1、供配電系統電能質量治理方案1 項目背景武鋼供配電系統是一個復雜的配電網絡，大功率、沖擊性、不對稱性和非線性負荷在武鋼的大量使用、武鋼配電網絡結構的復雜性及大量的新改建產線，以及環境保護和生產成本的制約等諸多因素，使武鋼配電系統越來越運行在接近臨界條件下，大大增加了運行條件的不可預知性，配電系統存在的電能質量問題越來越成為制約武鋼安全生產的重要因素。近年來武鋼事業部的生產秩序接連受到電能質量問題的困擾。另外隨著流程性企業規模的不斷擴大，新項目用電設備對原有供配電網絡的沖擊均對供配電系統提出更高的要求，因此開展系統電能質量測試評估是非常有必要的。通過上海寶鋼安大電能質量有限公司在2011年對武鋼供

2、配電系統的電能質量測試及評估，我們獲得了武鋼供配電系統內部電能質量的詳細情況，并據此提出了相應的解決方案。2 存在問題影響武鋼供配電系統安全可靠、優質經濟運行的電能質量問題主要有以下幾個方面：2.1 變壓器經濟運行問題通過對武鋼廠各供電變壓器平均負載率的統計分析可以看出，在測試時間內，部分配電變壓器的負載率較低，配電變壓器的總容量偏大，配電變壓器有功損耗和無功損耗增加，使變壓器的運行效率降低，造成電能的浪費。2.2 電壓偏差通過對測試數據的分析，二冷軋10kV段母線，二總降2#變35kV、3#變35kV，高線變10kV I段、高線變10kV II段，冷軋變1#、2#10kV段，三煉鋼3#、4#

3、35kV，1#變10kV，四煉鋼3#變35kV段的電壓偏差均超過國標電能質量 供電電壓偏差（GB12325-2008）規定的限值。2.3 電壓波動與閃變通過對測試數據的分析，武鋼220kV和110kV段電壓閃變基本滿足國標電能質量 電壓波動和閃變（GB12326-2008）規定的限值；僅冶金變110kV II段電壓閃變超過規定的限值。下級變電站中，在本次測試時間段內，僅高線變10kV II段長時閃變略超過國標電能質量 電壓波動和閃變（GB12326-2008）規定的限值。二熱軋、二總降、三煉鋼、四煉鋼35kV系統由于系統所帶負荷主要為軋機或電爐，系統電壓波動偏高。2.4諧波通過對測試數據的分析

4、，武鋼廠與電力公司PCC點的各次主導諧波電流和各次主導諧波電壓基本都在國標電能質量 公用電網諧波（GB/T 14549-1995）規定的限值范圍之內。對于武鋼內部的供配電系統來說，4個220kV總降110kV進線主導諧波電流值均均滿足電磁兼容 限值 中高壓電力系統中畸變負荷發射限值的評估（IEC61000-3-6）規定的限值。其它測試線路，諧波電流值較大的有：二冷軋10kV VIII段5，7次諧波電流；二熱軋1#變35kV進線側2、3、4、5次諧波電流，3#變35kV進線側3、4、5次諧波電流；二總降2#變35kV進線側2、3、5次諧波電流，3#變35kV進線側2、3次諧波電流；冷軋變1#10

5、kV進線5、11次諧波電流，2#變10V進線側5、11次諧波電流值較大；三硅鋼10kV I段進線 5次諧波電流，10kV II段進線5次諧波電流；矽鋼變1#10kV進線5、11次諧波電流，2#10kV進線側5次諧波電流；一總降10kV III段5次諧波電流；CSP35kV IV段側2、3、5、7次諧波電流。2.5 各供電線路的功率因數在測試的時間范圍內，各主要供電線路的功率因數都達到了較高的水平；但同時也有部分用電線路由于種種原因功率因數較低：二冷軋2#變10kV VIII段進線，其所帶無功補償裝置投運，在進線側表現為無功功率倒送，線路功率因數較低，為0.65；二總降2#變35kV、3#變35

