2 轧钢机典型工艺参数 道 入口 出口 压下压下后张前张 平均单主电 次厚度厚度扎速位压力机功 量率力 力 口塞 1 m mm mm mn l m i ntt k m m k w 12 51 6o 93 64 0 081 66 6 7 73 4 1 6 21 61 00 63 7 56 0 01 61 6 2 58 5 0 64 8 1 6 3 1 00 70 33 06 0 01 6 2 51 5 7 59 2 2 4 3 0 8 5 40 70 5 5o 1 52 1 48 0 01 01 01 0 0 4 63 0 7 5 50 5 50 5o 0 599 0 01 01 09 1 82 0 8 8 为整流器供电的各变压器参数如下所示： t 1 变压器( 主轧机上辊) 变压器容量：4 0 0 0 k v 2 0 0 0 k v 2 0 0 0 k v a 联结组标号：d d 0 ，d v l l 电压变比：1 0 2 2 5 o 6 9 k v 变压器型号：z s 4 0 0 0 1 0 t 2 变压器( 主轧机下辊) 变压器容量： 联结组标号： 电压变比： 变压器型号： t 3 变压器( 左、右卷取机) 变压器容量： 4 0 0 0 k 1 、乃v 2 0 0 0 k 、v 2 0 0 0 k 、，a d d 0 ，d y l l 1 0 2 2 5 0 6 9 k v z s 4 0 0 0 1 0 3 4 0 0 k v a 1 7 0 0 k v 1 7 0 0 k v a 9 华北电力大学工程硕士学位论文 联结组标号： d d o ，d y l l 电压变比： 1 0 2 2 5 0 6 9 k v 变压器型号： z s 一3 4 0 0 1 0 t 4 变压器( 左、右卷取机及开卷机) 变压器容量：3 4 0 0 k v a 联结组标号： d d o ，d y l l ，d y l l 电压变比： 1 0 2 2 5 0 6 9 k v 变压器型号： z s 3 4 0 0 l o t 5 变压器( 轧机动力负荷) 变压器容量： 1 2 5 0 k v a 联结组标号： d ，y 1 1 1 1 电压变比：1 0 2 2 5 o 4 k v 变压器型号： z s 1 2 5 0 l o t 8 变压器( 平整机、卷取机) 变压器容量： 1 6 0 0 k v a 联结组标号： d d o ，d y l l 电压变比： 1 0 2 2 5 0 6 9 k v 变压器型号： z s 1 6 0 0 1 0 t 9 变压器( 开卷机及张紧辊) 变压器容量： 1 5 0 0 k v a 联结组标号： d ，y 1 1 电压变比：1 0 2 2 5 吲0 4 6 k v 变压器型号： z s 1 5 0 0 l o t 1 2 变压器( 酸洗动力负荷) 变压器容量： 2 0 0 0 k v a 联结组标号： d ，y n l l 电压变比： l o 2 2 5 o 4 k v 变压器型号： z s 2 0 0 0 1 0 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 3 主要负荷列表 序号设备名称电压等级数量电机功率 t 1主轧机上辊0 6 9 k v2 台2 1 2 5 0 k w 、6 6 0 v t 2 主轧机下辊 o 6 9 k v2 台2 1 2 5 0 k w 、6 6 0 v t 3 左、右卷取机 0 6 9 k v2 台2 1 0 0 0 k w 、6 6 0 v 左、右卷取机 0 6 9 k v2 台 t 43 1 2 5 0 k w 、6 6 0 v 开卷机0 6 9 k v1 台 t 5 轧机动力负荷 0 4 k v 若干 6 0 0 k w、6 6 0 v + 5 5 0 k w 、6 6 0v + t 8 平整机、卷取机 0 6 9 k v2 台 3 2 0 k w 、4 4 0v + 2 1 7 0 k w 4 4 0 v + 3 2 5 k w、 t 9 开卷机入、出口张紧辊 0 4 6 k v5 台 4 4 0 v + 1 7 0 k w 、4 4 0v 变频电机1 1 3 0 k w ， t 1 2 酸洗线动力负荷 0 4 k v 若干 其余交流电机 2 3 2 现场实际测量 轧钢机生产线所采用的整流器为典型的六脉动整流，该整流器为电网的谐波 源，其所产生的谐波为6 k 1 次奇次谐波。