冶金企业的无功补偿与谐波治理.docx
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冶金企业的无功补偿与谐波治理
冶金企业的无功补偿与谐波治理
沈龙大1，刘天泽1，贾庆勇2，付培众2
（1.冶金自动化研究设计院，北京100071；2.安阳钢铁公司，河南安阳455004）
摘要：
介绍了冶金企业用电设备的工艺特点，用电负荷无功、谐波对电网危害的防治措施和技术，以及主要无功补偿滤波装置的性能比较和实际效益。
关键词：
冶金企业；无功；谐波；防治；效益
中图分类号：
TM714.3
0 概述
冶金企业的用电设备具有容量大、大部分为感性负荷、负荷冲击大、起制动频繁、快速性、自动化程度高、工作连续性等特点，是用电的大户。
用电设备大量使用直流电动机和变流器驱动、交流电动机变频调速驱动、变压器、电抗器、电力电子装置等非线性负载。
轧机、电弧炉等冶金设备使电网电压发生波动和闪变，三相不平衡，电网功率因数低，线路损耗增加，谐波含量超标，已造成谐波公害，严重危害电力系统的安全运行和电气设备的安全经济运行。
因此，解决好电力系统的无功补偿和谐波治理问题对于保证电力系统电能质量及安全运行、降低损耗、提高用电设备出力等具有重要意义。
国内外对各级电网的功率因数、电压畸变率、电流畸变率、负荷对电力系统注入的谐波含量均制定了有关标准。
在冶金行业，对于电网的无功补偿及谐波治理已得到了普遍的关注和重视，采取了防治结合的对策。
1 减少用电负荷对电网的无功冲击及谐波危害的措施
造成电力系统的无功冲击、电压闪变、波形畸变及谐波危害的根源主要来自系统外部用电负荷，因此解决电力系统的无功补偿及谐波治理应首先从源头抓起，改善用电设备的自然功率因数和减小用电负荷的谐波是根本措施，同时采用人工补偿和滤波方法。
改善用电负荷的自然功率因数和谐波的主要方法有：
（1）合理选择电动机、变压器、电抗器等用电设备的容量，使其接近满负荷运行，切忌大马拉小车。
（2）尽量使感应电动机同步化运行。
（3）尽可能限制用电设备的空载运行。
（4）限制电动机的直接起动，应采用软起动。
（5）电抗器的不饱和运行。
（6）用同步电动机补偿。
同步电动机运行在超前功率因数下输出无功提高电网功率因数。
（7）带续流晶闸管的直流调速调压装置。
在传统的六脉波整流器上增加续流晶闸管来改善功率因数，减少无功冲击，降低无功功率损耗，适用于直流电弧炉和单方向驱动的相位控制系统，其原理接线如图1所示。
图1 带续流晶闸管的直流调速调压装置
（8）并联相位控制变流器。
采用并联相位控制就是交叉控制两个并联回路晶闸管的相位角α1和α2，同时控制直流输出电压和无功功率，可提高功率因数和消除谐波成分，是当前较理想的直流变流器，适用于直流传动和直流电弧炉供电，其原理结构如图2所示。
图2 并联相位控制变流器
（9）交交变频器采用晶闸管和GTO、IGBT、IGCT等自关断元件直接并联的混合式电路。
晶闸管和GTO同时给控制脉冲，晶闸管以电源自然换流为滞后功率因数，GTO以自身换流为超前功率因数，解决交交变频器存在的电源功率因数低、谐波大的问题，使功率因数接近1。
输出波形接近正弦波，谐波小，可提高交交变频器的输出频率。
该装置适用于轧机、提升机等大容量传动设备，其主回路结构如图3所示。
图3 混合式交交变频器
（10）变流器采用多重化技术。
变流器是电力系统的主要谐波源。
采用多重化、多电平控制是减小变流器谐波的有效方法。
众所周知，对三相桥式整流电路理论上所产生的特征谐波次数为N=6K±1，K=1，2，3，…。
存在5，7，11，13…次谐波，若采用12相、24相、36相等多相整流的多重化结构，将整流变压器二次侧绕组构成星、角接线，使相位差30°，15°…，可使高次谐波含量大大减小。
