轧机的无功补偿及谐波治理的

轧机的无功补偿及谐波治理的 1450可逆成功案例

以1450型直流可逆轧机为典型案例，针对大、中、小型冶金轧钢企业，可逆直流轧机的运行特点以及由于运行工艺状况（可逆直流晶闸管调速非线性负荷）对电网造成的电网电压波动，电流、电压谐波超标严重，功率因数低下等电能质量现象，并以详细的设计数据及仿真模型，具体分析电能质量的严重状况，同时以详实的企业运行实况，描述在可逆直流轧机非线性动态负荷典型工况下，谐波治理及动态无功补偿方案及实施效果。并针对企业所取得的各项经济效益和对社会所做的贡献进行简单的概述。

1 概述

随着电力电子技术的飞速发展，我国的工矿企业中，电力电子器件的大量应用，可控、全控晶闸管作为主要开关元件，电力电子器件的整流设备，变频、逆变等非线性负荷设备的广泛应用，谐波问题亦日益广泛的提出。诸如谐波干扰、谐波放大、无功补偿失效及谐波无功电流对供电系统的影响等。上述电力电子设备是谐波产生的源头。谐波电流的危害是严重的，主要有以下几个方面：

（１）谐波电流在变压器中，产生附加高频涡流铁损，使变压器过热，降低了变压器的输出容量，使变压器噪声增大，严重影响变压器寿命；

（２）谐波电流的趋肤效应使导线等效截面变小，增加线路损耗；

（３）谐波电流使供电电压产生畸变，影响电网上其它各种电器设备不能正常工作，导致自动控制装置误动作，仪表计量不准确；

（４）谐波电流对临近的通讯设备产生干扰；

（５）谐波电流使普通电容补偿设备产生谐波放大，造成电容器及电容器回路过热，寿命缩短，甚至损坏；

（６）谐波电流会引起公用电网中局部产生并联谐振和串连谐振，造成严重事故及不良后果。

2 工程概述 2.1简介

工厂主要设备为两台1450可逆轧机，因采用晶闸管整流、直流可逆调速等原因造成用电谐波超标，功率因数过低，对周边电网用户造成很大谐波干扰，为此进行设备改造以提高功率因数，治理谐波，节约能源，提高电网质量，降耗增容。

该钢业公司安装了两套动态无功补偿滤波装置，安全运行个月以来，得到客户及当地供电局的高度认可——系统功率因数达到0.90以上，谐波含量满足国标要求。

2.2工程背景 2.2.1工程供电系统

图１工程供电系统图 2.2.2 （1450）轧机一次供电系统

图２（1450）轧机一次供电系统图

通过以上系统图得知：该公司110KV变电站通过一台16000KVA变压器为两台1450轧机供电。

该轧机因采用晶闸管整流及直流调速等原因造成用电谐波严重超标，功率因数过低，给用户造成很大的经济负担，同时对周边电网用户造成很大谐波干扰，为此该公司及当地供电局决定进行设备改造以提高功率因数，治理谐波，节约能源，提高电网质量，降耗增容。

2.3工程设计概要

图３（1450）轧机现场图片

2.3.1轧机（1450）轧机运行主要参数

（１）轧机为长期间断运行，根据钢板轧制厚度要求变速变向、变输出功率运行，运行时间大约为1～2小时/每卷带钢。

（２）轧机分为主轧机及左、右卷取机、开卷机等系统控制，运行。 主轧机整流变压器容量为4000KVA，数量2台，电压比10KV/0.8KV*2，直流电动机2000KW ，数量4台，电枢电压800VDC，单台电枢电流2174A，效率92%，负荷率80%；卷取机整流变压器容量为 3150KVA，数量2台，电压比10KV/0.8KV*2，直流电动机1250KW，数量4台，电枢电压800VDC，单台电枢电流1359A，效率92%，负荷率80%。

