1450型直流可逆軋機為典型案例，針對大、中、小型冶金軋鋼企業(yè)，可逆直流軋機的運行特點以及由于運行工藝狀況（可逆直流晶閘管調(diào)速非線性負荷）對電網(wǎng)造成的電網(wǎng)電壓波動，電流、電壓諧波超標(biāo)嚴(yán)重，功率因數(shù)低下等電能質(zhì)量現(xiàn)象，并以詳細的設(shè)計數(shù)據(jù)及仿真模型，具體分析電能質(zhì)量的嚴(yán)重狀況，同時以詳實的企業(yè)運行實況，描述在可逆直流軋機非線性動態(tài)負荷典型工況下，諧波治理及動態(tài)無功補償方案及實施效果。并針對企業(yè)所取得的各項經(jīng)濟效益和對社會所做的貢獻進行簡單的概述。

1　概述

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，我國的工礦企業(yè)中，電力電子器件的大量應(yīng)用，可控、全控晶閘管作為主要開關(guān)元件，電力電子器件的整流設(shè)備，變頻、逆變等非線性負荷設(shè)備的廣泛應(yīng)用，諧波問題亦日益廣泛的提出。諸如諧波干擾、諧波放大、無功補償失效及諧波無功電流對供電系統(tǒng)的影響等。上述電力電子設(shè)備是諧波產(chǎn)生的源頭。諧波電流的危害是嚴(yán)重的，主要有以下幾個方面：

?。ǎ保?諧波電流在變壓器中，產(chǎn)生附加高頻渦流鐵損，使變壓器過熱，降低了變壓器的輸出容量，使變壓器噪聲增大，嚴(yán)重影響變壓器壽命；

?。ǎ玻?諧波電流的趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線等效截面變小，增加線路損耗；

　（３） 諧波電流使供電電壓產(chǎn)生畸變，影響電網(wǎng)上其它各種電器設(shè)備不能正常工作，導(dǎo)致自動控制裝置誤動作，儀表計量不準(zhǔn)確；

?。ǎ矗?諧波電流對臨近的通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾；

?。ǎ担?諧波電流使普通電容補償設(shè)備產(chǎn)生諧波放大，造成電容器及電容器回路過熱，壽命縮短，甚至損壞；

　（６） 諧波電流會引起公用電網(wǎng)中局部產(chǎn)生并聯(lián)諧振和串連諧振，造成嚴(yán)重事故及不良后果。

2　工程概述

2.1簡介

　　工廠主要設(shè)備為兩臺1450可逆軋機，因采用晶閘管整流、直流可逆調(diào)速等原因造成用電諧波超標(biāo)，功率因數(shù)過低，對周邊電網(wǎng)用戶造成很大諧波干擾，為此進行設(shè)備改造以提高功率因數(shù)，治理諧波，節(jié)約能源，提高電網(wǎng)質(zhì)量，降耗增容。

該鋼業(yè)公司安裝了兩套動態(tài)無功補償濾波裝置，安全運行個月以來，得到客戶及當(dāng)?shù)毓╇娋值母叨日J(rèn)可系統(tǒng)功率因數(shù)達到0.95以上，諧波含量滿足要求。

2.2工程背景

該公司110KV變電站通過一臺16000KVA變壓器為兩臺1450軋機供電。

該軋機因采用晶閘管整流及直流調(diào)速等原因造成用電諧波嚴(yán)重超標(biāo)，功率因數(shù)過低，給用戶造成很大的經(jīng)濟負擔(dān)，同時對周邊電網(wǎng)用戶造成很大諧波干擾，為此該公司及當(dāng)?shù)毓╇娋譀Q定進行設(shè)備改造以提高功率因數(shù)，治理諧波，節(jié)約能源，提高電網(wǎng)質(zhì)量，降耗增容。

2.3工程設(shè)計概要

2.3.1軋機（1450）軋機運行主要參數(shù)

　　（１）軋機為長期間斷運行，根據(jù)鋼板軋制厚度要求變速變向、變輸出功率運行，運行時間大約為1～2小時/每卷帶鋼。

　?。ǎ玻┸垯C分為主軋機及左、右卷取機、開卷機等系統(tǒng)控制，獨立運行。

主軋機整流變壓器容量為4000KVA，數(shù)量2臺，電壓比10KV/0.8KV*2，直流電動機2000KW ，數(shù)量4臺，電樞電壓800VDC，單臺電樞電流2174A，效率92%，負荷率80%；卷取機整流變壓器容量為 3150KVA，數(shù)量2臺，電壓比10KV/0.8KV*2，直流電動機1250KW，數(shù)量4臺，電樞電壓800VDC，單臺電樞電流1359A，效率92%，負荷率80%。

