铝加工企业电能质量的治理及SVC的应用.docx
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铝加工企业电能质量的治理及SVC的应用
铝加工企业电能质量的治理及SVC的应用
前言：
在有色金属铝加工企业中，供电的质量指标、电网运行的安全可靠性和经济性是最根本的问题。
近年来，随着铝加工企业的发展，铝加工设备尤其是轧制设备趋向设备大型化、大容量、数字化、智能化的方向发展，由电力电子器件构成的各种交交变频、交-直-交变频、软启动以及新型的直流传动调速等产品在铝轧制设备系统中普遍应用。
这些技术在给铝加工企业带来各种益处的同时，也对铝加工企业的供电质量提出了更高的要求，另外，这些技术在使用的同时也会对电网产生影响。
此外，铝轧制生产的一些特定工况，例如轧机咬坯、设备频繁启停变速等也会对供电系统带来很大影响。
因此，有必要对铝加工系统的电能质量进行治理。
目前，铝加工企业主要的电能质量问题是电压波动快、谐波含量高、功率因数较低等问题。
电压波动是由于冲击性负荷引起的，例如轧机轧坯、电机设备的频繁启停加速。
谐波问题是由于各种非线性的电力元件产生的，例如变频和整流设备等。
功率因数低则是因为电力系统中各种感性设备吸收无功功率造成的。
I、各种电能问题的危害
①无功冲击将产生如下的不良影响
1）大量无功使系统功率因数较低，浪费大量能源。
2）使供电母线的电压产生波动，降低了机电设备的运行效率，供电母线电压产生波动时，将使用户的异步电机负荷转矩随之变化，输入负荷的有功功率下降，影响生产和设备的出力。
3）无功冲击引起母线电压波动剧烈，严重时影响自动化装置的正常工作。
②功率因数
晶闸管电路的功率因数通常较低，造成设备不能正常工作及线损过大等诸多问题。
③谐波电流对电气设备的危害
谐波电流会在电网阻抗上产生同频率的谐波电压，并叠加在电网正弦电压上，使电网电压发生畸变。
畸变后的正弦电压施加在所有电器设备端，会对这些设备正常工作带来危害，因为电气设备均按正弦电压设计制造，当电压有畸变时，将会使设备发热，力矩不稳，甚至损坏。
主要表现为：
1）谐波对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的主要影响是产生附加损耗，其次产生机械振动，噪声和谐波过电压。
2）谐波对供电变压器的影响
谐波对供电变压器的影响主要是产生附加损耗，温升增加，出力下降，影响绝缘寿命。
3）谐波对变流装置的影响
交流电压畸变可能引起不可逆变流设备控制角的时间间隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使变流器工作不稳定，而对逆变器则可能发生换流失败而无法工作，甚至损坏变流设备。
4）谐波对电缆及并联电容器的影响
当产生谐波放大时，并联电容器将因过电流及过电压而损坏，严重时将危及整个供电系统的安全运行。
5）谐波对通信产生干扰，使电度计量产生误差。
6）谐波对继电保护自动装置和计算机等也将产生不良影响。
为了保证所有电气设备的正常工作，消除或减少电网污染，世界各国都开展了深入的谐波研究工作，并制定出了相应的规程标准。
对于谐波问题，我国最初于1984年颁布了《电力系统谐波管理暂行规定》，规定了电网谐波的允许值。
又于1993年颁布了谐波管理的国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93。
II、电能治理途径
一、固定并联电容器无功补偿技术
并联电容器无功补偿技术大约在上世纪20年代出现，主要目的就是补偿电网的功率因数。
它主要通过安装电力电容器提供无功功率，来减少电网所传送的无功功率，从而提高功率因数、减少线损等。
后来随着电网情况的复杂性提高，在电容器前端又增加了铁芯电抗器，主要目的是抑制合闸涌流，降低操作过电压，防止谐波放大。
主要组成如下：
L-为铁芯电抗器，我国并联电容器配置电抗器的电抗率K，配置K为1%电抗器的主要目的是限制电容器的合闸涌流，它对低次（如3次）谐波电流放大轻微，但对5,7次谐波放大严重。
当系统（或负载）中5,7次谐波较大时，补偿电容器应配置4.5%或6%电抗率的电抗器。
如果3次谐次较大，应配置12%电抗率的电抗器。
此电抗器的根本作用是“抵制”谐波进入无功补偿设备，不治理谐波。
二、自动投切电容器无功补偿
固定并联电容器无功补偿技术不能跟踪电网的无功功率变化，在负荷轻载时过补，设备重载时欠补，不能满足电网要求。
