热轧钢电网的动态无功补偿及谐波滤波技术应用m

热轧钢电网的动态无功补偿及谐波滤波技术应用保定巴方电力电子有限公司

热轧钢电网的动态无功补偿及谐波滤波技术应用 1、概述

某钢厂 l500mm 热轧带钢工程由 10kV 供电，主要负载为粗轧机、精轧机、辅传动及动力

负荷等，其中粗轧机有交交变频调速电动机 2台，每台功率 4500 kW，F1～F3精轧机有交交变

额调速电动机 3台，每台 4000 kW，F4～F6精轧机有交交变频调速电动机 3台，每台 3500kW，

直流辅助传动负载共计 1500kW，飞剪直流传动负载共计 435kW，卷筒、活套等直流传动负载

共计 680kW，其他负荷为交直变变频驱动负载，共计约 7300kW。

负载的特点为轧机负载容量大，是电网产生波动的根源，其中尤以初轧机的冲击负荷最

大；R1初轧机和 F1～F6精轧机负载均为交交变频负载，具有旁频谐波：整流负载按 12 脉波整

流配置，其特征谐波为 12k±1 次，谐波含量 5次、7次较小，11 次、13 次较大。轧制规格、

品种及工艺情况不同时，其产生的无功和谐波量有很大不同。

对上述负载的总体动态无功补偿及谐波滤波的设计是必要的。无功补偿及谐波滤波设计

需要解决轧机及其辅传动所产生的无功及谐波，以达到提升运行功率因数，大幅度降低无功

损耗，有效消除或抑制谐波含量和电压畸变，使其达到国家标准的要求。

2、无功补偿设计应用

根据该钢厂 l500mm 热轧带钢工程供电系统图，供电为 10kV 两段母线供电。I段母线主

要包括 R1初轧机、F1～F6精轧机主传动部分，丰要矛盾是无功冲击、电压波动及谐波滤波；

Ⅱ段母线主要包括辅传动及其他辅助负载，主要矛盾是无功补偿。I段母线因含有 R1初轧机、

F1～F6精轧机，负载冲击很大；II 段母线为辅助负载，比较平稳。因此本方案拟在 I段母线

上安装一套 FC+TCR 型 SVC（静止型动态无功补偿及谐波滤波装置）系统，在 II 段母线上安

装一套 FC 滤波装置。这种方式的优点是：

1）I 段母线电网上安装 SVC 系统，可以连续调节无功补偿量，功态响应速度快，可以解

决主轧机对电网的剧烈冲击，稳定电网电压，滤除谐波，充分发挥 SVC 的优势，使 I段电网

的功率因数保持在整定值 0.95 以上。

2）Ⅱ段母线的主要负载为辅传动，负载的冲击很小，安装套静态滤波装置可以节约投资，

同时又能满足电网要求。Ⅱ段母线的功率因数补偿指标设计为>0.92。

3）两段的综合效果为动态无功补偿及谐波滤波。

2.1、系统的构成

包括主供电同路、FC 滤波器（H3、H5、H7、H11 滤波回路）、TCR 相控电抗器（TCR 相控

阀、主电抗器）。其中主供电回路内包括：高压真空开关柜 2台、高压 PT 柜 1 台、高压 PT

柜 1 台、高压隔离开关柜 4台。

FC 滤波器（H3、H5、H7、H11 滤波回路）内容包括：

滤波电容器 4组（电容器外配熔断器、内接放电电阻）、滤波电抗器 4套（空心）、高

压电阻器 4套、保护装置若干。TCR 相控电抗器（TCR 相控阀、主电抗器）内容包括：TCR 相

控阀 1套（采用水冷系统）、主电抗器 1套（空心、三相平放）、水冷系统 1套、保护装置


若干。控制系统包括：TCR 相控阀控制系统（采用西门子的 SIMADYN——D数控系统）、触发

系统（高低压光电隔离，脉冲触发和 BOD 保护）、继电保护系统（包括 FC、TCR 系统的各种

保护）。

2.2、I 段母线 FC+TCR 型 SVC 的补偿原理

FC+TCR 装置由 3部分构成：FC 滤波器、TCR 相控电抗器和控制保护系统，系统框图如图

1所示。FC 滤波器用于无功补偿及谐波滤波，该滤波器应完成以下两个任务：提供系统所需

要的容性无功功率、滤除负载及 TCR 系统本身所产生的谐波。TCR 相控电抗器用于平衡系统

