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，可逆直流軋機的運行特點以及由于運行工藝狀況（可逆直流晶閘管調速非線性負荷）對電網造成的電網電壓波動，電流、電壓諧波超標嚴重，功率因數低下等電能質量現象，并以詳細的設計數據及仿真模型，具體分析電能質量的嚴重狀況，同時以詳實的企業運行實況，描述在可逆直流軋機非線性動態負荷典型工況下，諧波治理及動態無功補償方案及實施效果。并針對企業所取得的各項經濟效益和對社會所做的貢獻進行簡單的概述。

1　概述

隨著電力電子技術的飛速發展，我國的工礦企業中，電力電子器件的大量應用，可控、全控晶閘管作為主要開關元件，電力電子器件的整流設備，變頻、逆變等非線性負荷設備的廣泛應用，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的影響等。上述電力電子設備是諧波產生的源頭。諧波電流的危害是嚴重的，主要有以下幾個方面：

　（１） 諧波電流在變壓器中，產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，嚴重影響變壓器壽命；

　（２） 諧波電流的趨膚效應使導線等效截面變小，增加線路損耗；

　（３） 諧波電流使供電電壓產生畸變，影響電網上其它各種電器設備不能正常工作，導致自動控制裝置誤動作，儀表計量不準確；

?。ǎ矗?諧波電流對臨近的通訊設備產生干擾；

　（５） 諧波電流使普通電容補償設備產生諧波放大，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中局部產生并聯諧振和串連諧振，造成嚴重事故及不良后果。

2　工程概述

2.1簡介

　　工廠主要設備為兩臺1450可逆軋機，因采用晶閘管整流、直流可逆調速等原因造成用電諧波超標，功率因數過低，對周邊電網用戶造成很大諧波干擾，為此進行設備改造以提高功率因數，治理諧波，節約能源，提高電網質量，降耗增容。

該鋼業公司安裝了兩套動態無功補償濾波裝置，安全運行個月以來，得到客戶及當地供電局的高度認可系統功率因數達到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速等原因造成用電諧波嚴重超標，功率因數過低，給用戶造成很大的經濟負擔，同時對周邊電網用戶造成很大諧波干擾，為此該公司及當地供電局決定進行設備改造以提高功率因數，治理諧波，節約能源，提高電網質量，降耗增容。

2.3工程設計概要

2.3.1軋機（1450）軋機運行主要參數

　?。ǎ保┸垯C為長期間斷運行，根據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、開卷機等系統控制，獨立運行。

主軋機整流變壓器容量為4000KVA，數量2臺，電壓比10KV/0.8KV*2，直流電動機2000KW ，數量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，數量2臺，電壓比10KV/0.8KV*2，直流電動機1250KW，數量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）軋機諧波測試數據

　　                                                    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次諧波數值

 

2.3.3設計補償方案計算

（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：  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： 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動態無功功率補償濾波裝置：

裝置內配置多路5次濾波器和7、11、13次濾波器，在提高功率因數的同時還按標準濾除諧波電流.

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據）

                   

　　通過以上數據表明；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10KV電網時其5、7次電流諧波理論值應為零。只有11、13次諧波在10KV網側可以記錄，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濟效益：

（１）功率因數從小于0.57提升到0.95以上，電費由每月罰款十幾萬變為每月獎勵數千元。

（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接到同一臺變壓器上運行，該企業停掉一臺16000KVA變壓器，該變壓器每月節省占容費約24萬元。現轉接過來的各型軋機直流調速系統均安裝了動態無功補償及諧波治理裝置，該裝置運行以來，為客戶創造了相當可觀的經濟效益。                   

2.5.1動態無功補償工作原理

動態無功補償濾波裝置，主要由監控終端、開關模塊、電容器、電抗器、斷路器、機柜等構成，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，應用瞬時無功控制理論及網壓支持算法，在20ms內完成信號數據采集、計算、及控制輸出；投切開關接到投切指令后，在小于10ms內完成零電流投入，投切無涌流，對電網無沖擊，并且在主電路和開關中采取措施，避免了投切電容的沖擊，使運行穩定、安全、可靠。