无功动态自动补偿系统在冷轧机中的应用

安利娟，梅树朋，区兴华

(1．中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032;2．中山中粤马口铁工业有限公司，广东 中山 528437)

1 前言

轧机在冶金行业中作为主要加工设备得到了广泛的应用，由于轧机工作的特点，工作周期较短，速度快，属于冲击性负荷，无功波动大，因此在轧钢时会产生有害高次谐波，主要是以5、7、11、13次为代表的奇次谐波及旁频，使电网电压产生严重畸变，引起电气设备发热，振动，增加损耗，缩短寿命，干扰通讯，使可控硅误触发，部分继电保护误动作，电气绝缘老化损坏等。同时功率因数非常低，一般在0.7左右。轧制直流传动系统在工作时除了功率因数较低外，功率大的轧机还会引起电网电压急剧波动，使照明、显示器屏幕等产生闪烁，引起人的视觉疲劳而烦燥，此外还影响可控硅设备，精密仪表或电网内其它设备的稳定运行，甚至产生质量事故。为了有效解决由此产生的问题，无功动态自动补偿系统的投入可以完美的解决上述问题，保证母线电压平稳，无谐波干扰，提高功率因数。

2 轧机传动系统

中山中粤基板厂共有两套相同配置的轧机，每套轧机均配有直流电机，其中每套包括2台主电机各1 300 kW、4台卷取电机各728 kW、1台248 kW开卷电机，轧机供电系统电压为10 kV，主机传动系统由1台变压器(容量为4 500 kvar，供电电压为10/0.75 kV)整流变供电，左右卷取传动系统供电由2台整流变压器(容量均为2 500 kvar，供电电压为10/0.66 kV)分别提供。轧机传动系统均为直流传动装置，这些设备均接入10 kV母线，通过3台变压器与上级电网相连。

两套轧机正常工作时除了会产生大量高次谐波电流注入系统，还将产生很大的无功功率和有功功率冲击，直接导致10 kV供电母线较大的电压波动，严重影响和恶化电网的电能质量，另一方面还会威胁接入同一电网内的其它主电机、控制设备和换流设备的自身安全、稳定运行;同时，由于负荷的功率因数较低，用户还有可能遭受低功率因数罚款。根据测试可知轧机正常工作时负载动态变化较大，导致系统功率因数低至0.65，在整流变压器单个低压绕组侧产生的5次谐波电流含量达到了20%～25%，7次谐波电流达到了8%，高次谐波电流注入高压侧电网，导致电力系统中高次谐波含量迅速增长，引起供电电压波形畸变，增加了线损和用电设备的损耗，造成了多余的能耗，影响电网其他用电设备的正常运行，降低了电能质量，影响了电网的用电安全，对设备的安全运行造成了安全隐患。

图1，2所示为中山中粤基板厂轧机主机及卷取机工作时电压及电流畸变的波型。

为保障电网电压稳定合格、提高功率因数、避免无功罚款、降损节能、有效抑制和治理谐波，提高轧机的利用率及电能质量，中山中粤基板厂采取了在10 kV高压母线端装设了高压动态无功功率补偿装置，采用了高压自动无功补偿装置(HVC)和高压动态无功补偿装置(TRC)相结合的方案。高压自动无功补偿装置电容器组由真空接触器投切，高压动态无功补偿装置电容器组由可控硅投切，实现严格的电流过零投切，电容投切过程中无涌流冲击，无操作过电压，无电弧重燃现象，无电压闪变现象，能在20 ms内快速跟踪系统无功变化，可频繁投切。

高压自动无功补偿装置主要用来补偿系统较稳定的无功变化不频繁的基本负荷。根据负荷的变化由高压动态无功补偿装置快速反应，跟踪补偿无功变化较快，波动负荷大的轧机部分负荷。在对负荷进行补偿的整个过程中，自动与动态相互配合，高压自动无功补偿装置补偿基本无功，高压动态无功补偿装置快速响应，组合投切实现细调，既能保证补偿精度，又可实现动态快速跟踪补偿。

中山中粤基板厂每套轧机配置了3套无功动态补偿系统，装置容量为7 200 kvar，基波补偿容量为 5 275 kvar，容量分别为 4 200 kvar、1 800 kvar、1 200 kvar。使10 kV系统功率因数在0.95以上，高次谐波含量满足国家标准GB/T14549－93要求，稳定电网电压，降低损耗。