6、kV段主要負荷為精煉爐，測試工況下，平均功率因數較低分別為0.78、0.74；高線變1#軋機線和2#軋機線平均功率因數較低，分別為0.72、0.8；冷軋變10kV I段濾波器未投，II 段SVC只投入H3、H5支路。1#變10kV側平均功率因數低，為0.66；三煉鋼變3#變35kV側和4#變35kV側平均功率因數較低，分別為0.73，0.55，且4#變35kV側有無功功率倒送；矽鋼變I段SVC退出，II段靜補退出，矽鋼變1#、2#變10kV進線側平均功率因數較，分別為0.45、0.75；一總降2#、3#變10kV進線側平均功率因數較，分別為0.82、0.75；CSP的35kV V段進線側平均功

7、率因數較低，為0.76。3 治理方案針對武鋼供配電系統存在的電能質量問題，應當采取如下解決措施：（1）合理調整武鋼廠各配電變壓器的負載功率，在最大負載率不是很大的情況下，盡量避免各配電變壓器的平均負載率在小于30%或者大于60%的工況下運行。（2）合理調整二冷軋2#變10kV VIII段補償裝置的補償容量，使其平均基波功率因數達到0.92以上；冷軋變I段SVC應考慮使其恢復運行，并在其投運后，針對測試時間段內冷軋變10kV I段高次諧波超標嚴重情況，進行檢測評估，評價對高次諧波濾波效果；冷軋變II段雖投有濾波裝置，但對高次濾波效果不明顯，考慮根據最新實際運行情況，對濾波裝置進行調整；合理配置三

8、煉鋼3#變、4#變35kV 段補償裝置，使其平均基波功率因數達到0.92以上；矽鋼變10kVI段SVC應考慮使其恢復運行，并在其投運后，針對測試時間段內10kV I段高次諧波超標嚴重情況，進行檢測評估，評價對高次諧波濾波效果，10kV II段靜補裝置應考慮使其恢復運行，并在其投運后，針對測試時間段內10kV II段高次諧波超標嚴重情況，進行檢測評估，評價對高次諧波濾波效果（3）二熱軋1#、3#35kV段雖配置有SVC裝置，據測試數據分析，4次諧波電壓較大，使母線總畸變率值較大，且2、3、4、5次諧波電流較大，建議根據系統最新實際運行情況進行檢測評估；針對以上問題的解決方案見下表所示表1 電能質

9、量問題及解決方案整改對象電能質量問題解決方案二冷軋2#變10kV VIII段無功功率倒送合理調整原有補償裝置投入冷軋變10kV I段功率因數較低根據需要投入原有補償濾波裝置冷軋變10kV II段高次濾波不明顯合理調整原有濾波裝置三煉鋼3#變35kV補償效果不理想合理調整原有濾波裝置三煉鋼4#變35kV無功功率倒送合理調整原有濾波支路的投入矽鋼變10kV I段功率因數較低恢復投入原有SVC裝置矽鋼變10kV II段功率因數較低恢復投入原有靜止補償裝置二熱軋1#35kV諧波電壓偏高合理調整原有SVC裝置參數二熱軋3#35kV諧波電壓偏高合理調整原有SVC裝置參數（4）二總降2#變35kV、3#變3

10、5kV段，高線變1#軋機線和2#軋機線，一總降2#、3#變10kV進線側（10kV III段總畸變率較高），CSP的35kV V段進線側功率因數均較低，部分線路平均功率因數均在0.74到0.8之間，見下表所示表2 線路功率及功率因數整改對象有功功率（MW）無功功率（MVar）視在功率（MVA）功率因數一總降2#變10kV12.198.4914.860.82 一總降3#變10kV14.5312.7219.310.75 二總降2#變35kV7.45.969.50.78 二總降3#變35kV4.634.226.270.74 高線變10kV I段1#軋機線2.922.73.98 0.73 高線變10k

