（电气工程专业论文）可逆型冷轧机谐波治理及无功补偿技术的研究.pdf

华北电力人学工程硕士学位论文摘要 摘要 为了解决可逆型冷轧机谐波治理及无功补偿的问题，本文分析了国内外有关谐 波与无功补偿研究动态，针对可逆型冷轧机运行时谐波电流比较大，功率因数比较 低且无功变化比较大的特点，设计了一套性价比较高的高、低压综合滤波及补偿装 置的方案，即用一套控制系统同时控制高压滤波装置( 采用真空接触器或真空断路 器) 和低压滤波装置( 采用晶闸管) 的投切。 经过现场运行和装置安装前后的测试，注入电力系统的谐波电流大幅度减少， 并且符合国标要求；功率因数能达到o 9 5 以上，并避免出现过补偿和欠补偿的现象； 实践证明，该滤波及补偿装置成本低且节能，适合大多数中小型企业应用。 关键词：谐波，无功补偿，高、低压综合滤波及补偿装置，可逆型冷轧机 a bs t r a c t i no r d e rt os 0 1 v et h ep r o b l e mo fh a n n o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc a u s e d b yr e v e r s i b l ec o l dr o l lm i l l ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h et r e n di nt h ew o r l da b o u tt h es t u d i e s f o rt h ep r o b l e m s ，r e c o m m e n d sas y n t h e t i cs c h e m eo fh i g h l o wv o l t a g ef i l t e r sa n d r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni n s t a l l a t i o nf o rt h es t a t u sw h i c hh a n n o n i cc u r r e n t sa r e l a r g e r ，p o w e rf a c t o ri sl o w e ra n dt h ev 撕e t yo fr e a c t i v ep o w e rn u xi sl a r g e rw h i l e r e v e r s i b l ec o l dr o l lm i l li sr u n n i n g i nt h i ss c h e m e ，ac o n t r o ls y s t e mi su s e df o rs w i t c h i n g o fh i g h v 0 1 t a g ef i l t e r s ( b yv a c u u mc o n t a c t o r so rv a c u u mb r e a k e r s ) a n dl o w v o l t a g e ( b y s c r ) a tt h es a m et i m e e l yf i e l dr u n n i n ga n dt e s t i n g ，t h i si n s t a l l a t i o nc a nr e d u c eag r e a td e a lo fh a m o n i c c u r r e n t sw h i c hi n je c ti n t oe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，a c h i e v et h eh a m o n i cv 0 1 t a g e sa n d c u r r e n t sm e e t i n gt h el i m i t i n gc r i t e r i o no fg b t14 5 9 3 t h ep o w e rf a c t o rc a nb em o r e t h e n0 9 5 t h eo v e fo ru n d e rc o m p e n s a t i o nc a nb o t ha v o i d i ti sp r o v e d b yp r a c t i c et h a t t h i si n s t a l l a t i o ni sa b l et os a v ee n e r g ya n dg e tal o w e rc o s t ，a n dm a yb ea p p l i c a b l ef o r m o s tm e d i u ma n ds m a l lp l a n t s s u iz h i p i n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c u ix i a n g k e yw o r d ：h 姗o n i c ， r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ， s y n m e t i ci n s t a l l a t i o nf o rl l i 曲& l o wv 0 1 t a g ef i l t e r 锄dc o