中由于负载的波动所产生的感性无功功率，该相控电抗器应完成以下两个任务：提供系统所

需要的感性无功功率、稳定负载冲击所产生的电压波动。控制保护系统包括两个方面：一方

面为整个系统的保护控制；另一方面为相控电抗器的调相控制。

图 1 FC+TCR 补偿原理图

TCR 的基本结构就是由晶闸管构成的可控阀体与电抗器串联，采用三角形联结。这样的

电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。吸收的谐波电流和无功功率

随着控制角α的增大而减小，实现调节无功功率的目的。负载的变化由 TCR 所产生的变化无

功功率加以平衡，使得两者之和总是维持为常数，此常数感性无功功率被 FC 的容性无功功率

相抵消，最终使得电网的功率因数保持在设定值如 0.95 附近。

（1）FC 滤波器

FC 滤波器是在并联电容器上串联滤波电抗器构成的，根据负载谐波含量的不同组成若干

组不同的 LC 补偿滤波同路。

FC 滤波器所要滤除的谐波，主要来自于两个方面：一方面是负载所产生的谐波，主要来

自于整流设备，其特征谐波为 5次、7次、11 次、13 次等；另一方面来自于 TCR 相控电抗器，

主要以 3次谐波为主。

（2）TCR 相控电抗器

TCR 相控电抗器由晶闸管相控阀与电抗器串联构成，三相接线采用三角形联结，这种接

线形式比其他形式接线的电流中谐波含量小。另外，工程实际中，当容量较大时，将电抗器

分为等容量的两部分，串接在晶闸管相控阀的两端，这样可以使晶闸管在电抗器损坏时得到

额外的保护。


2.3、Ⅱ段母线 FC 滤波装置补偿原理

Ⅱ段母线的 FC 由两部分构成：FC 滤波器和控制系统。FC 滤波器用于无功补偿及谐波滤

波，该滤波器应完成以下两个任务：提供系统所需要的容性无功功率及滤除负载所产生的谐

波。控制系统为整个系统提供继电保护。

FC 滤波器所要滤除的谐波主要来自于负载的整流设备，其特征谐波为 5次、7次、11 次、

13 次等。但由于Ⅱ段母线负载的谐波源较少，将该滤波器设计为 5次、7次高通两回路滤波

器即可满足电网要求，既能保证有效的谐波滤波，又可以防止与电网的背景谐被产生谐振。

2.4、无功补偿及谐波滤波系统的容量计算

（1）谐波计算理论依据

1）电动机额定容量

式中 KUu ——变压器电压计算系数，取 1：

K1 ——变压器电流计算系数，12 脉冲取 0.789；

Kt ——电动机过载倍数，粗轧取 2.5，精轧取 1；

Pdn ——电动机额定功率，kW；

ηd ——效率，取 0.92。

2）谐波估算

12 脉波变流嚣

特征谐波电流含量

非特征谐波含量

TCR（三角形联结）

（2）补偿容量的选择

本无功补偿及谐波滤波装置容量计算是采用 PSCAD 仿真软件，日前在世界范围内被广泛

运用，国内像清华大学、中国电力科学研究院等电力系统权威机关在使用。采用仿真技术的

优点是：补偿及滤波装置未投入运行前便可预知其运行时的各项电力技术指标，经过调整可

以设计出较为理想的无功补偿及谐波滤波装置，避免了盲目性，对装置的设计质量起到了保

证作用。

1）I 段母线 FC+TCR 型 SVC 系统

装置投入运行后的平均功率因数按 0.95 计算，则装置的技术参数选定如下：装置名称为


AriSVC36/10-2-TCR（28.8/36）；补偿点为 10kV 母线：额定电压为 10kV：装置容量为 FC36

Mvar，TCR28.8Mvar。

2）Ⅱ段母线 FC 滤波装置

装置投入运行后的平均功率因数按 0.92 计算，则装置的技术参数选定如下：装置名称为

AriFC——3/10-2 -FC；补偿点为 10kV 母线：额定电压为 10kV；装置容量为 FC 3Mvar。