2.3.2（1450）轧机谐波测试数据

（以1450轧机一台主轧电动机电流谐波含量为例） （１）电流谐波含量棒图

图4.1 图４.2 图4.3

图４电流谐波含量棒图

图5电流、电压曲线图

表１电流谐波含量针对5、7、11、13次谐波数值 5次谐波

7次谐波

11次谐波

13次谐波

2.3.3设计补偿方案计算 （以主轧机为例）

主机直流电动机2000KW*2，电枢电压800VDC，电枢电流2655A，效率取90%，负荷率取100%

（１） 基波补偿容量 有功功率： P=U I =3168KW

视在电流： I =I ×0.816=2655×0.816×2=4333A 视在功率： S = ×U ×I = ×750×4333=5628KVA

% %

7.23

6A

%

10.15

2A

112.0

%

157.3

%

7.08

5A

%

15.1

A相（基波1550A） 20.58

A

235A

%

8.94

7A

115.0

%

6.15

97.47A

318.9

%

14.08

A

145.2

B相（基波1625A） 19.68

A

228.8

%

9.9%

319.8

%

14.39

A

156.9A

C相（基波1585A） 20.13

A

228.08319.06

功率因数：COSφ = P / S1=3168/5628=0.57 无功功率： Q1= =4651KVAR 实际基波补偿容量：4000KVAR （２）谐波补偿容量 Kvar

实际谐波补偿容量：3000KVAR

（３）变压器副边安装容量为4500KVAR动态无功补偿装置补偿后 补偿后无功功率： Q =4651－4000=651Kvar 补偿后视在功率： S = 3234kVA

补偿后功率因数：COSφ =3168/3234=0.98

通过以上计算，该轧机变压器补偿选用我公司DC-CFKPII动态无功功率补偿滤波装置：

装置内配置多路5次滤波器和7、11、13次滤波器，在提高功率因数的同时还按国家标准滤除谐波电流。

2.3.4 DC-CFKPII滤波装置系统图

2.3.5该工程仿真设计

（１）系统电流、电压仿真图（以5、7、11、13次谐波为主要参考量） 图7.1系统电流波形

图7.2母线电压波形

（２）滤波器组和系统阻抗仿真图

图８阻抗特性曲线

（３）滤波器组投入前后电流仿真图（以5、7、11、13次谐波为主要参考量） 图9滤波器组投入前后电流仿真图

通过以上仿真计算表明：5、7、11、13次谐波得到大幅度治理，使其完全符合国标要求。

2.4 DC-CFKPII滤波装置投入前后实际运行效果及经济效益 2.4.1 DC-CFKPII装置投入前后电流棒形图、波形图及谐波含量： 图10.1补偿前A相谐波电流棒形图 图10.2补偿后A相谐波电流棒形图 图10.3补偿前B相谐波电流棒形图 图10.4补偿后B相谐波电流棒形图

图10.5补偿前C相谐波电流棒形图 图10.6补偿后C相谐波电流棒形图 图10.7补偿前电压、电流波形图 图10.8补偿后电压、电流波形图

表２补偿前后主轧机功率变化对比表（轧制过程三道次实测数据）

补A相（基波B相（基波C相（基波

偿前

1550A）

1625A）

1585A）

5次20.318.

19.319.8

20.1319.谐波

58%

9A

68%

A

3%

06A

7次15.

23514.228.814.3228.谐波

1%

A 08%

A

9%

08A

1110.157.8.9

145.279.9156.

次谐波

15%

32A

4%

A %

9A

137.2

112.7.0

115.056.1597.4

次谐波

3% 06A 8% A

%

7A 补A相（基波

B相（基波975A）

C相（基波951A）

偿后

930A）

5次7.7

71.6

8.5

83.46

6.39

60.7

谐波

% A 6%

A

%

6A

7次7.3

67.8

6.1

59.87

7.72

73.4谐波

1% A 4%

A

%

A

111.6

15.3

2.0

19.69

2.74

26.0

次谐波

5% 4A 2%

A

%

5A

130.9

8.7A

0.9

8.87A

1.31

12.4

次谐波

4% 1%

％

5A

补偿前后电流谐波对比表（以5、7、11、13次谐波为例）

补前

补后

备注

国标

162A

115A 73A A

注：国标值是根据

实际短路容量换算后值

（见附件二）

视在功率

2148KVA

S

有功功率

1224KW

主轧主机

Q

功率因数 视在电流

1560A

A

通过以上数据表明；DC-CFKPII滤波装置投入后，治理前后电流谐波下降率效果是明显的，尤其对于5、7、11、13次谐波，针对钢业公司选用的是6相12脉波整流变压器，理论证明，对12脉波整流变压器反映到一次侧10KV电网时其5、7次电流谐波理论值应为零。只有11、13次谐波在10KV网侧可以记录，但从上表记录可以看出其值已很小，同时功率因数达到0.9以上，5、7、11、13次谐波达到国标。