11、V II段2#軋機線5.64.237.020.80 CSP 35kV V段4.173.545.47 0.76 為了能使系統經濟運行，應該增設動態無功補償兼濾波裝置，使功率因數達到0.92以上。因此，建議在需要治理的線路母線上安裝動態無功補償兼濾波裝置，從而根據系統負載的變化動態的補償所需要的無功功率，并同時濾除系統中的諧波電流。各條線路下的負荷隨時間變化，所需要的系統無功功率也隨之變化，因此在某些情況下可能出線無功倒送的情況，于是采用基于磁控電抗器（MCR）的無功補償及濾波裝置（MSVC）從而避免出現過補的情況。而在線路負荷包含較大沖擊負荷或者負荷變化較為劇烈的時候，則可以采用SVG+FC型動

12、態無功補償及濾波裝置。動態無功補償裝置分為MSVC型和SVG型無功補償兼濾波裝置，其中MSVC裝置由MCR磁控電抗器部分和FC濾波支路部分組成；SVG裝置由SVG裝置和FC濾波支路部分組成。解決方案詳見下表所示表3 電能質量問題及解決方案整改對象電能質量問題解決方案二總降2#變35kV功率因數偏低，存在一定諧波電流安裝一套MSVC裝置，MCR容量3000kVar，FC安裝容量4200kVar，設置H2支路（2400kVar）和H3支路（1800kVar）二總降3#變35kV功率因數偏低，存在一定諧波電流安裝一套MSVC裝置，MCR容量1500kVar，FC安裝容量2400kVar，設置H2支路

13、（2400kVar）高線變1#軋機線功率因數偏低，存在一定諧波電流安裝一套MSVC裝置，MCR容量1500kVar，FC安裝容量2400kVar，設置H5支路（2400kVar）高線變2#軋機線功率因數偏低，存在一定諧波電流安裝一套MSVC裝置，MCR容量2000kVar，FC安裝容量3000kVar，設置H5支路（3000kVar）一總降2#變10kV功率因數偏低，存在一定諧波電流安裝一套SVG+FC裝置，SVG容量±2000kVar，FC安裝容量2400kVar,設置H2支路（2400kVar）一總降3#變10kV功率因數偏低，存在一定諧波電流安裝一套SVG+FC裝置，SVG容量

14、±4000kVar，FC安裝容量4800kVar,設置H2支路（2400kVar）和H3支路（2400kVar）CSP的35kV V段功率因數偏低，存在一定諧波電流安裝一套MSVC裝置，MCR容量1500kVar，FC安裝容量2400kVar，設置H2支路（2400kVar）4 MSVC方案介紹4.1 MSVC工作原理根據自動控制器對系統的無功功率取樣，自動調節磁控電抗器的晶閘管控制角，改變鐵心的磁導率，使電抗值連續可調，從而實現無功的平滑補償。保證系統所需無功容量Q動態平衡，實現動態無功補償效果,同時濾除系統諧波電流，使得系統諧波電流維持在一個滿足國家標準的較低水平。4.2 MSV

15、C裝置組成每套高壓MSVC型動態無功補償裝置分為FC濾波支路、MCR支路、MCR勵磁系統和MCR控制系統等四個主要部分。MSVC裝置一次系統圖如下圖所示圖1 MSVC裝置一次系統圖4.2.1 FC濾波支路FC濾波支路為系統提供容性無功,并濾除系統諧波電流。主要由濾波電容器、干式空心濾波電抗器、氧化鋅避雷器、電流互感器、放電線圈和高壓熔斷器等元件組成。1）電容器性能指標I.使用環境條件：a.安裝地點：戶內b.安裝形式：柜式c.海拔高度：1000md.環境溫度：-2045e.空氣濕度：90%（25時）II.主要參數：a. 接線方式：星形連接c. 配噴逐式熔斷器進行保護d. 額定頻率：50Hze.