m p e n s a t i o n ，r e v e r s i b l ec o l dr o l lm i l l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文可逆型冷轧机谐波治理及无功补偿技 术的研究，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： 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： 日期： 导师签名： 日期：坦璺，垒： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 谐波和无功功率对电能质量影响 1 1 1 谐波、无功功率、功率因数的概述 1 1 1 1 谐波及谐波源 供电系统中，用交流电压和交流电流的波形希望是正弦波形， u ( t ) = 2u s i n ( ( i ) t + q ) ( 1 1 ) u 一电压有效值 q 一初相角 一角频率( i ) - 2 仁2 厂r f l 频率 t 一周期 正弦电压施加在线性无源元件上，其电流和电压仍然为同频率的正弦波，当正 弦电压施加在非线性电路上，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生 压降，会使电压波形变为非正弦波。另外，非正弦电压施加在线性电路上时，电流 也是非正弦。 谐波主要是由电力系统存在的各种非线性元件产生的。对于周期t = 2 的非 正弦电压u ( t ) ，其频率为1 t 的分量成为基波，频率为大于l 整数倍基波频率的分量 称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。一般由于谐波频率高于基波 频率，因此也称谐波为高次谐波。 当然，在供电系统中的确存在一些频率不是整数倍基波频率的分数次波。一 般会在旁频处理时考虑。 所谓谐波源，通常是指各类特定的用电设备，即非线性用电设备。另外电力系 统中大量的变压器群和并联电抗器也是谐波源。以下设备产生高次谐波电流： ( 1 ) 三相电力电子装置( 主要类型是多相换流装置) 换流装置的脉动数p ，换流装置的特征谐波次数办c _ k p l 。如果p 为6 ，则换流 装置的特征谐波次数为5 、7 、1 1 、1 3 、1 7 、1 9 、2 3 、2 5 次谐波电流。常见的多相换流 装置的谐波源：冶金和化工企业中的电解装置，直流电弧炉，中频和高频感应电炉，整 流装置等。 ( 2 ) 电弧炉、精炼炉、铁合金炉、电石炉 电弧炉的谐波电流2 7 次比较大，其中2 、3 、4 、5 次谐波相对较大。 精炼炉的谐波电流3 、5 次比较大。 华北电力大学工程硕士学位论文 铁合金炉的谐波电流2 、3 、4 、5 次较大。 电石炉的谐波电流3 、4 次较大。 ( 3 ) 电气化铁道 电气化铁道的谐波电流3 、5 、7 次较大 ( 4 ) 变压器群 变压器群的谐波电流3 、5 、7 次，有些电网的背景谐波就来自变压器群。 ( 5 ) 市政生活用电中的谐波源 电视机，节能灯、高压纳灯、空调等，谐波电流3 次较大【1 】- 【3 1 。 1 1 1 2 无功功率 无功功率是电压与无功电流( 与电压成正交的交流电流分量) 的乘积。无功功 率在电力系统中占有重要的地位。 变压器和电动机都是具有电感的负载，是根据电磁感应的原理工作的，依靠磁 场传递、转换能量，磁场所具有的磁场能量由电源供给。用无功率说明电源向电感 负载所提供的磁场能量的规模。无功功率的大小表示了电源和负载电感之间交换能 量的幅度。 它描述了能量交换的幅度，而并不消耗功率：电感在一周期内的一部分时间把电 源吸收的能量储存起来，另一部分时间再把储存的能量向电源和负载释放。电源向 负载提供这种无功功率是阻感负载内在的需要，同时也对电源的输出带来一定的影 响。 1 1 1 3 功率因数 有功和无功功率的合成量，称为视在功率 s = 尸2 + q 2 = ( c o s ) 2 + ( 明s i n 矽) 2 = u i ( 1 - 2 ) s 一视在功率k v a p 一有功功率k w q 一无功功率k v a r 功率因数是有功功率与视在功率的比值，也就是电压和电流矢量夹角的余弦。 刚= 喜 ( 1 - 3 ) 由于有功率总是小于或等于视在功率，所以c o s 由l 。功率因数越低，消耗无 功功率越多，输送电力的有功功率损耗也越多。要提高功率因数，降低电力输送的 损耗就必须减少感性无功功率【l 】- 3 1 。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 2 谐波的危害和影响 谐波对公用电网和其他系统的危害和影响大致有以下几个方面【1 】【4 】： 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了大量的附加谐波损耗。由于输电线路、变 压器等电气设备的电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐 波电流使输电线、变压器、用电设备等的附加损耗增加，增大了电网的网 损。降低了发电、输电及用电设备的效率。同时大量的3 次谐波流过中线时 会使线路过热甚至发生火灾。 