山東德佑電氣股份有限公司的研究人員孫國歧、魏曉賓、張玲艷、肖恩愷、劉濤，在2017年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，針對軋機行業(yè)用電負(fù)荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，提出了晶閘管投切開關(guān)在角外、濾波電抗器在角內(nèi)的動態(tài)無功補償及諧波治理方法，并結(jié)合現(xiàn)場運行情況給出了具體的實施方案，補償后功率因數(shù)顯著提高，電能質(zhì)量明顯改善。最后給出了補償前后電流的運行數(shù)據(jù)對比，驗證了本文方法的有效性。

隨著我國冷軋機行業(yè)的日益發(fā)展，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗。冷軋機主要設(shè)備為冷軋主機、退火爐、冷軋開卷卷取機等設(shè)備，其驅(qū)動方式大都采用的是移相觸發(fā)可控硅構(gòu)成的6脈波整流電路，因而產(chǎn)生的5次、7次、11次諧波電流特別多。

軋機屬于沖擊性負(fù)荷[1-3]，由于負(fù)荷電流快速頻繁波動，電流諧波畸變率高達50%-100%，諧波電壓高達8%-15%，設(shè)備工作時功率因數(shù)在0.2-1之間變化，平均功率因數(shù)0.6左右。而且在其工作時，產(chǎn)生很大的電流沖擊和無功沖擊，使得供配電系統(tǒng)穩(wěn)定性大大降低，系統(tǒng)電壓大幅波動，電壓畸變率大，影響用電設(shè)備的安全可靠性[4-9]。

此外，軋機沖擊性負(fù)荷會造成電力系統(tǒng)的電壓和頻率波動[9-11]，這些波動會對用電設(shè)備造成以下影響：

（1）電動機的轉(zhuǎn)矩T與電壓U2成正比，如果電動機長期運行在低電壓處，負(fù)荷轉(zhuǎn)矩保持不變，定子繞組的電流增加會造成電動機轉(zhuǎn)子發(fā)熱，嚴(yán)重時電動機燒壞。

（2）電壓降低使電磁元件及電氣設(shè)備誤動作。如繼電器、接觸器、磁力啟動器吸合緩慢，燒壞觸頭等，甚至造成抱閘打不開，電機不能工作。

（3）晶閘管變流裝置整流電壓與系統(tǒng)電壓成正比，當(dāng)系統(tǒng)電壓變化時，整流電壓隨之變化，移相器移相角相應(yīng)變化，直流輸出最終發(fā)生變化。

（4）電壓波動造成電子控制系統(tǒng)失效。

（5）照明的光通量與電壓U3.6的成正比，發(fā)光率與電壓U2成正比，電壓波動嚴(yán)重影響照明質(zhì)量。

本文針對上述冷軋機負(fù)荷特性對電網(wǎng)的影響，提出了晶閘管投切開關(guān)在角外、濾波電抗器在角內(nèi)的動態(tài)無功補償及諧波治理方法，并結(jié)合現(xiàn)場運行情況給出了具體的實施方案，運行結(jié)果表明本文方法具有顯著的效果。

1 現(xiàn)場工況分析

以山東某軋機廠1450軋機生產(chǎn)線為例對現(xiàn)場工況情況進行分析。該廠主機整流變?nèi)萘繛?/span>2500kVA，電壓等級為10kV/0.66kV，冷軋主機配置2臺，容量為2*795kW，開卷、卷取整流變?nèi)萘繛?/span>2500kVA，電壓等級為10kV/0.4kV,直流電機配置4臺，容量為4*284kW，主要負(fù)荷為6脈硅整流調(diào)速直流馬達的軋機設(shè)備。

現(xiàn)場對 400V開卷、卷取機系統(tǒng)的電壓、電流、功率等電氣量進行了詳細(xì)的測試。系統(tǒng)電流總畸變率為0.4左右，5次、7次、11次諧波電流很大，電壓總畸變率達到0.1以上，嚴(yán)重超出電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。變壓器下側(cè)負(fù)荷平均功率因數(shù)僅為0.6左右，存在嚴(yán)重的無功缺額，造成變壓器輸出有功嚴(yán)重不足，另外變壓器發(fā)熱問題較為嚴(yán)重。