因此，出现了通过无功功率控制器控制自动投切电容器无功补偿。
在上世纪70年代以前，能够频繁动作且能应用的只有交流接触器。
因此，高低压接触器大量应用在自动投切电容器无功补偿装置上。
但是，接触器在投切容性负荷时的弊端也很快显现出来。
主要缺点：
1、接触器尤其高压接触器分合电容器组时，易产生二次重燃过电压，造成设备烧毁。
2、接触器投切响应时间长，不能满足抑制快速电压波动的需要。
3、电容器属于电压不能突变的元件，投切时间不对易产生操作过电压。
4、不能治理谐波。
因此，由高压接触器控制的自动无功补偿投切只能应用与无功功率波动不大，每日投切次数不高的场合或一些低压领域。
三、晶闸管投切无功补偿
上世纪70年代以后，大容量，高电压的晶闸管（SCR）原件出现。
晶闸管可以频繁投切且无重燃等弊端，因此，很快替代交流接触器成为自动投切的分合原件，即成为晶闸管投切无功补偿（TSC）。
TSC型无功补偿以其可以频繁投切不重燃等优点，迅速在低压领域推广，但在高压领域因其自身的一些特点，又出现了一些问题。
TSC通过控制电容器的导通数量来调节电纳，也就是通过改变电容器的无功补偿量。
为了有效的补偿急剧变化的无功负荷，需要把电容器分成若干组，每组导通控制由控制晶闸管开关来实现，随着无功负荷的变化，相应的投入或切除一部分电容器组，从而使无功负荷得到多级阶梯式的补偿。
晶闸管仅仅在电压的峰值时导通，如果在其他瞬间，即在电源电压和电容器的充电电压存在相位差时导通，就会有I=C*di/dt的冲击电流通过电容器，有可能损坏晶闸管或给电源系统造成高次谐波震荡。
在dV/dt=0,且Vco=±V,t=0得到理想的过渡过程，实现无过渡投切。
为了实现电容的无过渡投切，工程中一般采用：
*加放电电阻
*电容器预充电
*主回路采用晶闸管与二极管并联
*检测晶闸管两端电压的零电压触发方式
TSC的缺点：
1、不能平滑调节补偿无功功率，理论上分组越多越平滑，但实际上由于造价等原因只能分3至4组；
2、不能治理谐波；
3、高压领域为了防止过渡投切往往采用放电线圈为电容放电，实际上牺牲了响应时间。
在国内，6、10KV的TSC有不多的应用，但运行不是很好。
35KV的TSC基本没有工程实例。
4、铝轧机轧制咬坯、加速等时间很短，电压波动很快，TSC型无法及时跟踪补偿，造成过补或欠补。
四、静止型动态无功补偿装置（SVC）
上世纪80年代以后，出现了SVC型动态无功补偿装置，所谓动态是相对同步调相机的旋转转子而言。
国际大电网会议，将SVC分成几类，其中涵盖了以前的机械型自动投切装置，但从本质上机械型自动投切装置由于其投切次数的有限性及不频繁型，在我国一般把它归为“静补”类。
根据国际大电网会议将SVC分为：
1、机械投切电容器（MSC）型
2、机械投切电抗器（MSR）型
3、自饱和电抗器型（SR）型
4、晶闸管投切电容器型（TSC）型
5、晶闸管投切电抗器型（TSR）型
6、自换相型（SCC）型
7、晶闸管控制电抗器型（TCR）型
其中，由于晶闸管控制电抗器型（TCR）SVC设备可以综合治理电能质量及快速的响应时间，目前国内国际90%的SVC产品为TCR型SVC产品。
下面对其进行简单的介绍：
晶闸管相控电抗器（TCR）型动态无功补偿技术是通过控制晶闸管的导通角来无级调节与负荷并联的电抗器的电流从而控制其感性无功的变化，它与固定电容器补偿相结合，可以实时补偿负荷的变化的感性无功（一般采用高压直挂式）。
晶闸管相控电抗器（TCR）型动态无功补偿技术是一种比较先进的技术，复杂性高，1995年以前以进口产品居多，导致设备造价昂贵，同时由于普遍采用的水冷系统复杂而且可靠性差。
近年来，随着国内需求的高涨，在国家的大力支持下，国内TCR型动补已逐步实现了国产化，极大地降低了TCR型动补的生产成本；同时，热管自冷技术已经成功地应用于大功率晶闸管的散热中，实现了动补的免维护运行，提高了系统可靠性。
现在国际国内90%的SVC设备是TCR+FC型的SVC。
1、补偿方案
采用35／10／6KV直挂式晶闸管相控电抗器（TCR）型动态无功补偿方式。
根据其补偿原理该设备由TCR（并联可调电抗器）+FC（补偿电容）两部分组成。
其中TCR由控制器、晶闸管功率阀组、补偿电抗器组成，通过晶闸管调整电抗器的电流，从而使TCR回路产生可变感性负载；FC回路由电容器和滤波电抗器组成，向系统提供恒定容性无功功率，兼有滤除谐波的作用。
在供电系统中，负荷为感性负荷，其负荷是可变的，有功为PV，无功为QV。