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外， 还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容 器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这 就使上述1 ) 和2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故【2 。 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准 确。 5 ) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通信质量：重者 导致通信系统无法j 下常工作。 1 1 3 无功功率的影响 无功功率的影响通常指基波无功功率的影响。无功功率对公用电网的影响主要 有以下几个方面： 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使 发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起 动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要增加。 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路 的损耗增加。 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，特别是冲击性无功功率负载，还会使电压产 生剧烈波动，使供电质量严重降低。在一般电网中，无功功率的波动引起电 网电压的波动。电动机在起动期间功率因数很低，这种冲击性无功功率会使 电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户设备无法正常工作。电弧 炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功冲击，严重影响电网供电质量。 4 ) 无功功率负荷波动很大，如电弧炉等要引发电网电压的快速变动及由此引起 人对灯闪明显感觉。 5 ) 如电弧炉等设备的三相无功功率负荷严重不对称，要引发电网三相电压严重 的不平衡，会严重影响邻近发电机、继电保护和自动装置的安全运行【1 1 【3 1 。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 4 可逆型冷轧机工作对电网的影响 可逆型冷轧机为典型的非线性负荷，运行时产生大量的谐波电流注入电网，降 低了电网的供电质量，影响系统中的其他用户，同时在运行中需要大量冲击性的无 功功率，引发很大的电压波动，会严重影响到该企业和邻近企业用电设备的正常运 行及其产品质量，因此供电部门必须根据“谁污染，谁治理”的原则，重视、督促 和指导企业进行谐波治理及无功补偿，以确保电网的供电电源及产品质量。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 谐波与无功补偿概述 谐波与无功是两个相对独立的问题，两者之间又有紧密的联系。电力系统中， 谐波的产生也影响系统的无功功率和功率因数，谐波治理装置，特别是无源滤波器 一般除吸收谐波电流外，也补偿基波无功。 人们很早就发现了电力系统中电压、电流波形畸变的问题，并同时对波形畸变 的原因及消除方法等开始进行研究。随着5 0 年代至6 0 年代高压直流输电( h v d c ) 技术 的发展，对换流器谐波的研究得到进一步深入，同时谐波问题越发得到重视【4 】。自 7 0 年代以来，随着电力电子等技术的飞速发展，各种有非线性负载大量地投入电网 运行，使电网中出现具有无功、谐波及三相不平衡现象，甚至给电力系统及用电设 备的安全经济运行带来威胁【5 】- 【6 1 。 由文献【7 8 】知，在正弦交流电路中，负载引起的电压、电流间的相位移导致电 能在电源与负载间的往复传输，这一现象被认为是无功功率的表征。电网中的无功 平衡对提高全网的经济效益、改善供电质量和增加系统稳定性至关重要。目前，电 网中绝大部分负荷需要消耗无功，这就要求系统提供一定量的无功，以支撑供电点 的电压。若系统中出现无功不足或倒送现象，会引起电压波动，影响电力系统安全 运行。 1 2 2 谐波治理与无功功率补偿的发展 1 2 2 1 谐波治理 谐波治理的主要措施：增加换流装置的相数或脉动数；改变谐波源的配置或工 作方式；增加系统承受谐波能力：避免电容器对谐波的放大；提高设备抗谐波干扰 能力，改善谐波保护性能；加装交流滤波装置( 无源l c 滤波器) ；采用有源滤波器 和功率因数变流器( p f c ) 等新型抑制谐波的措施【2 1 。目前研究方向主要为：电力 滤波器( 无源滤波器、有源滤波器) 及功率因数变流器【3 1 。 ( 1 ) 无源滤波器( l ch a m o n i cf i l t e r ) 可有效地抑制谐波，装置容量可以做得很大，可用于6 k v 、l o k v 、3 5 k v 、1 1 0 k v 4 华北电力大学t 程硕士学位论文 电压等级，同时考虑无功补偿从而改善功率因数和电压调整相应， 装置运行维护简单，成本较低，但需要专门设计。同时无源滤波器存在缺点， 如：滤波器效果好坏随系统参数变化而变化；设计不当时易出现滤波器过载现象。 ( 2 ) 有源电力滤波器( a c t i v ep o w c rf i l t e r ) 1 9 6 9 年b i r d 和m a r s h 等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统 中电流的谐波成分，这是有源滤波器( a p f ) 思想的萌芽【8 】。随后，g ”g y i l 等人的 工作完善了这一思想【9 1 。2 0 世纪8 0 年代由于大功率全控型功率器件的成熟，脉宽 调制控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流实时检测方法的提 出，使a p f 得以迅猛发展1 0 】【l l 】。目前，有源电力滤波器( a p f ) 主要分为串联型 a p f 和并联型a p f 。串联型a p f 适合补偿电压型谐波源，并联型a p f 适合补偿电 流型谐波源【1 2 】- 【13 1 。 有源滤波器的基本结构由谐波电流检测、控制电路、p w m 逆变器、直流电源 及注入变压器等部分组成。有源滤波器具有以下特点： ( a ) 该装置是一个谐波电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响； ( b ) 系统结构发生变化时，该装置不存在产生谐振的危险，不影响补偿性能； ( c ) 不存在过载问题。当系统谐波电流增大超过装置的补偿能力时，滤波器仍可 发挥最大补偿作用； ( d ) 对系统中各次谐波均能有效抑制； ( e ) 可实现对多次谐波的实时动态跟踪补偿。 但是，与无源滤波器相比，有源滤波器不能补偿功率因数，结构相对复杂， 安装调试复杂，运行维护难，运行损耗较大，目前设备造价尚高。由于有源滤波器 本身是以开关方式工作，在补偿谐波的同时，也会注入新的谐波，但其开关频率很 高( 达3 k h z 以上) ，谐波频率高，幅值低。目前我国属于研制、推广阶段，很少运 用于电力系统。 ( 3 ) 功率因数变流器( p o w e rf a c t o rc o n v e r t e r ) 功率因数变流器是指使负荷功率因数为1 ，并使进线无谐波的变流装置。功率 因数变流器也是减少电网的谐波与无功补偿的一种措施。 大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要途径是采用多重化技术，即将多 个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的波形。如果要求功率因 数为1 ，一般需使用自换相变流器，再配合p w m 控制技术，将会得到更好的效果。 对于中等容量的单位功率因数变流器主要采用p w m 技术，一般需要使用自关断 器件。目前，出现了p w m 整流器与p w m 逆变器组合构成的四相限运行的变流器， 实现单位功率因数。 在小容量的变流器中，为了实现低谐波与高功率因数，通常采用二极管加p w m 斩波的方式，这种电路就是功率因数校正电路( p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r ) ，近年来，功率 5 华北电力大学f t 程硕= = 学位论文 因数校正( p f c ) 技术成为了电力电子领域研究的热点【1 4 1 。 1 2 2 2 无功补偿 ( 1 ) 同步调相机和电容器补偿 同步调相机实质是空载运行的同步电动机，其技术己显陈旧，能损、投资大， 且由于机组的惯性，影响了调节速度。 电容器可串联或并联接入电网，提高系统稳定，补偿无功，改善电压质量。 ( 2 ) 灵活输电( f a c t s ) 技术的无功补偿 所谓灵活输电( f a c t s ) ，即装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控 性及增大电力传输能力的交流输电系统。 第一代f a c t s 的典型代表是静止无功补偿器( s v c ) 及可控硅控制的串联电容 器( t c s c ) 。国外对s v c 研究始于7 0 年代，目前对s v c 的研究集中在控制策略上， 模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段，大大提高系统的性能【l 卯。静 止无功补偿器( s v c ) 包括自饱和电抗器( s r ) 、晶闸管控制电抗器( t c r ) 、晶闸 管控制高漏抗变压器( t c t ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 。目前运用较多的是晶 闸管控制电抗器( t c r ) 与无源滤波器配合使用，但是投资较大且安装调试和运行 维护也比较复杂，在确定工程方案时应该经过充分的技术经济论证。 第二代f a c t s 装置是静止无功发生器( s v g ) 和静止同步串联补偿器( s s s c ) 。 s v g 将电压源逆变技术应用到无功补偿领域中【1 6 】【17 1 ，它并联于电网中，与s v c 相 比，不需要大容量的电容和电感贮能元件，谐波含量小。国内外对s v g 做了很多研 究，但目前仍有很多理论与实际运行问题有待解决。