（电气工程专业论文）包钢轨梁万能轧机生产线动态无功补偿及谐波抑制.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 针对包头钢铁公司轨梁厂万能轧机生产线交交变频系统谐波和无功冲击，对其 供电系统进行谐波测试和对无功冲击造成的电压波动进行测试，分析和研究交一交 变频系统对供电系统的影响。通过对国内外静止型动态无功补偿技术综述和分析比 较，探索适用于包钢轨梁厂万能轧机轨梁生产线供配电系统的谐波抑制和无功补偿 方案。在总结了国内外谐波治理和无功补偿技术的基础上具体分析了包钢轨梁厂万 能轧机交一交变频控制系统所产生的谐波和无功冲击，提出了适用于包钢轨梁厂万 能轧机轨梁生产线供配电系统的谐波抑制和无功补偿方案。实际证明，运用合理配 置的t c r 型s v c 装置来进行动态无功补偿，用户注入电网的谐波得到了抑制，降 低了供电电压的波形畸变，提高了电网功率因数。 关键词：轧机，生产线，无功补偿，谐波抑制 a b s t r a c t 1 1 l e 骶q u e i l c ys y s t e mh a n n o l l i c 锄di d l ew o 血p o u n ds p e c i 矗c a l l yf o rb a o g 孤gr a i la i l d b e a mp l a l l tu n i v e r s a lm i l lp r o d u c t i o nl i n ea l t e m a t e s ，w ec a r r yo u tah a n n o n i co nt h ee f f e c t f e e ds y s t e mt ow h o s ef i e e ds y s t e mt e s t i n ga n dp o u n d i l l gt oi d l ew o r kt h ev o l t a g en u c t u a t i o n d ot e s tb 血百n ga b o u t ，t h es y s t e ma n a l ) r z i n ga i l ds t u d y i n gar e l a t i o n s h i p - t od e l i v e r 缸q u e i l c y c o n v e r s i o n s u mu pa n da n a l y z ec o m p a r i s o nb yt l l ef a dt 1 1 a t d e v e l o p m e n ti d l ew o r k c o m p e l l s a t e sat e c l l l l o l o 蹦t oh o m e 锄da b r o a d ，t 1 1 ee ) 【p l o r a t i o n 印p l i e st 0m eo 枷p o t e n t r 0 1 l i n gm i l lo fb a gr a i lb e 锄f a c t o 叫b e 锄一a n d r a i lp r o d u c t i o nl i n eb ef o rp o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mh 觚n o n i cr e s t r a i n t 狮di d l ew o r kc o m p e n s a t i n gas c h e m e t h em e r i t o r i o u ss e i c e 矗r s t ，h a v i n gi n 仰d u c e dm a tm eh a n n o n i cg o v e n l sa th o m e 锄da ：b r o a da n dh a v i n gn o c o m p e i l s a t e sat e c h n 0 1 0 9 y h a v ea 1 1 a l y z e da i l dm e nh a n n o i l i ca l l di d l ew o r kp r o d u c e db y o m n i p o t e n tr o l l i i 唱m i l lo fb a gr a i lb e a mf a c t o r ya l t e n l a t i o n6 q u e n c yn a v a rp o u l l d i n g ，h a v e s u g g e s t e dt h a t ：b a o g a n gr a i la n db e 锄p l a j l tu i l i v e r s a lm i l lb e 锄一a n d - r a i lp r o d u c t i o nl i n ei s f o