其谐波次数N=PK±1，P为整流相数，K=1，2，3，…。
各类多相整流器产生的谐波次数如表1所示。
表1 各类多相整流器产生的谐波次数
整流相数
注入电网的谐波次数
6
5，7，11，13，17，19，23，25，…
12
11，13，23，25，35，…
24
23，25，…
36
35，37，…
由表1可见，增加变流器的相数可有效地消除低次谐波，整流相数越多，所产生的谐波分量越少。
目前在轧钢机和电冶金、电解整流电源工程中多数采用12相、24相整流技术，对特大容量的也采用36相、48相整流。
对大容量交流变频装置采用多电平电路结构，实现多重化，改善输出波形，抑制力矩脉动，降低谐波，提高功率因数，目前在中、高压大容量变频装置中应用较多。
图4为三电平GTO变频器的主回路结构。
图4 三电平GTO变频器的主回路结构
2 无功补偿谐波治理方法
2.1 设置并联电容器
电容器具有投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小等特点，大量用于电力系统的无功补偿和谐波滤波。
其补偿方式有以下几种。
2.1.1 就地无功补偿及滤波
在低压负荷侧采用低压并联电容器串接电抗器对单台用电设备进行补偿，如图5中的C1、L1部分。
补偿器直接接在终端负荷上，如电容器安装在电动机旁，电容器的投切跟随负荷投切。
目前在低压电网中小容量风机、水泵负荷及农用负荷应用较为广泛，其补偿容量根据
定，式中Qc为补偿容量，Un为额定电压，I0为电动机空载电流。
图5 设置并联电容器进行无功补偿和谐波滤波
2.1.2 分散无功补偿及滤波
对负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器串接电抗器，安装在各个低压电气室，如图5中的L2，C2，L3，C3部分，可减少线路损耗和提高变压器的输出功率。
2.1.3 集中无功补偿和滤波
在总降变电所或功率因数较低、负荷较大的配电室的高压母线上集中安装高压电容器组串接电抗器，如图5中的C4、L4部分。
目前大中型钢铁企业普遍采用这种方式。
一般无功补偿装置同时具有谐波滤波作用。
2.2 静止型动态无功补偿及谐波滤波器SVC（staticvarcontrol）
静止型动态无功补偿及谐波滤波器是应用电力电子技术跟踪电网无功波动及谐波状况，在线实时自动控制补偿量。
其作用在于保持系统电压稳定，减少电压闪变；吸收动态无功功率，减小损耗；提高功率因数；吸收高次谐波，减少谐波公害；补偿三相负荷的不平衡特性；提高供电系统的动态和静态稳定性，保证供电质量。
SVC的种类主要有：
机械式投切滤波器（machineryswitchedfilter，MSF）；机械式投切电抗器（machineryswitchedreactor，MSR）；自饱和电抗器（self-saturablereactor，SSR）；晶闸管控制电抗器（thristorcontrolledreactor，TCR）；晶闸管投切高阻抗变压器（thristorcontrolledtransformer，TCT）；晶闸管投切滤波器（thristorswitchedfilter，TSF）；晶闸管投切电抗器（thristorswitchedreactor，TSR）。
主要SVC装置性能比较如表2所示。
表2 主要SVC装置性能比较
类型
性能
自饱和电抗器式SSR
可控电抗器式TCR
投切滤波器TSF
动态响应时间/ms
40
10～20
10～20
调节连续性
连续
连续
不连续
自身谐波
较大
较小，＜5%
无
损耗
2%
＜1%
＜0.05%
噪声
大，＞100dB
较小，＜70dB
小，＜70dB
控制性
不能分相控制
可分相控制
可分相控制
投资
大
较小
最小
维护性
最方便
方便
方便
铁磁谐振