TCR和FC并联到35／10／6KV系统中，根据恒无功功率理论，FC部分产生恒定的容性无功QC；TCR部分产生连续可变的感性无功QTCR，则进线变压器提供的无功QN为：
QN=QV-QC+QTCR。
因此，调节QTCR就可达到使QN≤某一给出值（常数），甚至可使QN=0，即从理论上使平均功率因数达到1。
补偿效果好坏的关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流。
2、TCR系统原理
TCR基本原理如下图，控制晶闸管（TH1、TH2）的触发角，使电流I随触发角不同而变化，从而使补偿电抗器产生连续可变的感性无功。
TCR原理图
该方案的特点：
可解决供电系统的平均功率因数补偿、电压波动抑制、谐波治理等问题。
装置可平滑调节无功的输出。
动态补偿调节时，设备动作响应时间＜10ms。
装置在35／10／6KV侧直接挂网，不需降压设备，自身损耗较小。
在功率晶闸管的散热中成功地应用热管自冷技术，实现免维护运行，提高了系统可靠性。
噪音水平，符合国家电器设备噪音标准。
五、其他
目前国内出现了一些SVC的衍生品种，例如将TSC的电抗器改为滤波电抗器变成TSF（晶闸管投切滤波器），将SR型SVC产品（饱和电抗器型）衍生成MCR（磁阀式可控电抗器等），这些产品的首要目的是无功补偿，对谐波治理、电压波动抑制方面缺乏治理手段，因此这些产品在低压领域有部分成功运行的实例，但在高压领域缺乏成功运行的实例。
六、各种SVC的综合比较
项目
SR-FC
TCR-FC
TSC
SCC/LCC
TCR-FC
TCT-FC
控制范围
感性、容性
感性、容性
感性、容性
容性
感性、容性
电纳调节
连续无源
连续有源
连续有源
逐级有源
连续有源
控制可调性
有限
好
好
有限
好
电压控制
有限
好
好
有限
好
分相平衡
有限
有
有
有限
有
响应速度
快，取决于系统及旁路滤波器
快，取决于系统控制
快，取决于系统控制
快，取决于系统控制及放电时间
非常快，取决于系统控制
谐波发生量
小
小
小
较小
小
过载能力
大
较大
较大
无
差
应用范围
早期SVC的应用，应用不广
应用最广泛，国内外90%的SVC采取该形式
可接35KV以上高压电网
低压用途较广泛，高压很少采用
部分电网采用
经过以上分析，选择技术先进的静止型动态无功补偿装置（SVC），即晶闸管控制电抗器（TCR+FC）方案是目前综合治理铝加工企业电能质量问题比较好的方式。
附荣信部分金属行业SVC业绩表（TCR+FC）：
工程
电压
容量（MVAR）
套数
负荷
日期
中国广东肇庆亚洲铝业
10
17
2
冷、热轧
2006.10
中国郑州铝厂
10
12
1
冷轧
2006.12
中国苏州钢铁股份有限公司
35
100
1
100tDC-EAF
100tAC-LF
2001.02
中国舞阳钢铁有限责任公司
35
120
1
100tEAF
120tLF
2005.12
中国舞阳钢铁有限责任公司
35
100（更改ABB公司SVC）
1
100tEAF
100tLF
2004.8
中国中电国华神木发电公司
35
100
1
110KV区域电网
2002.08
中国本溪北营钢铁（集团）有限公司
35
120
1
1780mm热轧
2005.12
越南Vanloi公司
22
85
1
60tAC-EAF
2006.02
中国沙钢集团
33
80
1
100tAC-EAF
100tAC-LF
2001.07
中国张家港宏昌钢板有限公司
30
100
1
1800热轧
2003.10
中国八一钢铁有限责任公司
33
85
1
120tLF
110tEAF
2005.11
中国武进邦益钢铁有限公司
35
85
1
80tAC-EAF
2002.10
中国唐山钢铁集团公司
35
70
1
1700热轧
2003.09
中国湖南衡阳钢管股份公司
35
80
1
100tAC-EAF
100tAC-LF
2005.11
中国海南省电力有限公司鸭子塘变电站
10
70（TSC+TCR）
1
220KV变电所
2005.12
泰国伟成发中板厂
22
20
1
中板
2006.02
中国武汉钢铁集团公司热轧厂
10
70
1
1700热轧
2003.01
中国宝钢集团上海五钢有限公司
35
70
1
100tEAF
2002.11
中国鞍钢新轧钢股份有限公司第二冷轧厂
10
30
1
冷轧
（交-交变频）
2003.05
中国鞍钢新轧钢公司冷轧硅钢工程
10