rp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mh a n i l o i l i cr e s t r a i n ta i l di d l ew o r kc o n l p e n s a t i n gas c h e m e f i n a l l ya p p l 如n g r e a l i t yt e s t i 6 e s ，s v cw i e l d i n gt h er a t i o n a ld i s t r i b u t i o nt c rt y p ec a r r i e s o u td e v e l o p m e n ti d l ew o r kc o m p e l l s a t i o nc o m i n gt l l ed e v i c e ，m ec o n s u m e rh a sp o u r e dm e e l e c 埘f i e dw i r en e t t i n gh a n n o n i ci nh a v i n g9 0 tr e s t r a i n t ，m ew a v ef o md i s t o r t i o nh a n g r e d u c e das e r v i c ev o l t a g e h a si m p r o v e dt h ee l e c t r i 矗e dw i r en e t t i n gp o w e rf l a c t o r y a n g l i j u a n ( 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 z h o um i n g k e y w o r d s ：r o l l i n gm i l l ，j u n c t i o n 仔e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m ，w a v ea n a l y s i s ， i d l ew o r ki m p a c t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包钢轨梁万能轧机生产线动态无功补 偿及谐波抑制，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：竺扩封 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：瑚! 量：争 导师签名： 华北电力大学工程硕七学位论文 1 1选题背景及其意义 1 1 1 选题背景 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电力电子产品广泛应用于工业控 制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，其中最为突出的是电压质量和谐波的 问题，因此如何提高电压质量，治理谐波就成为输配电技术中最为追切的问题之一。 面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术普遍存在的技术手段落后、自动化水平低 的现状，针对电压质量和谐波问题，研究电网谐波治理和无功补偿新技术及新装备， 具有十分重要的理论和实际意义。 电压质量问题包括两个方面：一方面是电压幅值不符合电能质量要求，即电压 偏高或偏低，这主要是无功调节不利的原因，电网在小负荷水平下因无功过剩的影 响，电网电压普遍上扬。而当负荷水平上升时，电网电压普遍降低，相当一部分站 点电压甚至会超越电压允许偏差的下限，造成这种现象的主要原因是电网无功补偿 不足。要提高电压合格率，改善电能质量，降低网络损耗，就必须既能在低负荷水 平时可以吸收一定的无功功率，又可以在高负荷水平下发出足够的无功功率。另一 方面是三相电压不平衡，这主要是三相间负荷分布不均匀引起的【卜2 1 。 随着计算机技术、自动化技术、变流技术、电力电子技术的飞速发展，不间断 电源、变流装置以及可控硅整流电源在钢铁企业供配电系统中的大量使用，大大增 加了供配电系统中的非线性负荷，从而引起供电电压波形畸变，给电网注入了大量 谐波，供电质量下降，对供配电系统造成严重危害。 为保证电网的供电质量和安全运行，必须深入研究谐波抑制技术和无功补偿技 术，努力把电网电压畸变率、用户注入电网的谐波电流允许值和电压波动值限制在 规定的极限范围内。 1 1 2 选题意义 钢铁企业供配电系统中的谐波主要产生于网内非线性负荷用电设备，如变流装 置和电弧炉等；而供电系统中的无功冲击主要产生于一些单机容量大的轧钢类用电 设备，如轧机等。 为了更好地研究交一交变频系统的谐波和无功冲击，我们就包钢轨梁供电系统 进行谐波测算和无功冲击造成的电压波动进行测算，研究交一交变频系统对供电系 统的影响。 