s s s c 的结构与s v g 类似，不同 之处s s s c 是串联在电网中，通过控制换流器改变其输出电压的幅值或相位，从而改 变线路两端的电压，实现对线路的有功、无功潮流的控制。 第三代f a c t s 的典型代表是由s v g 及s s s c 复合成统一潮流控制器( u p f c ) 副 【均】。u p f c 集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于一身，既能稳定系统电压， 又能保证输电线路的有功、无功潮流的双向流动，增大系统的稳定性和提高输电能 力。目前，世界上已有大容量u p f c 装置运用于电力系统中。 1 2 3 可逆型冷轧机的无功补偿与谐波抑制的研究现状 目前，可逆型冷轧机的谐波治理及无功补偿装置一般为：高压l c 滤波器、静止 无功补偿器( s v c ) 、低压晶闸管投切滤波器( t s f c ) 。 针对可逆型冷轧机组特点，根据高压自动投切滤波补偿装置和低压晶闸管投切 滤波器( t s f c ) 的各自有特性，采用高压自动投切滤波补偿装置和低压晶闸管投切 滤波器( t s f c ) 组成的成套装置。除轧机整流变压器低压侧安装低压晶闸管投切滤 波器( t s f c ) 外，在高压l o k v 侧再补充安装较小容量的无源型滤波装置。利用低 华北电力大学工程硕士学位论文 压晶闸管投切滤波器( t s f c ) 来快速补偿可逆型冷轧机组，并相应滤去部分谐波。 低压晶闸管投切滤波器特性： 1 ) 能够频繁投切，对电网无冲击，无电弧重燃，无操作过电压。 2 ) 自身不会产生谐波，对电网无污染； 3 ) 具有快速跟踪无功变化，频繁投切，动态响应速度快，响应时间小于2 0 m s ， 降低电压波动，使可逆型冷轧机组稳定运行可逆型冷轧机组： 4 ) 对l c 滤波支路按先投低次滤波支路，后投高次滤波支路；先切高次滤波支 路，后切低次滤波支路。即“先投后切，先切后投的规则，保证谐波不放 大； 5 ) 晶闸管开关控制主回路采用电力半导体晶闸管为无触点开关的控制方式，具 有过零投切无暂态过程的优点，功能完善、可靠性高、维护量小； 6 ) 在轧机整流变压器低压侧安装应用，由于降低了通过整流变压器的谐波电 流，使整流变压器的有功与无功损耗，大为下降。 除轧机整流变压器低压侧安装低压晶闸管投切滤波器( t s f c ) 外，在高压1 0 k v 侧再补充安装较小容量的无源型滤波装置，以抑制低压晶闸管投切滤波器尚未消除 和其他设备产生的谐波，提高滤波效果，以使流入电网的各次谐波达到国标要求。 1 2 4 谐波抑制与无功补偿课题存在的主要问题 近几十年来，各国学者提出了各种类型的谐波抑制与无功补偿方案，从理论与 应用技术上看，有许多问题需要解决，装置的性能有待进一步提高。归纳起来，存 在的主要问题如下： 1 ) 在谐波与无功的实时检测方面，现有的方法存在着难以克服的缺点。检测速 度受到检测原理或实现方法的限制，其精度对电网频率变化敏感，电压波形 畸变对检测精度影响较大。 2 ) 在控制技术，特别是微机控制技术上还有待进一步研究。目前，国内外许多 先进的电力变换装置都采用了微处理器为核心的控制技术，在采用高速微处 理器以满足系统实时性控制要求的同时，必须考虑到电力系统及补偿装置的 非线性，需研究新的控制策略，如非线性控制、自适应控制、参数预估控制 【1 7 】【1 8 】等以改善补偿性能。 3 ) 主回路的性能直接影响补偿装置的损耗、容量及补偿效果 1 9 】。特别是在高 压、大容量的补偿装置中，主回路拓扑结构的影响显得更为突出。针对不同 的补偿对象，采用合理的拓扑，对提高装置整体性能，提高性能价格比是非 常重要的，特别是在大容量的补偿装置中，合理的拓扑会大大减小其安装容 量【2 引。此外，在提高装置运行可靠性方面，如过流、过压保护，各种故障的 诊断，电磁兼容问题，需要进一步研究。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 4 ) 补偿装置的大容量实现方法是一个重要的研究方向，功率器件的串联、并联 的均压、均流技术、模块化技术等方面有待于更深入的研究。 1 3 本课题开发与应用的意义 本课题开发与应用的意义：可以解决对电网质量的影响，提高系统及用户负荷 的功率因数，减少损耗，改善电网的稳定性，满足轧钢工艺的基本要求，保证产品 质量。同时有以下优点： 1 ) 使用户注入电力系统的谐波电流大幅度减少，并且符合国标要求； 2 ) 提高功率因数能达到o 9 5 以上，并改善轧机负荷常规滤波及补偿装置经常 出现过补偿和欠补偿的现象； 3 ) 有效抑制轧机负荷变化时引起电压波动，使轧机能够正常工作； 4 ) 提高电网质量和用户系统稳定性； 5 ) 滤波及补偿装置成本低且节能，适合大多数中小型企业应用。 1 4 本课题的主要研究工作 本课题来源于江苏省南通市如东刚正薄板有限公司新增加可逆型冷轧机组工 程。可逆型冷轧机为典型的非线性负荷，运行时不仅产生大量的谐波电流注入电网， 同时大量冲击性的无功功率，引发电压波动，严重影响该公司和邻近公司的用电设 备正常运行及其生产的产品质量，因此有必要对该企业进行谐波治理及无功补偿， 以确保电网的供电电源质量及企业生产的产品质量。 可逆型冷轧机运行时谐波电流比较大，功率因数比较低且无功变化比较大，引 起很大的电压波动，无谐波补偿装置时可逆型冷轧机不能正常运行。目前，用户谐 波治理及无功补偿装置一般为：高压l c 滤波器、静止无功补偿器、低压晶闸管投 切滤波器( t s f c ) 。