有
无
无
过载能力
大
一般
小
应用电压
高、中、低压
高、中、低压
高、中、低压
2.3 有源滤波器APF（activepowerfilter）
有源电力滤波器是一种新型动态无功补偿滤波装置，由自关断电力电子器件构成。
与无源滤波器的最大区别在于，它向交流电网注入补偿电流，其幅值与负载注入电网的谐波电流的大小相等，相位差180°，以抵消负载所产生的谐波电流。
它由静止功率变流器构成，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性，能有效地解决无源滤波器存在的缺点，是电力系统无功补偿谐波治理的发展方向。
其系统构成如图6所示。
图6 并联型有源电力滤波器系统原理
3 冶金企业的无功补偿及谐波滤波技术
冶金企业的用电设备，按工艺大致可分为高炉、转炉或电弧炉、初轧、热带连轧、棒线材连轧、冷轧及有色金属电解等，普遍采用直流电动机晶闸管变流器供电或交流电动机变频调速，普遍存在无功冲击大，功率因数低，谐波含量大，电压波动和闪变，电力损耗大，吨钢耗大等问题。
为此，普遍对用电设备应用多重化多相变流技术和设置无功补偿及谐波滤波器，对改善电网供电质量、节省电能、提高用电设备出力、降低吨钢耗起到了积极作用。
中小企业一般采用增设5，7，11，13次静态型无源LC滤波装置，这类产品国内的技术、元器件及装置水平已成熟。
大型企业的无功补偿及谐波装置较多从国外进口，特别是静止型SVC补偿装置大部分为进口产品，主要从ABB、西门子、ACEC、BBC等公司进口。
国内从20世纪90年代开始生产低压TSC就地动态补偿装置和中压TSF、TCR+FC动态补偿装置，已能满足钢铁企业的各类负荷的无功补偿及谐波滤波的需要。
在钢铁企业，这些产品的需求量很大。
钢厂主要负荷概况及无功补偿与滤波方案如表3所示。
表3 钢厂主要负荷概况及无功补偿与滤波方案
负荷类别
变压器容量
/MVA
负载功率
/MW
负载功率因数
补偿容量
/MVar
滤波器方案
电
弧
炉
3t
50t
90t+精炼炉
2.8
25
60+15=75
2.4
0.73→>0.93
0.73→>0.93
0.73→>0.93
1.5
18.5
55
TCR+FC（2，3，4，5，6）
轧
机
初轧机+辅机
中板轧机
33.5+11.8=45.3
16
24.4+8.8=33.2
10
0.73→>0.93
0.56→>0.93
15+5=20
16
TCR+FC（5，7，11，13）
TCR+FC（5，7，11，13）
热带连轧机（Ⅰ,Ⅱ段）
冷连轧机
70.2+60.2=130.7
110
45+43.1=88.1
54
0.70→>0.93
0.69→>0.93
35+19.7=54.7
39
TCR+FC、TSCACM：
2，3，5，7Hp；
DCM：
5，7，11，13
高速线材轧机
棒材轧机
钢管厂（Ⅰ+Ⅱ段）
19.9
16
52
15.8
15
35
0.75→>0.93
0.76→>0.93
0.77→>0.93
14.4+3=17.4
7.8
12.8+6=18.8
TSF（中、低压）
TSF或FC（5，7，11，13）
TSF或FC（5，7，11，13）
电
解
铜电解（40kA）
铝电解（190kA）
9
160
8.2
137
0.65→>0.93
0.80→>0.93
5
6
FC（5，7，11，13）
FC（5，7，11，13）
以上为一般情况下的数据，在设计滤波器时应根据现场供电系统短路容量、变压器短路阻抗、负荷状况等数据有针对性地考虑其方案。
4 效益
冶金自动化研究设计院长期从事冶金企业的无功补偿及谐波治理工作，现已有SVC静态补偿滤波装置、中低压TSF补偿及滤波装置、中小容量有源滤波器的技术及产品，通过在冶金企业的应用，使企业取得了良好的经济效益和社会效益。