1 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 3 确定研究对象 通过对国内外静止型动态无功补偿技术综述和分析比较，找出适用于包钢轨梁 厂万能轧机轨梁生产线供配电系统的谐波抑制和无功补偿方案。 1 2谐波 1 2 1 谐波产生的原因 在供配电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压施 加在线性无源元件上，其电流和电压仍为同频率的正弦波，但当正弦电压施加在非 线性电路上时，电流就变成非正弦波，谐波也就是指电压、电流波形发生畸变3 1 。 对于非正弦周期电压电流，一般满足狄里赫利条件，可分解为傅立叶级数，其 中频率与工频相同的分量称为基波，频率为整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波 次数为谐波频率与基波频率的整数倍。国际电工标准给出的谐波定义为：谐波是频 率为基波频率的整数倍的正弦波【4 1 。 随着计算机技术、自动化技术、变流技术、电力电子技术的飞速发展，不间断 电源、变流装置以及可控硅整流电源在钢铁企业供配电系统中的大量使用，大大增 加了供配电系统中的非线性负荷，从而引起供电电压波形畸变，给电网注入了大量 谐波。 1 2 2 供配电系统中主要谐波源 谐波源分为谐波电压源和谐波电流源，发、变电设备一般为谐波电压源；而变 流装置、电弧炉和电抗器等为谐波电流源。轧钢电动机所承受的极大冲击负荷会使 电网电流产生复杂的谐波分量而形成谐波电流源。 作为谐波源，非线性设备可被划分为如下几类： ( 1 ) 传统非线性设备，包括变压器、旋转电机及电弧炉等。 ( 2 ) 现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、电子控制装置和开关、电源、晶 闸管控制设备等。 1 2 3 谐波的危害 谐波的污染与危害主要表现在对电力与信号的干扰影响方面，可大致概括为： 谐波对电力系统本身的影响主要表现在： ( 1 ) 消耗电力系统的无功储备； ( 2 ) 增加输电线路损耗； ( 3 ) 影响继电保护、自动控制等装置的可靠运行。 对接入电力系统设备的影响主要表现在： 2 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 测量仪表的测量误差增加； ( 2 ) 用电设备的运行安全性下降； ( 3 ) 电机产生额外的热损耗； ( 4 ) 对电力系统以外的影响主要表现在对通信设备的电磁干扰。 在信号干扰方面主要表现在： ( 1 ) 对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降； ( 2 ) 重要的和敏感的自动控制保护装置不正确动作【孓。 1 2 4 治理谐波的意义 谐波已成为电能质量的一个重要指标，无论是从保障电力系统安全、稳定、经 济运行角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作角度，有效地治理谐波，将其 限制在允许范围内，还电网一个洁净的电气环境已迫在眉睫。 1 3冲击负荷 钢铁企业的用电设备运行时的有功功率和无功功率并不固定，常常是随着实际 和工况变化而不断变化的。一类是基本负荷，即它变动的幅度、频度较小，其容量 比向它供电的电源容量小得多，用电设备的有功和无功功率变动对电力系统不会造 成什么影响；另一类是冲击负荷，即一些大型用电设备单机容量大，其有功和无功 功率变动的幅度都较大，并重复周期性变化。 有功冲击负荷将对电力系统的频率产生影响，而无功冲击负荷将对电力系统的电压 产生影响。 1 3 1 冲击负荷的种类及特点 在钢铁企业中，冲击负荷一般有两大种类，一类是三相基本平衡的冲击负荷， 大型轧机、大型提升机；另一类是三相不平衡的冲击负荷，如大型焊机、大型电弧 炉。 对于大型轧钢机，其轧制周期短，功率变化率高。 现代大型轧机主电机普遍采用晶闸管变流装置。生产时既有有功功率，又有无 功功率，特别是咬钢时，由于晶闸管变流装置控制角较大，功率因数较低，此时所 需的无功功率很大，相应有功功率较小。随着控制角减小，功率因数上升，无功功 率减少，至稳速轧制时，一般无功功率小于有功功率【8 1 。 由此可见，有功功率负荷的幅值大小，功率变化速率，冲击负荷出现频度与轧 机性能、产品材质、轧制工艺、操作技能等诸多因数有关。而无功冲击负荷除与上 述诸因素有关外，还与设备电气传动设备采用晶闸管装置供电及调速有关。 由于轧钢机的特殊工艺，其短时交替变化的有功和无功冲击给电力系统造成很 3 华北电力大学工程硕士学位论文 大影响。 1 3 2 冲击负荷的危害 1 对电力系统的影响 有功冲击负荷引起电力系统的频率波动。