3 系统控制原理及功能

轧制时轧机引起的电能质量问题主要有电压波动、电压闪变和谐波电流等。而一般普通静态的无功补偿投切速度慢，不适合负载变化频繁的场合，容易产生欠补或者过补偿，造成电网电压波动，损坏用电设备。并且触点投切设备寿命短，噪声大，维护量大，影响电容器使用寿命。而无功动态自动补偿控制系统原理是根据负荷工作状态改变与电抗器串联的晶闸管的导通角，从而改变电抗器提供的感性无功，起到平滑调节供电系统无功功率的作用(调节原理如图3)。可对任何负载情况进行实时快速补偿，并有稳定电网电压功能，提高电网质量;无触点零电流投切技术增加了电容器使用寿命，减小对电网的冲击。系统中谐波治理设备具有动态跟随负荷的变化的特性，能有效提高电网的电能质量、功率因数和节约电能，同时提高整个用电系统运行的可靠性及设备运行效率，降低整体运行成本和设备维护费用，延长设备的使用寿命。无功动态自动化补偿是目前治理电能质量问题综合性能较好的一种方式。

图3 调节器原理图Fig.3 Schematic diagram of regulator

因此，中山中粤基板厂在轧机供电10kV母线侧装设了无功动态自动补偿系统，该系统具有无功补偿并兼有抑制谐波功能，系统采用了晶闸管做为投切开关，在线自动投切滤波器组技术，通过实时采集10kV母线的电压、电流信号，经控制器运算输出投切信号，实现在线动态低涌流投切。

系统由全数字控制柜、晶闸管阀组、主电抗器、纯水冷却系统、FC滤波回路组成。系统中晶闸管叠装压接式、纯水冷却、内取能、内阻尼、空气绝缘，BOD保护。由并联晶闸管多个串联组成，其过电压保护的BOD器件与其他电子器件一起构成晶闸管二次触发回路，使晶闸管免受过电压冲击而损坏。晶闸管为电气特性优良ABB产品，采用光电转换方式，自动完成各高电位电子单元循检，高压光缆传递信号。纯水机提供高纯水作为TCR阀的冷却介质。(水一水型及水一风型)

主电抗器为空心、干式、铝线环氧固化型，线性度高，噪音小，动热稳定性好，损耗小，绝缘强度高，散热好。作为一个可控的感性负载，通过电子调节器和反并联连接的可控硅阀的相位控制，改变补偿电抗器的电流大小，从而达到动态无功补偿的目的。

TCR阀的触发监控系统采用脉冲编码，光发送，光接收，微机实时监控TCR晶闸管运行状况。TCR阀是高压电力电子设备，为解决弱电触发系统与强电高压系统的电位隔离问题。采用了ABB及西门子公司的光电转换技术，同时也解决了高压晶管阀工作时的检测问题，它能在低压侧直接运算显示、报警、跳闸。

调节器是晶闸管开关的控制系统，采用西门子公司的全数字控制系统，通过测量、比较、放大、移相触发环节，按一定的调节规律产生晶闸管开关所需要的触发脉冲，控制其触发角大小，调节补充电控器的电流，达到所要求的无功功率。矢量运算、逻辑判别、锁频、锁相、线性化处理，有源滤波、数字触发、运算快，响应时间5～10 ms，触发精度≤1个电角度。

采用用DSP实现动态无功补偿程序投切及继电保护，用工控计算机实现动态无功补偿自动化管理功能。

滤波电容器组为金属全膜带内熔丝电容器、外设外迷人丝、CT、ZNO、放电线圈、构架等。

4 系统特点及补偿效果

无功补偿及滤波系统具有动态响应时间快的特点，动态响应时间小于10ms，可实现平滑调节;运行可靠，保护措施齐全，维护量小控制灵活;调节方式多样，可按无功电压或无功功率投切，并可手动/自动转换，分相投切，具有在线动态投切功能，可满足较平稳负荷的无功补偿及谐波滤波，可实时跟踪并自动补偿无功功率，每台补偿柜具有在线自动及手动投切功能，实现无冲击、低涌流自动投切，延长设备使用寿命;由于采用自动投切，不产生过补和避免系统产生谐振。中山中粤基板投入无功补偿及滤波系统可实现电能质量的根本优化。补偿后功率因数大于0.92，误差0～10%。

5 结束语

中山中粤基板厂2008年1月到8月每月功率因数过低被罚无功电能为9.07万度，每度按0.7元计，每月计罚6.35万元，9、10月新增无功补偿装置运行后，功率因数达到0.9以上，给用户带来明显的经济效益，因没有因功率因数低而被罚，每月直接经济效益为6.35万元，一年效益为76.2万元。因此，无功动态自动补偿系统装置的投入，对改善电网及用户供电系统的电能质量，提高功率因数，稳定电网运行水平起到积极、重要的作用。

［1］ 靳龙章．电网无功补偿实用技术［M］．北京:中国水利水电出版社，1998，25(3)．

［2］ 王兆安，杨君，刘进军，等．谐波抑制和无功功率补偿［M］．北京:机械工业出版社，2006，7．