其中：高压l c 滤波器，功率因数不能达到供电部门要求和能 损较大；低压晶闸管投切滤波器，无功为有级调节；静止无功补偿器，无功无级调 节，但设备占用面积大，并且安装、调试、维护比较复杂，成本很高，能耗大，且 成功投运的工程比较少。 针对目前可逆型冷轧机谐波治理及无功补偿装置的情况，本课题的主要研究内 容：研究可逆型冷轧机运行时谐波电流、无功功率及其负荷变化对电网质量的影响， 设计一套可以满足生产工艺要求、比较经济、效果比较好的谐波治理及无功补偿方 案，采用高、低压滤波及补偿装置相结合的方案，即高压滤波装置采用真空接触器或 真空断路器投切，低压滤波装置采用晶闸管投切滤波器( t s f c ) 。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章可逆型冷轧机的谐波治理及无功补偿技术 2 1 交流滤波器原理简介 2 1 1 交流滤波器原理 滤波器的功能是吸收高次谐波和补偿无功，其效果的优劣取决于系统参数的正 确性和设备的可靠性，设计一套比较理想的滤波器从许多个设计方案中选取，此项 工作的计算量大，必须靠计算机软件来完成，一旦设计参数出现偏差、设备在运行 中参数发生变化，会造成滤波支路与系统并联谐振或滤波支路的谐波严重放大，造 成重大事故。 滤波器的最简单的工作原理作如下描述【2 0 】【2 5 】【2 6 】【2 7 】： 滤波装置的目的在于减少流入电网的谐波电流，同时提供无功功率，电网母线n 次 谐波电压，从图2 1 中可知为 万。：幺刍7 棚 ( 2 1 ) 5 孝乏厶 心。1 ) z f i l + zs 。 式中u 。电网母线n 次谐波电压； z 南滤波器n 次谐波阻抗； 互。电网的n 次谐波阻抗； j 。谐波源产生的n 次谐波电流。 流入电网的n 次谐波电流 7 。= 生7 讲 ( 2 2 )，。= l ，讲( 2 - 2 ) z 毹+ zs n 流入滤波器的n 次谐波电流 ，而= 二l ，翻 ( 2 3 ) z f i l + zs ， 图2 1滤波器与供电电网的等值回路图 如果将流入电网的n 次谐波量i ，。i 与谐波源产生的n 次谐波量l ，。i 之比，称为流入 电网的n 次谐波系数： 华北电力大学工程硕士学位论文 驴i l l 1 i 乞i q 4 ) 则k 值越小越好，越小滤波装置滤波效益越好，但k 的大小，不仅决定于z 向， 也决定于z 。，因为z 向+ 乙是矢量和，不是简单的算术和。 滤波装置滤波效益就是滤波装置的谐波过滤率( ) 有的称滤波器谐波吸收率或 滤波效益，： 后。= ( 1 一k ) 1 0 0 ( 2 5 ) 同样尼h 的大小，不仅决定于z 扁，也决定于z 。 电网母线上的n 次谐波电压值，可写为： i u 埘h 7 竿f o z 朋i l ，m i _ ki u 。讲l ( 2 6 ) l 似弋厶s “ 式中 u 埘翻一无滤波器时，谐波源产生的n 次谐波电流全部流入电网所引起的谐 波电压。 从式( 2 5 ) 中可知，流入电网的n 次谐波系数尼，。越小，n 次谐波引起的电网谐波 电压越小，就是滤波器的滤波效果越好。如果后。大于l ，说明谐波放大，发生了谐振。 若在谐波源处安装电容器，不是滤波器，由于电容器是容性阻抗，而电网是感性电抗， l 歹二乌_ l 中分母i + z ，。i 要比分子i i 小，也就会引起谐波放大。当某一次谐波，使 厶鲰弋厶s “ 分母变得最小时，该次谐波放大将严重。 流入滤波器的n 次谐波电流量i ，力i 与谐波源所产生的n 次谐波电流量l ，。i 之比，称 流入滤波器的n 次谐波系数： 2 i ，扫m “i - 1 7 警尹i ( 2 _ 7 ) 伽1 s n 后扁值的大小不能反映流入电网的n 次谐波电流的大小，这是因为流入电网与流入 滤波器谐波电流是向量和，不是算术和。如果滤波器参数选择不当，不仅后疡很大，而 且后。也大于1 。 由于滤波器的iz 伤i 不可能为零，并要考虑频率要变化及电容器电容量与电抗器的电 感量要随温度变化、计量产生的误差等因素，因此滤波器不能全部吸收谐波源所产生的 n 次谐波电流量i ，。i 。只能减少流入电网的谐波电流量，其减少的程度与滤波器中电容 器容量的大小有密切关系，在电网结构及滤波器的电容器的容量已定的情况下，其滤波 效益取决于滤波器中的电抗、电阻等参数选择。如果滤波器参数选择不当，不仅达不到 应有的滤波效益，而且还可能使流入电网的谐波放大。同时，滤波器中电容器容量由负 荷功率因数、与小于该次的谐波量有关，不能随便决定。 2 1 2 单调谐滤波器 单调谐滤波器由c 、l 、r 串联构成，它是滤波装置的中基本组成单元，用于滤去 华北电力大学工程硕士学位论文 某一特定次的谐波电流。图2 2 为单调谐滤波器，其n 次谐波阻抗： z 扫2 如坝脚扩去) 图2 2 单调谐滤波器单相回路图 式中 国o = 27 彤产1 0 0 万一工频角速度； 弦一工频，我国为5 0 周波。 如果在调谐频率下，单调谐滤波器阻抗为一个纯电阻尺向，则调谐频率： 国n 钏彩。面 当国。= n 国。时，电容器的容抗与电抗器的感抗相等： 弘卜去= 后 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 这样，单调谐滤波器能有效地吸收n 次谐波电流。但在实际运行中，由于电网频率 存在偏差砌：竺! 