由于用户的负荷突然增加，电力系统 中发电机增加出力负荷，反之亦然。但由于发电机存在电气和机械惯性，发电机的 功率变化总是滞后于冲击负荷的变化，因此发生电力系统的频率变化。 有功冲击负荷和无功冲击负荷造成系统各点的电压波动，而造成电压波动的主 要因素是无功冲击负荷。 一般钢铁企业的有功冲击负荷是正常生产时产生的，具有周期性冲击的特点， 由电力系统来承担；由无功冲击负荷引起的电压波动超过允许值部分，则由企业无 功补偿来解决。 2 对用电设备的影响 冲击负荷造成电力系统的电压和频率波动，电力系统的电压和频率波动直接影 响用电设备的正常运行： ( 1 ) 电动机的转矩与电压的平方成正比，如果电动机长期处于低电压运行，而 负荷转矩不变，则电动机发热，甚至烧坏电机； ( 2 ) 电压下降造成电磁原件、设备动作不可靠； 电压下降造成晶闸管变流装置整流电压下降，移相角变化，引起交、直流输出变化； ( 4 ) 电压波动造成电子控制系统失灵； ( 5 ) 照明光通量与电压的3 6 次方成正比例变化，发光效率与电压平方成正比 例变化，因此，电压波动严重影响电气照明质量； ( 6 ) 离心式水泵的水头和风机的压力与转速的平方成正比，水量和风量与转速 的三次方成正比例变化，因此频率的变化将对水泵和风机的正常运行产生很大的影 响； ( 7 ) 电力系统频率变动使记录表、电钟等出现记录误差，并对广播通讯带来影 响。 ( 8 ) 汽轮机叶片在低频运行时容易疲劳，严重时会发生共振，造成汽轮机叶片 断裂的严重事故【9 1 。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章谐波治理和无功补偿技术 2 1谐波的治理和无功补偿技术综述 2 1 1 国内外研究动态 长期以来，国内外的许多专家、学者对谐波治理进行了大量的研究和探索工作， 不少国家和学术组织制定了电力系统谐波的标准和规定。 我国在总结执行原水利电力部电力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) 的 经验，系统地研究了标准的有关问题，结合国情，吸取国外谐波的最新研究成果的 基础上提出了谐波国家标准电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 。标准 规定低压电网总谐波畸变率为5 ，6 1 0 k v 为4 ，3 5 6 6 k v 为3 ，1 1 0 k v 为2 。 2 1 2 谐波治理 治理谐波的措施主要有主动治理和被动治理。 1 主动治理谐波的措施主要有： 增减变流器相数或脉冲数，改造变流装置或利用相互间有一定移相角的换流 变压器，可有效减小谐波含量。 改变谐波的配置或工作方式，具有谐波互补性的装置应集中在适当限制会产 生大量谐波的工作方式。 采用多重化技术，将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠 加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦的阶梯波。 谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源把谐波电流 加到产生的矩形波形上，可用于降低给定的运行点处的某些谐波，缺点是必须保证 使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生期的功率消耗场高达整流器整流时 功率的1 0 。 采用p w m 技术，使变流器产生的谐波频率较高，幅值较小，波形接近正弦 波。 设计采用高功率因数变流器。 2 被动治理谐波的措施主要有： 采用无源滤波器( p f ) 。理论上讲，它通过电容元件与电感元件按照一定的参 数配置、一定的拓扑结构连接所形成。在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐高 通滤波器，可以吸收谐波电流，能够有效滤除某次或某些次的谐波，同时可进行无 功补偿。 s 华北电力大学工程硕士学位论文 采用有源滤波器( a p f ) 。在谐波源附近或公用电网节点装设并联型或串联型 a p f ，可有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补偿。有 源电力滤波器是一种动态滤波器，采用受控方式消除谐波。它通过产生与补偿谐波 形状一致，相位相反电流，来抵消非线性负荷的谐波电流，以使谐波不会注入公共供电 回路。 采用混合型有源滤波器【1 0 - 12 1 。 当前我国抑制谐波主要还是采用无源滤波器。 随着电力系统的发展和用户自动化水平的提高，电气设备对电压质量的要求越 来越高，而波动性负荷造成的局部电网电压不稳和功率因数恶化严重威胁着高自动 化水平设备的电气设备和自动化设备的寿命，制约着企业生产效率的提高。