以某钢厂高速线材厂为例，投入中、低压TSF无功补偿及滤波器后，使功率因数由0.75达到0.95，使各次谐波抑制在国标规定值以内；有功功率由15804kW降到13644kW，降了13.6%；吨钢耗由167kWh降低到145kWh，年可节电5800万kWh，年节约电费314万元，一年内可收回投资。
某轨梁厂，大剪及左右推床投入了低压TSF补偿装置后，使谐波含量在国标规定的值内，功率因数由0.57提高到0.95，每年可减少罚款89万元，还每月奖励2000元，减少了变配电有功损耗，整流变压器的一次电流由117A降低到15A，年节电54.32万元，年直接经济效益为143.677万元。
收稿日期：
2002-12-11
作者简介：
沈龙大（1941-）男，高级工程师（教授级），从事电网无功补偿及谐波治理、电力电子技术应用、交流直流电气传动自动化、大功率电冶金电化学电解可控整流电源等工作。
ReactivePowerCompensationandHarmonicsHarnessing
沈龙大1，刘天泽1，贾庆勇2，付培众2
（1.冶金自动化研究设计院，北京100071；2.安阳钢铁公司，河南安阳455004）
摘要：
介绍了冶金企业用电设备的工艺特点，用电负荷无功、谐波对电网危害的防治措施和技术，以及主要无功补偿滤波装置的性能比较和实际效益。
关键词：
冶金企业；无功；谐波；防治；效益
中图分类号：
TM714.3
0 概述
冶金企业的用电设备具有容量大、大部分为感性负荷、负荷冲击大、起制动频繁、快速性、自动化程度高、工作连续性等特点，是用电的大户。
用电设备大量使用直流电动机和变流器驱动、交流电动机变频调速驱动、变压器、电抗器、电力电子装置等非线性负载。
轧机、电弧炉等冶金设备使电网电压发生波动和闪变，三相不平衡，电网功率因数低，线路损耗增加，谐波含量超标，已造成谐波公害，严重危害电力系统的安全运行和电气设备的安全经济运行。
因此，解决好电力系统的无功补偿和谐波治理问题对于保证电力系统电能质量及安全运行、降低损耗、提高用电设备出力等具有重要意义。
国内外对各级电网的功率因数、电压畸变率、电流畸变率、负荷对电力系统注入的谐波含量均制定了有关标准。
在冶金行业，对于电网的无功补偿及谐波治理已得到了普遍的关注和重视，采取了防治结合的对策。
1 减少用电负荷对电网的无功冲击及谐波危害的措施
造成电力系统的无功冲击、电压闪变、波形畸变及谐波危害的根源主要来自系统外部用电负荷，因此解决电力系统的无功补偿及谐波治理应首先从源头抓起，改善用电设备的自然功率因数和减小用电负荷的谐波是根本措施，同时采用人工补偿和滤波方法。
改善用电负荷的自然功率因数和谐波的主要方法有：
（1）合理选择电动机、变压器、电抗器等用电设备的容量，使其接近满负荷运行，切忌大马拉小车。
（2）尽量使感应电动机同步化运行。
（3）尽可能限制用电设备的空载运行。
（4）限制电动机的直接起动，应采用软起动。
（5）电抗器的不饱和运行。
（6）用同步电动机补偿。
同步电动机运行在超前功率因数下输出无功提高电网功率因数。
（7）带续流晶闸管的直流调速调压装置。
在传统的六脉波整流器上增加续流晶闸管来改善功率因数，减少无功冲击，降低无功功率损耗，适用于直流电弧炉和单方向驱动的相位控制系统，其原理接线如图1所示。
图1 带续流晶闸管的直流调速调压装置
（8）并联相位控制变流器。
采用并联相位控制就是交叉控制两个并联回路晶闸管的相位角α1和α2，同时控制直流输出电压和无功功率，可提高功率因数和消除谐波成分，是当前较理想的直流变流器，适用于直流传动和直流电弧炉供电，其原理结构如图2所示。
图2 并联相位控制变流器
（9）交交变频器采用晶闸管和GTO、IGBT、IGCT等自关断元件直接并联的混合式电路。