2.3.2（1450）軋機諧波測試數(shù)據(jù)

　　                                                    1450軋機一臺主軋電動機電流諧波含量為例

 

表１電流諧波含量針對5、7、11、13次諧波數(shù)值

 

2.3.3設(shè)計補償方案計算

（以主軋機為例）

主機直流電動機2000KW*2，電樞電壓800VDC，電樞電流2655A，效率取90%，負荷率取100%

（１）基波補償容量　

有功功率：  P=U I =3168KW

視在電流：  I =I ×0.816=2655×0.816×2=4333A

視在功率：  S = ×U ×I = ×750×4333=5628KVA

功率因數(shù)：  COSφ = P / S₁=3168/5628=0.57

無功功率：   Q₁= =4651KVAR

實際基波補償容量：4000KVAR

（２）諧波補償容量　Kvar  

實際諧波補償容量：3000KVAR

（３）變壓器副邊安裝容量為4500KVAR動態(tài)無功補償裝置補償后

補償后無功功率： Q =4651－4000=651Kvar

補償后視在功率： S = 3234kVA

補償后功率因數(shù)： COSφ =3168/3234=0.98

　　通過以上計算，該軋機變壓器補償選用我公司RGCM動態(tài)無功功率補償濾波裝置：

裝置內(nèi)配置多路5次濾波器和7、11、13次濾波器，在提高功率因數(shù)的同時還按標(biāo)準(zhǔn)濾除諧波電流.

通過以上仿真計算表明：5、7、11、13次諧波得到大幅度治理，使其完全符合要求。

表２補償前后主軋機功率變化對比表（軋制過程三道次實測數(shù)據(jù)）

                   

　　通過以上數(shù)據(jù)表明；濾波裝置投入后，治理前后電流諧波下降率效果是明顯的，尤其對于5、7、11、13次諧波，針對鋼業(yè)公司選用的是6相12脈波整流變壓器，理論證明，對12脈波整流變壓器反映到一次側(cè)10KV電網(wǎng)時其5、7次電流諧波理論值應(yīng)為零。只有11、13次諧波在10KV網(wǎng)側(cè)可以記錄，但從上表記錄可以看出其值已很小，同時功率因數(shù)達到0.95以上，5、7、11、13次諧波達到要求。

2.4.2  無功補償及濾波裝置投入后其經(jīng)濟效益：

（１）功率因數(shù)從小于0.57提升到0.95以上，電費由每月罰款十幾萬變?yōu)槊吭陋剟顢?shù)千元。

（２）諧波得到治理，大大減少了運行中電氣故障及電子元件的損壞。

（３）該公司16000KVA變壓器得到增容，由另一臺16000KVA變壓器所帶的負荷均轉(zhuǎn)接到同一臺變壓器上運行，該企業(yè)停掉一臺16000KVA變壓器，該變壓器每月節(jié)省占容費約24萬元。現(xiàn)轉(zhuǎn)接過來的各型軋機直流調(diào)速系統(tǒng)均安裝了動態(tài)無功補償及諧波治理裝置，該裝置運行以來，為客戶創(chuàng)造了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益。                   

2.5.1動態(tài)無功補償工作原理

動態(tài)無功補償濾波裝置，主要由監(jiān)控終端、開關(guān)模塊、電容器、電抗器、斷路器、機柜等構(gòu)成，控制器采用前饋式檢測（三相平衡負荷、采集單相信號；三相不平衡負荷，采集三相信號），以負載的實時無功功率為投切物理量，應(yīng)用瞬時無功控制理論及網(wǎng)壓支持算法，在20ms內(nèi)完成信號數(shù)據(jù)采集、計算、及控制輸出；投切開關(guān)接到投切指令后，在小于10ms內(nèi)完成零電流投入，投切無涌流，對電網(wǎng)無沖擊，并且在主電路和開關(guān)中采取措施，避免了投切電容的沖擊，使運行穩(wěn)定、安全、可靠。