因此补 偿电力系统无功、稳定系统电压，改善系统功率因数，已成为广大用户的迫切要求 和国际上电力系统自动化领域研究的新动向。 2 1 3 无功补偿装置介绍 目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设 备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量问题日益严重，如果不进行无功补偿， 在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大的范围内波动，这不仅使电气设 备得不到充分利用，网络与传输能力下降，损耗增加，甚至还导致设备损坏，系统 瘫痪。 电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始，历经了电容器、同步调相机、 静止无功补偿装置( s v c ) ，静止无功发生器( s v g ) ，直到今天令人瞩目的基于 可自关断器件实现的静止无功发生装置( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - s v g ，又称s t a t c o m ) 几个不同阶段。 1 、无功补偿电容器 无功补偿电容器的优点是原理简单，安装运行和维护都很方便。但是，它只能 补充感性无功，且不能连续调节，更重要的是它有负电压效应，当电网电压下降时， 电容器上的补偿电流相应下降，使补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。在 系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁。 2 、同步调相机 同步调相机是传统的无功功率动态补偿装置，它是专门用来产生无功功率的。 同步电机在过励磁或欠励磁的不同情况下，可分别发出不同大小的容性或感性无功 功率。自二、三十年代以来，在无功功率控制中一度发挥重要作用。缺点是：由于 矗 华北电力大学工程硕士学位论文 是旋转电机，损耗和噪声都很大，运行维护复杂，且由于控制复杂造成响应速度慢， 很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。故七十年代以来逐渐被静止型无 功补偿装置取代l l 卜h j 。 3 、静止型无功补偿装置 静止型无功补偿装置具有响应速度快，价格适中的优点。缺点是谐波成份大， 需要大电感、大电容等元件，且只有在感性工况条件下才连续可调。静止无功补偿 器基于电力电子技术及其控制技术，将电抗器与电容器结合起来使用，能实现无功 补偿的双向、动态调节。s v c 依据结构的不同，通常分为晶闸管投切电容器( t s c ) 、 带固定电容器的晶闸管控制电抗器等【”】。 ( 1 ) 具有饱和电抗器的静止补偿器有一台饱和电抗器和一组并联电容器组装而 成。电抗器的饱和电压高于正常运行的电压区域。运行电压越高，电抗器越饱和， 所吸收的无功功率越大。饱和电抗器对吸收无功功率具有固有的负荷能力( 可达到 3 4 倍) ，适合用来控制瞬时过电压。这种补偿器的缺点是，对于系统运行方式变化 的适应性不如电容器组与晶闸管可控电抗器并联形成的静止无功补偿器，它的有功 损耗也比后者要大，但运行可靠性比较高，不需要特殊维护。 ( 2 ) 电容器组与晶闸管可控电抗器并联形成的静止无功补偿器。这种装置通过 电容器的分组投切可提供不连续的容性无功功率，通过晶闸管控制的电抗器可提供 连续的感性无功功率。这种补偿器在设计上，通常保证能够短时间提供比长期稳态 运行大得多的无功输出，以提供紧急情况下的无功补偿。 ( 3 ) 可控电容与可控电抗器组成的静止无功补偿器，可实现感性无功的连续控 制。它可运行在改善系统在大扰动下的运行特性，并可有效降低系统的功率损耗。 4 、静止无功发生器( s v g ) 随着g t o 、i g b t 、i g c t 等可自关断电力电子器件的快速发展，无功补偿设备 的原理、构造及特性在发生巨大的变化。基于可自关断器件的静止无功发生器，具 有控制特性好、响应速度快、体积小、损耗低等一系列优点。s v g 的逆变器通过中 间变压器与电力系统连接，逆变器的输出电压与电力系统电压始终保持频率相同。 通过逆变器输出电压大小的调节可控制在中间变压器上的电压的大小和方向，进而 可实现无功吸收与补偿的控制。它在高压和趋高压系统中能大幅度提高有功输送能 力，提高系统的静态、动态和暂态稳定性，加强功率振荡阻尼，稳定电压。它的基 本功能就是从电网中吸收或者向电网中输送连续可调的无功功率，以维持接入点的 电压恒定，并有利于电网的无功功率平衡。但是由于电力系统的非线性及负荷参数 多等特点，围绕s t a t c o m 的工程化还有很多问题没有得到很好的解决，还需要大 7 华北电力大学工程硕士学位论文 量理论和工程研究。 