2.4.2 DC-CFKPII无功补偿及滤波装置投入后其经济效益：

（１）功率因数从小于0.57提升到0.92以上，电费由每月罚款十几万变为每月奖励数千元。

（２）谐波得到治理，大大减少了运行中电气故障及电子元件的损坏。

（３）该公司16000KVA变压器得到增容，由另一台16000KVA变压器所带的负荷均转接到同一台变压器上运行，该企业停掉一台16000KVA变压器，该变压器每月节省占容费约

950A

COSΦ=0.57

COSΦ=0.93

P

无功功率

1765kvar

482kvar

1224KW

1316KVA

24万元。现转接过来的各型轧机直流调速系统均安装了FTFC动态无功补偿及谐波治理装置，该装置运行以来，为客户创造了相当可观的经济效益。

2.5 DC- CFKPII动态无功补偿工作原理及特点

2.5.1DC- CFKPII动态无功补偿工作原理

CFKPII系列动态无功补偿滤波装置，主要由监控终端、开关模块、电容器、电抗器、断路器、机柜等构成，控制器采用前馈式检测（三相平衡负荷、采集单相信号；三相不平衡负荷，采集三相信号），以负载的实时无功功率为投切物理量，应用瞬时无功控制理论及网压支持算法，在20ms内完成信号数据采集、计算、及控制输出；投切开关接到投切指令后，在小于10ms内完成零电流投入，投切无涌流，对电网无冲击，并且在主电路和开关中采取措施，避免了投切电容的冲击，使运行更加稳定、安全、可靠。

对于谐波含量比较大的系统中DC-KPII装置由电容器串联滤波电抗器组合而成，在工频呈电容性，改善功率因数，在所设计的谐振频率时形成串联谐振，使此L-C回路在此频率时形成非常低的阻抗，而能吸收大部分的谐波电流，从而改善系统中电压和电流的谐波畸变率。在实际工作中，负载特性和容量不尽相同，根据情况，设计不同的用途（单调谐、双调谐、高通、组合等），不同谐振频率（5次7次11次13次等），不同容量的谐波滤波器，滤波型一般需要非标准设计。（见系统图2.3.4）

2.5.2 DC-CFKPII动态无功补偿及谐波治理装置的主要特点 （１）快速投切技术，无电流冲击，并且达到TCR同等补偿速率； （２）占地面积小基建成本低，低压操作安全，维护容易； （３）装置不产生谐波，铁心电抗器无射频干扰； （４）可以有效减少供配电系统损耗，节能效果显著； （５）可以解决用户的增容问题；

（６）可以滤除用户谐波，净化电网，供配电系统及自动控制系统运行更为安全可靠； （７）零电流投切，不会产生振荡现象。系统响应时间≤30ms； （８）装置补偿故障时自动退出，不会影响整个供电系统； （９）采用防暴、自愈、滤波型电容器；

（１０）该装置具有过流、过压、三相不平衡等保护功能，并能在无人坚守的情况下正常运行。

2.6 设计依据标准

GB/T14549-93 《电能质量，公用电网谐波》； GB/T15576-2008 《低压成套无功功率补偿装置》 GB3983.1- 《低电压并联电容器》；

GB7251.1-2005 低压成套开关设备和控制设备 GB4208-93 外壳防护等级（IP代码）

GB3797- 电控设备第二部分装有电子器件的电控设备 GB4720-84 电控设备第一部分低压电器电控设备 GB12747-91 自愈式低压并联电容器 2.7.结论

（１）无功功率动态补偿谐波治理的理论是可行的；

（２） DC-CFKPII智能型动态无功补偿晶闸管滤波装置整体设计是合理的，设计参数是基本正确的，并能保证可靠运行。装置结构先进，技术含量高，产品符合有关国家标准要求；

（３）装置投入后节能效果明显，视在功率下降38.7%，变压器及电网系统线损下降≥39%，变压器增容≥39%；

（４）装置投入后谐波治理效果明显，电压及电流谐波指数均能满足GB/T14549-93“电能质量公用电网谐波”国标要求。

参考文献

1. 中国国家标准GB/T14549-93《电能质量·公用电网谐波》中国标准出版社。 2. 刘进军，王兆安 LC滤波的单相桥式整流电路网侧谐波分析.电力电子技术1996.2

3. 王兆安，杨军等．谐波抑制和无功功率补偿机械工业出版社 4. 天津电气传动设计研究所，电气传动自动化技术手册机械工业出版社 5. 杨啸天主编，电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术务实全书.中国电力科技出版社

6. 苏文成，金子康．无功补偿与电力电子技术机械工业出版社