理论上如果在直流侧安装容量很大的平 波电抗器，则其交流侧的电流波形应为近似1 2 0 。的矩形波，如图2 2 所示。但是实 际的轧钢机生产线直流电机的平波电抗器比理论值要小很多，所以整流器交流侧的 电压电流波形畸变较为严重，电流波形应该为典型的双驼峰形。实际测量的波形为 图2 3 所示。 j 厂陬，厂弋。 弃- 2 老 一 图2 2 六脉动整流器理论波形 华北电力大学工程硕士学位论文 饿a 一 胜， i ，一一7 一 寸v 图2 - 3 轧钢机实测6 脉动整流电压电流波形 从图2 3 。可以看出电流波形为双驼峰型，而电压波形受电流的谐波影响也发生 了较大的畸变。采用傅立叶级数对上面的电流进行分解变换，结果如图2 4 所示， 可知电流波形含有6 k 士1 次高次谐波，即5 次、7 次、1 1 次等高次谐波。 ii i ll j1，#，e，1 0 1 z 】l 1 b1 ，l 1 盈d 口口抖a 品2 ，盈刁翔爿露珊j 尊捣，置l 硼d 嘲 图2 - 4 轧钢机实测电流频谱图 轧钢机生产线上主轧机和卷取机是其主要的负荷，也是主要的谐波源，现场测 量情况如下： 2 3 2 1 主轧机工况 在一次生产过程中，主轧机补偿前在轧制过程中实际测量的电压电流波形，如图 2 5 所示。电压基本稳定，无剧烈电压陷落和提升现象，波动维持在士5 之内，但由 于谐波含量较大，波形畸变严重，电压谐波总畸变率达到了1 1 7 9 。电流变化非常 大，在轧制过程中前几道负荷很重，电流平均为1 2 0 0 a 以上，最大电流达到1 4 8 9 a ， 后几道电流较小，平均为8 8 6 a 左右。 1 2 虿e r a 黼 啪 忡 雠 撇 一 礴 珊 瑚 m 舯 船 册 啦 罅 瓣 朝 辨 赫 吼 瓢 搬 巍 巍 镍 鞋 墨 ! 撼 掘 嚣 髯 啦 姒 磁 瑚 搬 獬 滩 挂 穰 。 置；薹￥lz 华北电力大学工程硕士学位论文 卜， ll 审瓜 ； l 二，舅。 l ，弋 一v 一i 峰t w h 墒ll 5 l i 。 ，一，一 一一r i ；i l 溢蕾，1 0 &! ；如，建匕蠲翟虹2 罐箍a 攘铂a 攫船 图2 5 实测主轧机电流电压波形 现场测量的有功、无功和功率因数的变化如图2 6 ，2 7 所示。在每一轧制道次 中，由于压下量固定，有功完全符合轧制工艺要求，基本稳定。无功量大于有功量， 功率因数过低。轧制过程中前几道平均无功量为1 0 5 0 k v a r ，最大无功1 3 9 4 k v - a r ；后 几道平均为7 2 9 k v 打。在轧制过程中功率因数基本稳定在0 6 左右。谐波电压主要为 特征次谐波，即5 、7 、1 1 、1 3 次，5 次谐波电压值达到7 8 。谐波电流5 次能达 到4 0 0 a ，占到基波电流的3 5 。 、a 越l 一 a | 无功一氏停切 p 一，1心，越 u r v 、f i 电鼋；簧 l a ， 甫功 ，1 外 、，1 坛一 t 一 l 1 。1 r v ； r 广一 j 7 ； 夏 ， k 歹 譬 、 】 3 3，罩；33 3j 强】，3 1 量嚣j 3；蔓搏l 譬 茹1 ，协站j 娃t l _ 鞲翊1 杈戤鼹z r ，宴z 建3 5 3 a 图2 6 实测主轧机电流、有功和无功 一s 董毒 伪 谁 疆 舒 b b b b 一 一 一 一 一 一 茎| 一 啡 盼 孵 瓣 聍 嗽 挪 獬 啦 撇 m a 0卯耋 呈t p ，a 辨 瓣 啦 0 0 0 0 髋 撕 | 萤 善 咖 刚 枷 i 善 蛐 华北电力大学工程硕士学位论文 蒌1 尊孵孵 妻e 跏 l 雠舶 月入 ， 、 j 垒 甙秦 功搴因数 ； 一 “ j 二- ，o fi 无写l 彳1 、f ；n 二7 ；u l 、一 l 有功 蓄曩僚警弼t 蒜碍蓄囊强蒜剪冲谣i ja 痞嚣蠹誓习 图2 7 实测主轧机有功、无功和功率因数 2 3 2 2 卷取机工况 卷取机在投入滤波和无功补偿装置前，在一次生产过程中电压电流波形如图2 8 所示。