2補償技術(shù)方案

針對軋機的負(fù)荷特性，無功補償設(shè)備基本要求[12]為：（1）能夠根據(jù)負(fù)荷無功功率的變化情況，進行實時跟蹤補償供電系統(tǒng)；（2）能夠有效降低系統(tǒng)諧波對無功補償設(shè)備的影響，防止諧波放大與系統(tǒng)共振；（3）能夠濾除系統(tǒng)低次諧波電流，顯著降低諧波危害和無功功率。

基于上述考慮，本文提出了一種基于零電壓投切晶閘管的動態(tài)無功補償及濾波裝置（DYTSF）治理方案，該裝置能夠快速跟蹤補償無功缺額并能夠濾除系統(tǒng)中諧波電流。

 DYTSF主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，晶閘管開關(guān)放在角外，三控三方式，相間電壓由兩相可控硅承擔(dān)，大大提高了可控硅開關(guān)的耐受電壓擊穿能力；濾波器電抗器放在角內(nèi)，流入的是相電流，在同樣補償容量下，通過的實際電流值減小，大大提高了電抗器余度。

裝置采用電壓過零點投切，無涌流，不會對電容器產(chǎn)生沖擊，同時也不會受到電網(wǎng)電壓諧波的影響。裝置具有分相補償?shù)墓δ?，控制器檢測電網(wǎng)AB、BC、CA的電壓、電流信號，通過計算得出系統(tǒng)各相的無功缺額及諧波電流大小，解決系統(tǒng)三相不平衡問題。

動態(tài)無功補償裝置由斷路器、大功率晶閘管投切開關(guān)、濾波電容器、濾波電抗器、控制器、柜體等組成。采用全智能控制及微機監(jiān)測技術(shù)，投切開關(guān)采用大功率晶閘管反并聯(lián)，實現(xiàn)對濾波電容器組的快速投切，具有投切準(zhǔn)確，無涌流沖擊、無過渡過程等優(yōu)點。裝置將電容器組容性無功補償系統(tǒng)的感性無功，從而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

圖1  三相角接分補電路

根據(jù)國標(biāo)要求[13,14]，本方案將功率因數(shù)補償?shù)?/span>0.92以上，電壓畸變率控制在5%以內(nèi)，諧波電流濾除50%左右。

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，功率因數(shù)由0.6提高到0.92以上需要基波無功補償容量約為1300kvar，電容器額定電壓為480V,安裝容量應(yīng)為1872kvar。選取型號為DYTSF-0.48-1872的晶閘管投切動態(tài)無功補償及濾波裝置。

具體配置為：（1）前8條支路的每條安裝電容器的容量為3*22.285*3=200.5kvar，共計1605kvar，每條支路濾波50A；（2）后2條支路每條安裝電容器的容量為2*22.285*3=133.7kvar，共267kvar,每條支路濾波35A；（3）柜體尺寸3*（1000*1000*2200m）。

具體方案配置如表1所示，具體補償目標(biāo)如表2所示。

表1 無功補償配置方案表

表2   系統(tǒng)補償目標(biāo)

3 實施效果

將上述方案安裝于該廠并投運后，補償效果明顯，功率因數(shù)由當(dāng)初的0.6提高到0.92，諧波電流降低了將近一半，電能質(zhì)量得到明顯改善，同時配電變壓器的溫升顯著降低。各次諧波電流濾除明顯，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

其中5次諧波電流從259.1A降低至78.4A，諧波濾除率為69.7%，7次諧波電流從76.4A降低至18.2A，諧波濾除率為76.1%，11次諧波電流從33.3A降低至24.8A，諧波濾除率為25.5%，與設(shè)計效果基本相吻合。

表3   補償效果

4 總結(jié)

本文針對軋機行業(yè)用電負(fù)荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，提出了晶閘管投切開關(guān)在角外、濾波電抗器在角內(nèi)的動態(tài)無功補償及諧波治理方案，補償后功率因數(shù)顯著提高，電能質(zhì)量明顯改善，同時降低了配電變壓器及用電設(shè)備中的電能損耗，有效的保證了低壓配電系統(tǒng)的安全可靠運行。