s v g 具有下列一系列优点【1 6 】： ( 1 ) 具有更好的出力特性。s v g 在系统电压较低时，表现为电容的特性，即无 功随电压的降低按平方关系下降。而s v g 在低电压时，表现为定电流特性，因而， 无功功率只随电压的降低按一次方关系下降。 ( 2 ) s v g 采用p w m 控制，具有更快的响应特性。 ( 3 ) s v g 中，无功调节不是通过控制容抗或感抗的大小实现的，因而，不存在 系统谐振问题，且大大减小了设备的体积，相同容量情况下，s v g 体积约为s v c 的1 3 。 ( 4 ) 由于s v g 三项的处理可以各自独立地进行控制，因而可以用于三项不平衡 符合的动态补偿。 ( 5 ) s v g 具有有源滤波器的特性，可以用于需要有源滤波的场合。 2 2 静止型动态无功补偿技术 2 2 1s v c 基本工作原理 静止型动态无功补偿装置，简称静止补偿( 英文缩写s v c ) 是近几年发展起来 的一种动态无功功率补偿装置。它的特点是调节速度高、运行维护工作量小、可靠 性较高。通常由并联电容器组( 或滤波器) 和各种容量无级连续可调的并联感性无 功设备联合组成的一种装置。它可以进相、滞相运行，向电力网提供可快速无级连 续调节的容性和感性无功，降低电压波动和波形畸变率，全面提高电压质量，并兼 有减少有功损耗，提高系统稳定性。 s v c 发出的无功功率都是来自并联电容器，无功功率的吸收都是由并联电抗器 或特殊设计的变压器实现。s v c 总输出的无功功率的改变，是通过投切并联电容器、 电抗器或是改变并联电抗器原件的电抗值来达到。 投切电容器或电抗器是改变静补总无功最直接方法，可用断路器或晶闸管实 现。投切方式只能做到级差调节，做不到连续调节。 2 2 2s v c 结构类型 s v c 结构类型为： ( 1 ) 电磁型 ( 2 ) 晶闸管控制型： 开关控制( 晶闸管投切并联电容器型、晶闸管投切并联电抗器型) 华北电力大学工程硕士学位论文 相位控制 晶闸管控制并联电抗器型t c r 、晶闸管控制变压器型t c t ) 晶闸管 相位控制型是利用触发相位角控制阀的导通时间，以控制它的电流，因此电流会有 畸变，输出会有谐波成份。 表2 1 为几种主要类型的静止型无功补偿装置性能和使用范围比较。 表2 1 几种主要类型的静止型无功补偿装置- 性能和使用范围比较 2 2 3t c r 型s v c 技术 t c r ( 晶闸管控制电抗器) 工作原理： t c r 型s v c 由主电抗器、晶闸管装置、响应的控制系统以及并联电容器组成。 其中，主电抗器分为电抗器型、高阻抗变压器性型、降压变压器型。 由于大容量晶闸管元件的出现，使得用晶闸管控制的高电压、大容量电抗器型 s v c 装置得以实现，图2 1 为晶闸管电抗器的原理和电流波形图。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 一一一 肖而 t 图2 1 晶闸管电抗器的原理和电流波形图 图中，t l l l ，t h 2 为两个反并联的晶闸管组，分别在电源电压波的两个半周内导通， 控制角在9 0 0 18 0 0 范围内调节。a 为t h l 和t h 2 的触发角，a = 9 0 0 时，晶闸管全导 通，吸收的感性无功最大( 即短路功率) ；a = 1 8 0 0 时，晶闸管不导通，吸收的感性 无功最小( 即空载功率) 。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后于电压近 似9 0 0 ，电流基本上是无功，o 9 0 0 之间由于产生不可接受的、含有直流分量的不对 称电流，故仅 马目l 日l日l 马 哇划刨 哇蚺一电舛剐k 北抖j 马 阳p 蚂 r 恃印 k 砩一1 号圹 哇埔叫哇 一 哇扮p | 虏热偷 料 拶 韧( 7 ： 书卅一 图3 1 包钢轨梁厂万能轧机b d l 、b d 2 、u r 电控系统 华北电力大学工程硕十学位论文 变频器触发电路采用谐波函数触发， 梯形波，由于三相变流器采用星形接法， 出线电压仍保持为近似正弦波。 使每一组变流器的电压( 电机相电压) 为 消除了梯形波中的三次谐波分量，使得输 包钢轨梁万能轧机主传动采用交交变频控制，装机容量为1 7 5 m w ；部分辅传 动交直交变频传动，装机容量为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 。 3 1 2 桥式整流电路谐波分析 众所周知，在桥式整流电路中，整流变压器电源侧的线电流不是正弦波形，它 包含一个基波分量和一系列谐波分量。 根据付立叶级数，主传动采用6 脉动变流器，交流电流波形可分解为一系列谐 波电流分量。6 脉动变流器注入系统的主要是岛1 次谐波电流( 尼为正整数，p 为 脉动数) ，即变流器产生的谐波主要是5 ，7 ，1 1 ，1 3 ，1 7 ，1 9 等次谐波。 