电压基本稳定，无剧烈电压陷落及提升现象，波动维持在士5 之内，谐波含 量较主轧机更大，电压总畸变率达到了1 4 4 2 。电流随主轧机的压下量变化，由于 存在逆变制动过程，电流与电压有不同相位的时段，波形畸变更为严重。实际运行 时测量的有功、无功和功率因数的波形如图2 9 ，2 1 0 所示。当卷取机用电时，消 耗有功，当处于反向制动时又向系统反送有功，在整流变中与另一绕组电机消耗的 有功抵消，大约剩余3 0 。无功量很大，在整个过程中占的比重更大，所以功率因 数更低，由于无功在变压器中无法抵消，使得整流变高压侧功率因数更低，甚至低 于o 1 。由于卷取机的运行状态剧烈变化，功率因数很低，而且变化剧烈。谐波电 压主要为特征次谐波，即5 、7 、1 l 、1 3 次，5 次电压值达到9 2 4 。谐波电流5 次 能达到2 4 2 a ，占到基波电流的5 0 。 i t l 彤 一：二i j 、l 1 譬臁：no _ v_ _ - 一一1 o n r 。r 。t i ? j 流；八 日 j 一 l， k 一4 一 |z k v f) 一 1 ， j 、 l| r ll ，k ，j3 03j 0j j3 j】j玉，j ， 3j 心j jj 3j ? e 蔫昂1 舌3 啻荔l 氏艏历l 昏骄西1 卜孵z 51 7 ：博2 51 ，葛拍1 ，强墨l 婚乃1 5 麓l & 日5 为1 采博弱1 8 糖2 s 豫溉拍 图2 8 实测卷取机电流电压波形 1 4 瑚 襄 嗽明l 4 舱的 口 -g盘i童 懈 慨 删 雌 哪 螂 o 0 9 a o o a n n 日 n e b n 稚 瓤 瓣 瓠 眩 旺 a i 5 i 2 ， 互鲁| 华北电力大学工程硕士学位论文 l 强口d t 口抽a d l 雌 吼讲 棚咀0 d 嚣f d i 挪i 2 n 无功 电流 备功 333 ，w”3 3- k”w w釉n3于33 j l 覆抽为坛冀子 龟艟为1 锯鲥5l t 峨石 7 恬嚣1 7 嚣苍们觑高 7 辐为1 7 5 唆2 5 5 瞻为攮搬墨 蠹毖巧i 童撤西 l 搬瑚 ，越峨0 b 蓑* 棚 镯i 日 锄 麓i 蜀b 蛳蠲 图2 9 实测卷取机电流、有功和无功 口a e t 口 8 咀氆 b 鼢氆 4 a l 棚 2 帕恤 l 一 飞 l一砥、 lfp l 。叹 y f v jf 一二、j ： 功；錾因数n ： 3v - 1 鹰 艘、j 百 l i|，。 一f、 l v y ” ，1 j ，： “ ， 1 1 ? |： 一 。 jl l li ，a l 有功 r i * 。 3 3) 】”孓3 03 t：) 33 3 ) 3 01 0 1 s ：6 西 袅霸2 5 博戢舀礴嚣历1 7 体西 t l s 2 51 p 憨为亿3 s 2 5 7 墙纂，豫镬8 蜓签铋e 蕊傈熬2 5 ，i 疆蕊 图2 1 0 实测卷取机有功、无功和功率因数 e 曲 j 1 图2 1 l 为运行过程中某段时间内的功率因数的变化趋势图，从图中可以清楚 的看出功率因数很低，一般在0 6 左右。 氛德 _ 曩辅 & 气 w帅们h p 卧艘如 、 o ：h 1 5 一sir口 fi每堇il互=至一l主 0*量bld fg茎；z苦妻一囊4 瓣 墓知塞 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 1 l 滤波和无功补偿前功率因数 从现场实际测量的情况来看，主轧机和卷取机在生产过程中消耗大量的无功， 产生高次谐波，功率因数很低，要改善电能质量，降低用电成本，需要对冷轧生产 线进行无功补偿和滤波，并且在不同的生产阶段消耗的无功是不同的，因此在补偿 过程中，需要分级投入无功补偿装置。 