晶闸管和GTO同时给控制脉冲，晶闸管以电源自然换流为滞后功率因数，GTO以自身换流为超前功率因数，解决交交变频器存在的电源功率因数低、谐波大的问题，使功率因数接近1。
输出波形接近正弦波，谐波小，可提高交交变频器的输出频率。
该装置适用于轧机、提升机等大容量传动设备，其主回路结构如图3所示。
图3 混合式交交变频器
（10）变流器采用多重化技术。
变流器是电力系统的主要谐波源。
采用多重化、多电平控制是减小变流器谐波的有效方法。
众所周知，对三相桥式整流电路理论上所产生的特征谐波次数为N=6K±1，K=1，2，3，…。
存在5，7，11，13…次谐波，若采用12相、24相、36相等多相整流的多重化结构，将整流变压器二次侧绕组构成星、角接线，使相位差30°，15°…，可使高次谐波含量大大减小。
其谐波次数N=PK±1，P为整流相数，K=1，2，3，…。
各类多相整流器产生的谐波次数如表1所示。
表1 各类多相整流器产生的谐波次数
整流相数
注入电网的谐波次数
6
5，7，11，13，17，19，23，25，…
12
11，13，23，25，35，…
24
23，25，…
36
35，37，…
由表1可见，增加变流器的相数可有效地消除低次谐波，整流相数越多，所产生的谐波分量越少。
目前在轧钢机和电冶金、电解整流电源工程中多数采用12相、24相整流技术，对特大容量的也采用36相、48相整流。
对大容量交流变频装置采用多电平电路结构，实现多重化，改善输出波形，抑制力矩脉动，降低谐波，提高功率因数，目前在中、高压大容量变频装置中应用较多。
图4为三电平GTO变频器的主回路结构。
图4 三电平GTO变频器的主回路结构
2 无功补偿谐波治理方法
2.1 设置并联电容器
电容器具有投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小等特点，大量用于电力系统的无功补偿和谐波滤波。
其补偿方式有以下几种。
2.1.1 就地无功补偿及滤波
在低压负荷侧采用低压并联电容器串接电抗器对单台用电设备进行补偿，如图5中的C1、L1部分。
补偿器直接接在终端负荷上，如电容器安装在电动机旁，电容器的投切跟随负荷投切。
目前在低压电网中小容量风机、水泵负荷及农用负荷应用较为广泛，其补偿容量根据
定，式中Qc为补偿容量，Un为额定电压，I0为电动机空载电流。
图5 设置并联电容器进行无功补偿和谐波滤波
2.1.2 分散无功补偿及滤波
对负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器串接电抗器，安装在各个低压电气室，如图5中的L2，C2，L3，C3部分，可减少线路损耗和提高变压器的输出功率。
2.1.3 集中无功补偿和滤波
在总降变电所或功率因数较低、负荷较大的配电室的高压母线上集中安装高压电容器组串接电抗器，如图5中的C4、L4部分。
目前大中型钢铁企业普遍采用这种方式。
一般无功补偿装置同时具有谐波滤波作用。
2.2 静止型动态无功补偿及谐波滤波器SVC（staticvarcontrol）
静止型动态无功补偿及谐波滤波器是应用电力电子技术跟踪电网无功波动及谐波状况，在线实时自动控制补偿量。
其作用在于保持系统电压稳定，减少电压闪变；吸收动态无功功率，减小损耗；提高功率因数；吸收高次谐波，减少谐波公害；补偿三相负荷的不平衡特性；提高供电系统的动态和静态稳定性，保证供电质量。
SVC的种类主要有：
机械式投切滤波器（machineryswitchedfilter，MSF）；机械式投切电抗器（machineryswitchedreactor，MSR）；自饱和电抗器（self-saturablereactor，SSR）；晶闸管控制电抗器（thristorcontrolledreactor，TCR）；晶闸管投切高阻抗变压器（thristorcontrolledtransformer，TCT）；晶闸管投切滤波器（thristorswitchedfilter，TSF）；晶闸管投切电抗器（thristorswitchedreactor，TSR）。