堑；电容器由于制造、数台电容器组合、测量及环境温度等原因也 存在误差：犯：里孑玉；电抗器也由于制造、测量及环境温度等原因也存在误差： 0 0 昆：生粤，于是，在实际运行中滤波器在n 次谐波频率下将失谐。此时有： 上。o z 力娟力舢0 ( 1 墒) 砸拖) 一瓦石高而两 础乃( 1 + 砌) ( 1 舰) - 一1 ，z 二l _ ( 2 1 1 )l ，z k z 。ii ， ( 1 + 砌) ( 1 + 配) 1 c 因砌、阳、配值均较小，略去二次项后，可得： 华北电力大学工程硕士学位论文 乙2 如+ j f 以去( 2 砌+ 昆+ 韶) ( 2 1 2 ) 从上式可知，电容器的电容量或电抗器的电感量变化2 ，其失谐后果与电网频率 变化1 相同。因此，通常用等效频率偏差( 等效频偏) ： t = ( 2 6 + 昆+ 6 c ) ( 2 - 1 3 ) 来表示综合误差，瓯是一个十分重要的参数，当瓯 o 时，z 危呈感性；皖 1 3i 偶次 q 1 1 1 2 1 41 81 9 2 ( 4 ) 经上述步骤计算后，用户向公共连接点注入的谐波电流允许值如下表。 表3 6用户向公共连接点注入的谐波电流允许值 谐波谐波电流谐波谐波电流谐波谐波电流 次数 ( a ) 次数 ( a ) 次数 ( a ) 28 3 71 01 7 31 80 9 5 35 3 61 13 0 31 91 7 9 44 3 01 21 4 52 0o 8 4 55 5 91 32 5 92 11 0 0 62 8 51 41 2 32 20 7 8 74 3 71 51 3 92 31 5 l 82 1 21 61 0 6 2 4 0 7 3 92 2 91 72 0 12 51 3 9 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 3 补偿容量的确定 基波无功容量的计算公式： q c 2 舷办一培欢) ( 3 3 ) 式中q c 无功功率，k v a r ；p 有功功率，k w ；t g 由。补偿前功率因数角的正切值；t g 巾。补偿后功率因数角的正切值 有功功率7 9 8 4 k w ，无功功率8 2 0 2 k v a r ，功率因数0 6 9 8 ，功率因数提高到o 9 2 ， 至少需要补偿基波无功：4 7 9 0 k v a r 。 3 2 4 方案的确定 3 2 4 1 几种滤波及无功补偿装置比较 目前，用户谐波治理及无功补偿装置一般为：高压l c 滤波装置、静止无功补 偿器、低压晶闸管投切滤波装置。另外，有少量源滤波装置( a f c ) 与无源滤波装置 技术相结合的混合型滤波装置。 比较不同类型的滤波装置特点。 ( 1 ) 高压l c 滤波装置 高压l c 滤波装置主要有固定式和自动控制两种形式。 固定式滤波装置( 型号：t a l ) 特点： 造价比较低，谐波电流吸收效果好，但不适合像可逆型轧机这类无功功率经常 快速变化的负荷，用户平均功率因数不能达到考核要求，不能节约主轧机和卷取机 的供电变压器损耗，人功操作频繁，目前使用比较少。 自动控制滤波装置( 型号：t w k ) 特点： 设备占用面积较小，谐波电流吸收效果好，真空接触器或者真空断路器的投切 比较慢，不能满足像可逆型轧机这类负荷无功功率经常快速变化要求，用户平均功 率因数不能达到考核要求，不能节约主轧机和卷取机的供电变压器损耗。 ( 2 ) 低压晶闸管投切滤波装置 低压晶闸管投切滤波装置特点：无功有级调节，造价比较高，谐波电流吸收效 果差，滤波装置投入后谐波电流不能满足国标限值；晶闸管投切比较快，满足 像可逆型轧机这类负荷无功功率经常快速变化要求，用户功率因数能达到考核标 准，能节约主轧机和卷取机的供电变压器损耗。 ( 3 ) 静止无功补偿器( t c r + f c ) 静止无功补偿器( t c r + f c ) 特点：无功无级调节，快速响应；设备占用面积大， 并且安装调试、维护比较复杂；成本很高；装置不能节约主轧机和卷取机的供 电变压器损耗，而且装置本身能耗很大；用户负荷功率很小时，不能正常运行，必 华北电力大学工程硕士学位论文 须无功功率达到一定数值时才能投入运行，目前成功运行于可逆型冷轧机组谐波治 理及无功补偿的工程比较少。 ( 4 ) 混合型滤波装置 混合型滤波装置，属于有源滤波器与无源滤波器技术相结合。装置有着低压晶闸管 投切滤波装置的好特点：晶闸管投切比较快，满足像可逆型轧机这类负荷无功功率 经常快速变化的要求，用户功率因数，能达到供电部门要求；能节约主轧机和卷取 机的供电变压器损耗。另外利用有源滤波器的技术，更好的吸收谐波电流，使得波 形接近正弦波。但是，投资成本太大，有源滤波器用于大功率谐波电流的技术不成 熟，成功的工程不多。 ( 5 ) 采用高压自动投切滤波补偿支路、低压动态滤波补偿支路相结合的装置的 特点：设备占用面积较小，造价适宜，谐波电流吸收效果好，满足像可逆型轧机这 类负荷无功功率经常快速变化的要求，用户平均功率因数能达到考核要求。能节约 主轧机和卷取机的供电变压器损耗，高、低压滤波装置相配合装置很适合中小型企 业可逆型轧机组谐波治理及无功补偿。 通过比较几种滤波补偿装置的特点，采用高压自动投切滤波补偿支路、低压动 态滤波补偿支路相结合的装置最适合中小型企业可逆型冷轧机组的谐波治理及无功 补偿。故本方案设计的装置采用为高压自动投切滤波补偿支路、低压动态滤波补偿 支路相结合，即高压滤波装置采用真空接触器投切，低压滤波装置采用晶闸管投切。 