2 4 本章小结 本章首先对冲击性负荷进行了简要的介绍，轧钢机产生的巨大冲击性负荷对生 产和系统供电都会有影响，主要表现为运行时会产生谐波污染，功率因数较低。我 们对其轧钢机运行中的电流电压和有功无功等参数进行了现场测量，采集了现场的 资料为进行无功补偿和滤波装置的设计打下了基础，并且根据现场采集到的实际波 形情况，为接下来确定无功补偿和滤波装置的方案打下了基础。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章几种典型的无功补偿及谐波治理方案 3 1 并联电容器与调相机 3 1 1 并联电容器【9 1 并联电容器是电力网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备。它的特点是 价格便宜，易于安装维护。主要用作控制负荷功率因数之用，也可以做为无功功率 补偿调节的手段。并联电容器补偿无功功率方式有三种： ( 1 ) 集中补偿 电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6 一1 0 k v 母线上，用来提高整 个变电所的功率因数，它可以使该变电所在其功电范围内无功功率基本平衡，可以 减少高压线路上的无功损耗，而且提高本变电所的供电电压的质量。 ( 2 ) 分组补偿 将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或农村变电所内，也称为分散补 偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容量和范围相对小些。但是 分组补偿效果比较明显，采用得较为普遍。 ( 3 ) 就地补偿 将电容器组装设在异步电动机旁或感性用电设备附近，就地进行无功补偿。这 种方式既能提高负荷的功率因数，又能改善用电质量，对中、小型设备十分适用。 虽然并联电容器有许多优点，但它容量有限，而且它的输出无功功率与安装处 电压平方成正比： ，2 q = 争 ( 3 1 ) a c 1 式中：疋= 去一电容器电抗。 c c ，乙 当电压降低时，特别是由于故障而电压降低时，系统需要电压支持，而并联电 容器输出无功功率却急剧下降。 3 1 2 调相机1 1 】 调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，调节其励磁，既可以发出无 功功率，又可吸收无功功率，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得 到大量采用后，它退到次居地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因此，许 多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。同步调相机的优点是：在系统发生 故障引起电压降低时，同步调相机可提供电压支持，还可在短时间进行强行励磁， 华北电力大学工程硕士学位论文 对提高电力系统的稳定性有很大好处。在以下场合，同步调相机能起到良好的作用。 ( 1 ) 在接受远方大容量系统电源送电的弱系统中，可以在系统故障时提供电压 支持。 ( 2 ) 对于较弱的受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离输电线的中途， 装设同步调相机作为并联补偿，提供动态无功支持，提高送电容量和系统的稳定性。 ( 3 ) 高压直流输电出现后，为了对较弱的受电侧提供足够的短路电流和电压支 撑，也需要在交流受电侧装设足够容量的调相机。 以上说明，同步调相机作为一般无功补偿设