主要SVC装置性能比较如表2所示。
表2 主要SVC装置性能比较
类型
性能
自饱和电抗器式SSR
可控电抗器式TCR
投切滤波器TSF
动态响应时间/ms
40
10～20
10～20
调节连续性
连续
连续
不连续
自身谐波
较大
较小，＜5%
无
损耗
2%
＜1%
＜0.05%
噪声
大，＞100dB
较小，＜70dB
小，＜70dB
控制性
不能分相控制
可分相控制
可分相控制
投资
大
较小
最小
维护性
最方便
方便
方便
铁磁谐振
有
无
无
过载能力
大
一般
小
应用电压
高、中、低压
高、中、低压
高、中、低压
2.3 有源滤波器APF（activepowerfilter）
有源电力滤波器是一种新型动态无功补偿滤波装置，由自关断电力电子器件构成。
与无源滤波器的最大区别在于，它向交流电网注入补偿电流，其幅值与负载注入电网的谐波电流的大小相等，相位差180°，以抵消负载所产生的谐波电流。
它由静止功率变流器构成，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性，能有效地解决无源滤波器存在的缺点，是电力系统无功补偿谐波治理的发展方向。
其系统构成如图6所示。
图6 并联型有源电力滤波器系统原理
3 冶金企业的无功补偿及谐波滤波技术
冶金企业的用电设备，按工艺大致可分为高炉、转炉或电弧炉、初轧、热带连轧、棒线材连轧、冷轧及有色金属电解等，普遍采用直流电动机晶闸管变流器供电或交流电动机变频调速，普遍存在无功冲击大，功率因数低，谐波含量大，电压波动和闪变，电力损耗大，吨钢耗大等问题。
为此，普遍对用电设备应用多重化多相变流技术和设置无功补偿及谐波滤波器，对改善电网供电质量、节省电能、提高用电设备出力、降低吨钢耗起到了积极作用。
中小企业一般采用增设5，7，11，13次静态型无源LC滤波装置，这类产品国内的技术、元器件及装置水平已成熟。
大型企业的无功补偿及谐波装置较多从国外进口，特别是静止型SVC补偿装置大部分为进口产品，主要从ABB、西门子、ACEC、BBC等公司进口。
国内从20世纪90年代开始生产低压TSC就地动态补偿装置和中压TSF、TCR+FC动态补偿装置，已能满足钢铁企业的各类负荷的无功补偿及谐波滤波的需要。
在钢铁企业，这些产品的需求量很大。
钢厂主要负荷概况及无功补偿与滤波方案如表3所示。
表3 钢厂主要负荷概况及无功补偿与滤波方案
负荷类别
变压器容量
/MVA
负载功率
/MW
负载功率因数
补偿容量
/MVar
滤波器方案
电
弧
炉
3t
50t
90t+精炼炉
2.8
25
60+15=75
2.4
0.73→>0.93
0.73→>0.93
0.73→>0.93
1.5
18.5
55
TCR+FC（2，3，4，5，6）
轧
机
初轧机+辅机
中板轧机
33.5+11.8=45.3
16
24.4+8.8=33.2
10
0.73→>0.93
0.56→>0.93
15+5=20
16
TCR+FC（5，7，11，13）
TCR+FC（5，7，11，13）
热带连轧机（Ⅰ,Ⅱ段）
冷连轧机
70.2+60.2=130.7
110
45+43.1=88.1
54
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0.69→>0.93
35+19.7=54.7
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