对于变压器接线为( y y o ，d d o ) 的整流变压器电源侧的线电流为： 嘶_ 恤刎一半一半+ 半+ 警， p 。， 对于变压器接线为( d y 1 1 ) 的整流变压器电源侧的线电流为： 蛳，- 恤褂半+ 半+ 半+ 警叫n 2 ， 谐波发生量可按式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 计算： 刀o 。知l ( 3 - 3 ) 卜丢 ( 3 - 4 )，lol j 。叶， 刀。为特征频率谐波次数 厶为，1 次谐波电流有效值 七为正整数 交交变频系统与直流系统不同的是还产生旁频谐波，其旁频不但与特征谐波有 关，而且与输出频率有关，随机发生的是分布在特征谐波两旁的旁频。如果处理不 好，除影响系统本身的安全运行外，还影响其它自动化设备的正常运行，也影响交 交变频本身的控制系统的正常运行【1 9 。2 3 】。 对交交变频产生的旁频一般采用每个滤波支路并联高通电阻的方法。这势必造 华北电力大学工程硕士学位论文 成功耗的增加及滤波效果的降低。根据交交变频旁频计算数据，5 、7 次旁频的幅值 一般在o 3 0 7 之间，不会给系统运行造成影响。而1 1 次旁频幅值最大约为l 2 ，1 3 次旁频幅值很小，且1 1 次旁频幅值较大者在5 0 2 h z 及5 7 4 h z 之间。所以只 要把1 1 次设计成高通滤波器即可把旁频的影响降低到最低程度。 由于晶闸管调相调压的非线性特点，产生高次谐波分量，造成电网电压波形畸 变，使电压质量降低。本文重点分析计算电流谐波值。但在谐波标准中列出公用电 网谐波电压限值，并在谐波测试中对电压谐波进行测试和分析。 谐波研究的主要目的是计算母线谐波电压、支路谐波电流、电压和电流的总畸 变率。通过对交一交变频系统进行谐波分析计算，可获取谐波治理的第一手数据和理 论基础。 3 1 3 工程实际中要明确的问题 关于在工程实际中出现的谐波问题的描述及其性质需明确下列几个问题： 谐波：在稳定情况下出现，其次数必须为基波频率的整数倍。 间谐波和次谐波：在一定供电系统条件下，有些负荷会出现非工频频率整数 倍的周期性电流的波动，根据电流周期分解出的傅里叶级数得出的不是基波整数倍 频率的分量，成为分数谐波( 间谐波) ，频率低于工频的间谐波又称为次谐波。 谐波和暂态：在许多电能质量问题中，常把暂态现象误为是波形畸变。暂态 过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波形，但尽管暂态过程中会有高频 分量，暂态和谐波确实是两个完全不同的现象，其分析方法也不同。电力系统仅在 受到突然扰动之后，其暂态波形才出现高频特性，但这些高频分量并不全是谐波， 与系统的基波频率无关。 。3 2交交变频系统谐波分析 3 2 1b d 2 轧机交交变频系统谐波分析 b d 2 轧机整流变压器接线为d ，y l l ，6 脉动典型接线如图3 2 ( a ) 、3 2 ( b ) 。 在交交变频控制系统中，由于交流侧变压器漏抗等电感的影响，晶闸管电流不 能突变，而是有一个换向过程，对应的时间以角度】，表示，称为换向重叠角。 一l ? 2 i d x s 、 72c o s 【c o s 口一鬲) 一口 ( 3 5 ) 06 u 卜叫 当直流电流厶和交流侧电感厶一定时，) ，将随控制角a 的增加而减小。 将交流侧电流用傅里叶级数展开，可求得谐波电流的均方根值为： 华北电力大学工程硕士学位论文 卜丽i 厨疆i 丽 ( 3 6 ) 耻堕等等业 孓= ! ! 呈! 垒二12 ：兰! 兰 办一l ( 3 7 ) ( 3 8 ) 为谐波次数 谐波电流与a 和) ，都有关系，但受) r 角的影响较大，角的增大使谐波电流减小 的快些。 交交变频系统由于采用电网自然换流无环流可逆三相反并联全控晶闸管桥式 变流器，其输出频率只能达到电网频率的l 3 以下，使得由交交变频器供电的交流 同步电动机运行在低速范围内。采用逻辑无环流，在交流电流过零时存在环流“死 区”，两组整流桥全被封锁，造成交交变频器的输出电流不平滑。交交变频系统的输 出电压从电网电压调制而来，截取频率较低，整流桥输出电压脉动较大。交交变频 回路阻抗小，其输出电流脉动较大【2 4 1 。 图3 2 ( a ) y ，y i l 0 接线图 负载 c h 3 图3 2 ( b ) y ，y l l 接线图 负载 根据前面的分析，决定谐波量大小的是控制角和重叠角，由于交交变频同步电 动机工作在低速，其在电动机产生的端电压较小，从而引起控制角增大。另由于采 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 用无环流，整流电抗较小，从而引起重叠角减小，特征谐波含量主要与重叠角有关， 重叠角越小，谐波含量越大。 为了减少谐波的影响，在轧机设计中变压器连接组别错开3 0 。角。 