25
1
冷轧
2004.10
中国鞍山钢铁集团公司厚板厂
10
12.5
1
宽厚板轧机
1997.11
中国鞍钢新轧钢股份有限公司厚板厂
10
30
1
宽厚板轧机
（交－交变频）
2003.09
中国首钢中板厂
35
33
1
中厚板轧机
（交－交变频）
2002.11
中国首钢二炼钢
35
32
1
210tAC-LF
2003.03
中国首钢高速线材厂
10
12
1
线材
2004.07
中国宝山钢铁股份有限公司马迹山港
6
5
2
港机
2002.10
中国武汉钢铁集团公司轧板材
10
12.5
1
中厚板轧机
（交-交变频）
1998.03
中国江阴兴澄特种钢铁有限公司
35
40
1
100tDC-EAF
100tAC-LF
2000.04
中国济钢集团石横特殊钢有限公司
35
32
1
65tAC-EAF
60tAC-LF
2001.01
中国江苏利淮钢铁有限公司
33
40
1
80tAC-EAF
80tAC-LF
2002.05
中国湖南华菱钢铁集团有限公司
35
18.5
1
105t＊3LF
2003.12
中国重庆钢铁集团特殊钢有限公司
35
35
1
40tAC-EAF
2003.03
中国重庆渝西钢铁集团有限公司
35
20
1
40tEAF
2003.12
中国天基钢铁有限公司
35
30
1
40tEAF
2003.11
中国江苏常州鑫瑞铸钢有限公司
35
13.5
1
30tEAF
2004.08
中国贵阳特殊钢铁有限公司
38.5
18
1
30tEAF
2004.08
中国安阳钢铁股份有限公司
33
18
1
120tLF
2004.12
中国海鑫钢铁股份有限公司
35
14
1
90tLF
2004.12
中国邯郸钢铁集团有限责任公司
35
22
1
3*120tLF
2004.08
中国本溪北营钢铁（集团）有限公司
35
33
1
3*120tLF
2005.05
中国襄樊钢铁长材有限公司
35
28
1
45tLF
30tEAF
2004.01
中国重庆三峡水利电力股份有限公司
35
20
1
40tEAF
25tLF
2004.08
中国连江福泰钢铁有限公司
35
32
1
60tEAF
2005.04
中国日立大连宝原机械设备有限公司
10
5
1
18tEAF
2004.11
中国大连重工·起重集团有限公司
10
27
1
EAF、LF
2005.6
中国舞阳钢铁有限责任公司
10
14
1
中厚板轧机
2004.11
中国邯郸钢铁股份有限公司
35
33
1
中厚板轧机
2005.04
中国鞍山市第一轧钢厂H型钢生产线
6
7.6
1
热轧H型钢
1997.06
中国五矿营口中板有限责任公司
6
26
1
中板轧机
（交－交变频）
2003.09
中国重庆钢铁有限公司中板厂
35
27
1
中板轧机
（交－交变频）
2004.07
中国本溪北营钢铁有限公司
35
46
1
中板轧机
（交－交变频）
2004.08
中国河北文丰钢铁公司中厚板轧钢厂
35
24
1
中板轧机
（直流传动）
2004.08
中国佛山金型制钢有限公司
10
10
1
交－交变频
2004.02
中国安阳永兴钢铁有限公司
35
28
1
中厚板轧机
（交－交变频）
2004.10
中国川威钢铁集团有限公司
6
16
1
热轧中宽带
2003.11
中国山东泰山钢铁有限公司
6
12.8
1
热轧中宽带
2004.04
中国河北文丰钢铁有限公司
6
6
1
热轧中宽带
2004.08
中国邯郸纵横钢铁有限公司
10
12
2
中宽带
2004.04
中国唐山建龙简舟钢铁有限公司
6
9.2
2
中宽带
2004.08
中国八一钢铁有限责任公司
22
25
1
中宽带
2004.06
中国国强镀锌实业有限公司
10
12.5
1
热轧带钢
2004.08
中国南京港联精密薄板有限公司
10
17
1
冷轧薄板
2003.06
中国龙威钢铁制品有限公司
10
10
1
冷轧中宽带
2004.08
中国唐山建龙简舟钢铁有限公司
6
11
1
冷连轧
2004.10
中国柳钢高速线材厂
6
14.4
1
热轧线材
2004.04
中国柳州棒材厂
6
4.2／3.4
2
热轧棒材
2003.09
中国鄂钢股份有限公司
6
8
1
棒材
2004.06
中国川威钢铁集团有限公司
6
6.5
1
棒材
2004.10
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