其滤波装置工作原理为： ( 1 ) 高压滤波装置采用真空接触器投切，高压无功自动控制器根据采样电流、 电压信号计算系统无功量决定高压滤波支路的投切，两滤波支路投切的时间间隔一 般为3 0 6 0 秒； ( 2 ) 低压滤波装置采用晶闸管投切，低压无功控制器根据采样电流、电压信 号计算系统无功量决定低压滤波支路的投切，两滤波支路投切的时间间隔很段为 o 0 5 1 秒； ( 3 ) 高压无功自动控制器和低压无功控制器的采样电流、电压信号相同，为 用户总进线的电流、电压信号； ( 4 ) 用户负荷小的时候或者刚开始轧制时，低压动态滤波装置先投入运行。用户 系统无功功率大到一定数值时，高压滤波装置投入运行；如果系统无功过补，低压滤波 装置支路切除；如果系统无功功率还比较大，则到一定数值后再投入其他高压滤波装置。 如果滤波支路投入后，系统无功过补比较多，先切低压滤波支路，然后再切高压滤波支 路；如果此时无功功率大，则先投入低压滤波支路；如果此时系统无功过补还比较多， 继续切高压滤波支路。使投入高、低压滤波支路后，用户功率因数基本在设定的范围内。 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 4 2 方案确定 方案设计的装置采用高压自动投切滤波补偿支路为、低压动态滤波补偿支路相结 合。 比较谐波电流的估算结果和国标限值，5 、7 、1 1 、1 3 等特征谐波均已超标，都应进 行滤波处理。由于5 次谐波电流比较大，所以高压装置设两个5 次支路，低压装置全设 为5 次支路。 轧机负荷的变化较大，一般的固定投入的滤波装置无法快速跟踪，用户在轻负荷时 会产生无功倒送现象，同样会降低功率因数而导致罚款，所以滤波装置应根据负荷的大 小，采用动态跟踪的方式投切高压滤波支路的同时，在轧机的低压侧6 6 0 v 设置总容量 2 4 0 0 k v a r 的低压动态滤波补偿装置，其中左卷取轧机低压侧一组容量6 0 0 k v a r 的5 次支 路，右卷取轧机低压侧一组容量6 0 0 k v a r 的5 次支路，主轧机低压侧两组容量都为 6 0 0 k v a r 的5 次支路。 经计算机仿真计算，确定的方案： 1 ) 1 0 k v 高压自动投切滤波装置参数表： 表3 71 0 k v 高压自动投切滤波补偿装置参数 h 5 1 支路 h 5 2 支路 h 7 支路 h 11 支路 1 工作频率 单位( h z )2 4 7 5 3 7 2 4 7 5 3 73 4 6 5 5 15 4 4 5 8 1 2 电容器 单台容量( k v a r ) 5 0 05 0 05 0 05 0 0 额定电压( k v ) 7 o7 07 07 o 单台电容值( uf ) 3 2 4 83 2 4 83 2 4 8 3 2 4 8 每相串联数 111 1 每相并联数 1111 安装容量( k v 神 1 5 0 01 5 0 01 5 0 01 5 0 0 总安装容量( k v a r ) 6 c0 0 3 电抗器 系统电压( k v ) 1 01 01 01 0 电感量( m h ) 1 2 7 2 71 2 7 2 76 4 9 32 6 2 9 额定电流( a ) 7 4 4 6 77 4 4 6 7 7 2 9 5 7 2 0 额定谐波电流( a ) 4 0 o4 0 03 0 03 0 o 华北电力大学工程硕士学位论文 品质因数 4 04 04 04 0 额定容量( 1 ( v 神 2 0 42 0 41 0 24 2 4 基波无功输出 支路无功( k v a r ) 1 0 6 3 81 0 6 3 81 0 4 2 11 0 2 9 1 总基波容量( 1 ( v 神 4 1 9 8 8 2 ) 6 6 0 v 动态滤波补偿装置参数表 表3 86 6 0 v 动态滤波补偿装置参数 h 5 一1 支路h 5 2 支路h 5 3 支路h 5 4 支路 电容器 额定电压( k v ) 1 0 51 0 51 0 51 0 5 单台容量( k v a r ) 1 0 01 0 01 0 01 0 0 电容值( uf ) 2 8 8 7 22 8 8 7 22 8 8 7 2 2 8 8 7 2 每相串联数 l111 每相并联数 222 2 每相电容c ( uf ) 5 7 7 4 3 5 7 7 4 3 5 7 7 4 3 5 7 7 4 3 q z ( k v a r ) 6 0 06 0 06 0 06 0 0 总安装容量( k v a r ) 2 4 0 0 电抗器 系统电压( k v ) 0 6 60 6 6o 6 6o 6 6 额定电感量( i t l h ) 0 4 0 90 4 0 9 0 4 0 90 4 0 9 额定电流( a ) 2 5 02 5 02 5 02 5 0 额定谐波电流( a ) 1 2 01 2 01 2 01 2 0 品质因数 4 04 04 0 4 0 基波无功输出 基波无功( k v a r ) 2 5 52 5 52 5 52 5 5 总基波无功( k v a r ) 1 0 2 0 3 ) 整套滤波及补偿装置的总基波无功容量为：5 2 1 8 k v a r 3 2 4 3 滤波装置安全性能校验 1 ) 滤波电容器和滤波电抗器校验要求 ( 1 ) 滤波电容器的电压应该满足要求：u c