3 2 2 谐波标准 为保证电能质量，系统应向用户提供波形合格的电压，同时非线性用户应限制 其谐波电流注入系统，不使系统的供电电压质量过分降低。供用电双方的责任，主 要通过限制非线性用户注入系统的谐波电流来达到。 1 、不同谐波源的谐波叠加计算 当电网中两个谐波源分别产生的同次谐波a h i 及a h i 之间的相位角确定时，其合 成的同次谐波计算式为式( 3 9 ) 2 、彳磊刊易+ 2 f 彳j j l ，s 铭 ( 3 9 ) 当同次谐波a h i 及a h i 之间的相位角为随机变量时按式( 3 1 0 ) 合成 厂了i 一 m 办21 么磊+ 彳匆+ k 彳矗f 彳巧( 3 1 0 ) 采用概率统计分析结果，氟的估值如表3 1 2 、各级电网谐波电压含有率允许值 谐波电压是谐波电流再系统谐波阻抗上的压降。当谐波电压允许值给出后，谐 波电流与谐波阻抗成反比，而系统阻抗又与系统短路容量成反比，因此系统短路容 量越大，允许注入系统的谐波电流越大。当电网电压总谐波畸变率为5 时，随着 电网电压等级升高，各级高压电网电压总谐波畸变率逐渐降低。通过对我国实际电 网情况分析研究，考虑奇次谐波的主导地位，电能质量公用电网谐波 ( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 中规定公用电网谐波电压( 相电压) 的允许值如表3 2 。 3 、用户注入电网的谐波电流允许值 确定每一个用户注入电网的谐波电流允许值的方法如下：首先确定谐波源对本 级电网引起的总谐波电压允许值。由于各级电网电压谐波畸变率中，包含有上一级 电网的谐波传递到本级电网的谐波电压，所以按叠加原理，扣除上一级电网传递到 本级电网的谐波电压后，才是允许本级电网谐波源生产成的谐波电压。其次，求得 允许谐波源在本级电网生成的谐波电压后，可求出在一个公共连接点的谐波源注入 电网的各次总谐波电流允许值，表3 3 为注入公共连接点1 0 k v 谐波电流允许值。 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 表3 2 公用电网谐波电压限值( 相电压) 表3 3 洼入公共连接点l o k v 谐波电流允许值 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1概述 第四章交一交变频系统冲击负荷分析计算 现代轧机主传动普遍采用晶闸管交交变频装置供电，冲击负荷中不仅具有有功 冲击分量，还有无功冲击分量。有功冲击负荷和无功冲击负荷会造成系统各点电压 的波动，波动的大小可按式4 1 计算【2 5 1 。 udr p 百2 亍+ i 丁 ( 4 1 ) u s ，xs ， l 中1 ， 式中，刚x 很小，造成电压波动的主要因素是无功冲击负荷。对于轨梁轧机， 其在轧制过程中是可逆的，而且频繁轧制。当可逆轧机咬钢时，由于晶闸管变流装 置控制角较大，功率因数很低，此时所需的无功功率就很大，造成系统的电压波动 较大。 一般由多机架组成的轧钢生产线，其冲击负荷计算应根据轧制程序表等因数编 制轧钢机有功和无功冲击负荷曲线，并进行迭加处理，从而得到轧机的综合曲线。 轧机冲击负荷的计算方法： 简化计算 计算步骤： ( 1 ) 求出整流变压器一次侧冲击负荷的视在容量s l ； ( 2 )计入电动机有功损耗时的整流变压器一次侧有功冲击负荷尸i ； ( 3 ) 求出整流变压器一次侧的无功冲击负荷q l 。 驴瓜”誓卜等 ( 4 - 2 ) 只= 肌w + 瞰( f 2 叫“】等m ( 4 - 3 ) q ，= s ? 一只2( 4 4 ) 简化计算条件： a ) 采用标幺值，即以电动机的额定值为基准参数； b ) 假定晶闸管的理想状态并忽略整流效率； c ) 由于基速以下功率因数较低，无功冲击负荷较大，计算中以基速以下计 1 9 华北电力人学工程硕士学位论文 算； d ) 忽略电动机空载负荷及变流器可能的环流。 轧机低速咬钢和带钢加速阶段冲击负荷成尖峰状态。 卢o 9 k 。= 0 9 2 5 ( 4 5 ) 轧机咬钢和加速完毕进入稳轧制阶段，i 可按轧制程序表中的轧制功率求得： ，：生 i 证 ( 4 6 ) 轧机在低速咬钢时，电动机的转速约为基速的1 3 = o 2 5 0 5时间为0 3 o 5 s 。 4 2 供电系统资料 4 2 1 电网和工厂的参数 a 1 供电系统参数 电压：1 0 k v 7 相数：3 频率：5 0 1 h z 接地：中性点非直接接地方式 三项对称短路容量：最大：3 7 2 7 m v 八，最小3 3 6 3 m v a 。 b ) 工厂的参数 主电机技术规格见表4 1 ；主传动变压器技术数据见表4 2 。 4 2 2 有功无功冲击负荷计算分析 根据轧制工艺参数，详细计算不同轧机的轧制时间所对应的有功功率、无功功 率、功率因数的值。计算过程以轧机b d l 为例，其他轧机的计