1、概述 萊鋼l500mm熱軋帶鋼工程由10kV供電，主要負(fù)載為粗軋機(jī)、精軋機(jī)、輔傳動(dòng)及動(dòng)力負(fù)荷等，其中粗軋機(jī)有交交變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)2臺，每臺功率4500 kW，F(xiàn)[SUB]1[/SUB]～F[SUB]3[/SUB]精軋機(jī)有交交變額調(diào)速電動(dòng)機(jī)3臺，每臺4000 kW，F(xiàn)[SUB]4[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機(jī)有交交變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)3臺，每臺3500kW，直流輔助傳動(dòng)負(fù)載共計(jì)1500kW，飛剪直流傳動(dòng)負(fù)載共計(jì)435kW，卷筒、活套等直流傳動(dòng)負(fù)載共計(jì)680kW，其他負(fù)荷為交直變變頻驅(qū)動(dòng)負(fù)載，共計(jì)約7300kW。 負(fù)載的特點(diǎn)為軋機(jī)負(fù)載容量大，是電網(wǎng)產(chǎn)生波動(dòng)的根源，其中尤以初軋機(jī)的沖擊負(fù)荷最大；R[SUB]1[/SUB]初軋機(jī)和F[SUB]1[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機(jī)負(fù)載均為交交變頻負(fù)載，具有旁頻諧波：整流負(fù)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(shí)，其產(chǎn)生的無功和諧波量有很大不同。 對上述負(fù)載的總體動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波濾波的設(shè)計(jì)是必要的。無功補(bǔ)償及諧波濾波設(shè)計(jì)需要解決軋機(jī)及其輔傳動(dòng)所產(chǎn)生的無功及諧波，以達(dá)到提升運(yùn)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(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。 2、無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)應(yīng)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(jī)、F[SUB]1[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機(jī)主傳動(dòng)部分，豐要矛盾是無功沖擊、電壓波動(dòng)及諧波濾波；Ⅱ段母線主要包括輔傳動(dòng)及其他輔助負(fù)載，主要矛盾是無功補(bǔ)償。I段母線因含有R[SUB]1[/SUB]初軋機(jī)、F[SUB]1[/SUB]～F[SUB]6[/SUB]精軋機(jī)，負(fù)載沖擊很大；II段母線為輔助負(fù)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(diǎn)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(bǔ)償量，功態(tài)響應(yīng)速度快，可以解決主軋機(jī)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(fù)載為輔傳動(dòng)，負(fù)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(shí)又能滿足電網(wǎng)要求。Ⅱ段母線的功率因數(shù)補(bǔ)償指標(biāo)設(shè)計(jì)為>0.92。 3）兩段的綜合效果為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(hù)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(hù)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(hù)）、繼電保護(hù)系統(tǒng)（包括FC、TCR系統(tǒng)的各種保護(hù)）。 2.2、I段母線FC+TCR型SVC的補(bǔ)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(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。FC濾波器用于無功補(bǔ)償及諧波濾波，該濾波器應(yīng)完成以下兩個(gè)任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的容性無功功率、濾除負(fù)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(fù)載的波動(dòng)所產(chǎn)生的感性無功功率，該相控電抗器應(yīng)完成以下兩個(gè)任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的感性無功功率、穩(wěn)定負(fù)載沖擊所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)包括兩個(gè)方面：一方面為整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)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(bǔ)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(dāng)于電感負(fù)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無功功率的目的。負(fù)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(shè)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(fù)載諧波含量的不同組成若干組不同的LC補(bǔ)償濾波同路。 FC濾波器所要濾除的諧波，主要來自于兩個(gè)方面：一方面是負(fù)載所產(chǎn)生的諧波，主要來自于整流設(shè)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(shí)際中，當(dāng)容量較大時(shí)，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(shí)得到額外的保護(hù)。 2.3、Ⅱ段母線FC濾波裝置補(bǔ)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(bǔ)償及諧波濾波，該濾波器應(yīng)完成以下兩個(gè)任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的容性無功功率及濾除負(fù)載所產(chǎn)生的諧波?？刂葡到y(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供繼電保護(hù)。 