（3）I 段母线 SVC 装置的容量计算及仿真曲线

根据谐波计算理论，对设备容量进行了计算，具体数值如下。

粗轧 4500 kW×2=9000 KW，过载倍数取 2.5。

精轧 4009kWx3+3500kWx3=22509 kW 过载倍数取 1。

总视在容量 SN为 66844 KVA。

基频电流

谐波含量

由于系统三相对称，所以 3次谐波含量很小，取 60A。

TCR 二角形联结，总容量 28.8 Mvar。

谐波计算

总谐波电流

无功功率装置总容量为 36 Mvar。

其中，3次为 4.2Mvar；5 次为 13.8Mvar：7 次为 9Mvar；11 次为 9 Mvar，采用高通滤波

器，品质因数取 5。


表 1 该钢厂 1OKV I 段母线 SVC 装置参数计算

对于 I段母线 SVC 装置进行了仿真，I段母线 SVC 装置的仿真曲线如图 2所示，显示了

I段母线 SVC 装置投入前后谐波滤波的效果，其中绿线为滤波前的测试曲线，红线为采用斜

波滤波设备后的测试曲线，由此可以看出滤波效果非常明显。

1）谐波电压总畸变率

滤波前（超标）

滤波后（达标）

2）注入系统残余谐波电流

3）10 kV 母线电压波动



4）功率因数为 0.95

（4）II 段母线滤波装置的结果对比

对于交直交变频负载，因其功率因数很高，不参与容量计算。直流辅传动，负载共计 l5

09 kW。飞剪直流传动，负载共计 435 kW。卷筒、活套等直流传动负载共计 680 kW。其他负

荷为交直变变频驱动，负载共计约 7300 kW。计算结果如表 2所示。


‘

图 2 I 段母线 SVC 装置的仿真曲线

表 2 该钢厂 10kV Ⅱ段母线 SVC 装置参数计算采用滤波装置前后的结果：

1）谐波电压总畸变率




2）注入系统残余谐波电流

3）功率因数为 0.95

（5）I 段母线保护及控制系统

装置的保护及控制系统包括两个方面：第一为整个系统的继电保护拧制：第二为相控电

抗器的调相控制。继电保护控制及触发信号的转换由保护控制柜来完成，相控电抗器的调相

控制及 TCR 系统的保护由西门子的 SLMADYN——D数控系统来完成。

继电保护系统采用 PLC 为中心控制器，对 FC 滤波装置及电刚参数进行监控，同时完成相

控触发信号的整形、放大和转换，最终以光信号输出给品闸管开关主柜。FC+TCR 型 SVC 装置

具有过电压保护、低电压保护、过电流保护、电容器的过压、过流保护、不平衡电压保护、

不平衡电流保护、接地保护等。

当有故障产生时按下列方式动作：当出现轻故障时，首先报轻故障，该轻故障持续定时

问后报重故障；当有重故障产生时，自动停机，蜂呜器报警，显示板显不故障状况。重故障

信号产生后，即使故障排除了，显示板仍继续报警，直到手动复位为止。

3、结论

系统采用动态无功补偿及谐波滤波技术，在投运后运行状况良好，控制精度高，操作方

便，运行稳定可靠，干扰小，很少出现问题，对电网的伤害很小。I段 10kV 母线电网上安装

SVC 系统，可以连续调节无功补偿量，动态响应速度快，解决了 R1初轧机对电网的剧烈冲击，

稳定电网电压，滤除谐波，可以充分发挥 SVC 的优势，使 I段 10kV 电网的功率因数保持在整

定值 0.95 以上。轧机在生产过程中，Ⅱ段 10 kV 母线上的负载冲击与 I段 10kV 母线上的冲

击相比会较小，Ⅱ段母线的功率因数补偿指标设计为 0.92。

在投运后，没有因为电网的扰动原因造成停机，电网的工作很正常，减少了可能由于停

机而带来的损失，创造了很大的经济效益。

资料来源：保定巴方电力电子有限公司 2010 年 9 月 20 日

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