FC濾波器所要濾除的諧波主要來自于負(fù)載的整流設(shè)備，其特征諧波為5次、7次、11次、13次等。但由于Ⅱ段母線負(fù)載的諧波源較少，將該濾波器設(shè)計(jì)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(bǔ)償及諧波濾波系統(tǒng)的容量計(jì)算 （1）諧波計(jì)算理論依據(jù) 1）電動(dòng)機(jī)額定容量 式中K[SUB]Uu[/SUB] ——變壓器電壓計(jì)算系數(shù)，取1： K[SUB]1[/SUB] ——變壓器電流計(jì)算系數(shù)，12脈沖取0.789； K[SUB]t[/SUB] ——電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)，粗軋取2.5，精軋取1； P[SUB]dn[/SUB] ——電動(dòng)機(jī)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(bǔ)償容量的選擇 本無功補(bǔ)償及諧波濾波裝置容量計(jì)算是采用PSCAD仿真軟件，日前在世界范圍內(nèi)被廣泛運(yùn)用，國內(nèi)像清華大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院等電力系統(tǒng)權(quán)威機(jī)關(guān)在使用。采用仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：補(bǔ)償及濾波裝置未投入運(yùn)行前便可預(yù)知其運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)電力技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過調(diào)整可以設(shè)計(jì)出較為理想的無功補(bǔ)償及諧波濾波裝置，避免了盲目性，對裝置的設(shè)計(jì)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(yùn)行后的平均功率因數(shù)按0.95計(jì)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(bǔ)償點(diǎn)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(yùn)行后的平均功率因數(shù)按0.92計(jì)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(bǔ)償點(diǎn)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(jì)算及仿真曲線 根據(jù)諧波計(jì)算理論，對設(shè)備容量進(jìn)行了計(jì)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(jì)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(jì)算 [/ALIGN] 對于I段母線SVC裝置進(jìn)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(shè)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(biāo)） 濾波后（達(dá)標(biāo)） 2）注入系統(tǒng)殘余諧波電流 3）10 kV母線電壓波動(dòng) 濾波前（超標(biāo)） 濾波后（達(dá)標(biāo)） 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(fù)載，因其功率因數(shù)很高，不參與容量計(jì)算。直流輔傳動(dòng)，負(fù)載共計(jì)l509 kW。飛剪直流傳動(dòng)，負(fù)載共計(jì)435 kW。卷筒、活套等直流傳動(dòng)負(fù)載共計(jì)680 kW。其他負(fù)荷為交直變變頻驅(qū)動(dòng)，負(fù)載共計(jì)約7300 kW。計(jì)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(jì)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(biāo)） 濾波后（達(dá)標(biāo)） 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(hù)及控制系統(tǒng) 裝置的保護(hù)及控制系統(tǒng)包括兩個(gè)方面：第一為整個(gè)系統(tǒng)的繼電保護(hù)擰制：第二為相控電抗器的調(diào)相控制。繼電保護(hù)控制及觸發(fā)信號的轉(zhuǎn)換由保護(hù)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(hù)由西門子的SLMADYN——D數(shù)控系統(tǒng)來完成。 繼電保護(hù)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(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)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(hù)、低電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、電容器的過壓、過流保護(hù)、不平衡電壓保護(hù)、不平衡電流保護(hù)、接地保護(hù)等。 當(dāng)有故障產(chǎn)生時(shí)按下列方式動(dòng)作：當(dāng)出現(xiàn)輕故障時(shí)，首先報(bào)輕故障，該輕故障持續(xù)定時(shí)問后報(bào)重故障；當(dāng)有重故障產(chǎn)生時(shí)，自動(dòng)停機(jī)，蜂嗚器報(bào)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(bào)警，直到手動(dòng)復(fù)位為止。 3、結(jié)論 系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波濾波技術(shù)，在投運(yùn)后運(yùn)行狀況良好，控制精度高，操作方便，運(yùn)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(bǔ)償量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，解決了R[SUB]1[/SUB]初軋機(jī)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(jī)在生產(chǎn)過程中，Ⅱ段10 kV母線上的負(fù)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(bǔ)償指標(biāo)設(shè)計(jì)為0.92。 在投運(yùn)后，沒有因?yàn)殡娋W(wǎng)的擾動(dòng)原因造成停機(jī)，電網(wǎng)的工作很正常，減少了可能由于停機(jī)而帶來的損失，創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益。