16、相數：三相f. 損耗角正切（tg）：0.05%(在工頻額定電壓下，20時)g. 電容偏差：成組電容器相間誤差小于1，每相的電容器與額定值偏差小于1.5；h. 電容器長期工頻過電壓為1.1倍電容器的額定電壓；電容器短期（1min）工頻過電壓為1.3倍電容器的額定電壓；電容器在過電流不超過其額定電流的1.3倍時可長期運行。2）干式空心濾波電抗器主要參數、性能指標為濾除系統諧波電流，在FC濾波支路串聯空心電抗器，該電抗器為戶內型干式空心鋁質電抗器。a.電抗器能在工頻電流為1.35倍額定電流的最大工作電流下連續運行。b.電抗器能在工頻加諧波電壓峰值為32UM下運行。c.每相電抗器的形式：干式、空芯、鋁

17、導線多股平行繞制并交叉換位； d.冷卻方式：自然冷卻；e.干式空心電抗器能承受額定電抗率倒數倍額定電流的最大短時電流的作用，不產生任何熱的和機械的損傷。f.三相電抗器每相電抗值不超過三相平均值的±2%.在額定電流下，三相或單相電抗器的聲級水平不超過下表：表4 電抗器聲級水平限值電抗器額定容(kVar)聲級水平(dB)804880125501252005220031554315500565008005880010006010001600623) 過電壓保護裝置為避免操作和雷電引起過電壓影響電容器及其他設備安全運行，設置氧化鋅避雷器保護。4) 放電線圈當動態無功補償裝置退出運行后，通過放

18、電線圈對電容器組放電，以實現電容器組電壓在退出運行后迅速降到50V以下。放電線圈的二次線圈還向高壓柜提供不平衡電壓信號。5)電容器單臺保護用熔斷器a.型號:BRW-12/24型高壓噴逐式熔斷器，熔斷特性見下表表5 熔斷器電流-時間特性熔絲額定電流倍數1.11.52.0熔斷時間4h不熔斷75s7.5sb.抗涌流性能熔斷器能耐受第一個半波幅值不低于熔絲額定電流100倍的電流沖擊,熔斷器能開斷熔絲的額定電流的20倍及50倍容性電流。4.2.2磁閥式可控電抗器磁閥式可控電抗器（MCR）為戶外型三相油浸自冷式，由優質硅鋼片和導線加工而成，性能優良，具有很高的可靠性，使用后只需定期進行簡單的常規檢查即可確

19、保設備長期穩定運行。a.型式：三相、油浸自冷、連續運行b.聯接方式：接c.溫升限值：電抗器正常運行時繞組平均溫升65K，頂層油溫55Kd.噪音小于65分貝e.電抗器正常工作時產生的諧波含量: 5次2.5%,7次1.1%f.設計正常使用壽命為20年以上（1）MCR勵磁系統MCR勵磁系統采用可靠性高的低壓晶閘管，晶閘管采用自然冷卻方式。勵磁系統中的低壓晶閘管的觸發系統采用光電觸發方式，確保主回路與控制回路具有良好的隔離性能，從而具備很強的抗干擾能力。勵磁系統與MCR磁控電抗器本體一體安裝，與控制器采用光纖連接。（2）控制系統MSVC裝置的控制系統是一個基于DSP為核心的高性能控制系統，采用全數字控

20、制，系統具有高度的可靠性、穩定性，具有很強的抗干擾性能，而且運算速度很快，便于實現復雜的控制算法。系統觸發等脈沖信號的傳輸全部采用光纖進行，安全、可靠、抗干擾能力強。（3）MSVC裝置性能1）MSVC裝置投運后能根據系統電壓、無功參數，進行適時連續、動態的無功功率調節。2）MSVC裝置采用自然冷卻方式，其中磁控電抗器部分免維護。3）MSVC裝置在全功率調節范圍內，電容器濾波支路始終接于母線，無合閘、分閘過程，無觸點開關動作，整個調節過程無級差。不產生合閘涌流和分閘操作過電壓，系統的安全性很高，可延長電容器使用壽命，裝置的濾波效果始終保持一致。4）MSVC裝置自動化程度高，可根據對母線功率因數的

21、監控，自動調整無功輸出，整個過程全自動運行，無需現場人工倒閘操作。5）MSVC裝置通過以下保護措施，可確保在整個運行過程中，或在自身發生故障時，不對系統電能質量、相關電力設備及周圍環境造成不利影響。6）控制器能夠分別顯示系統電壓、電流、功率因數、無功功率、有功功率、諧波分量；顯示電容器無功出力；顯示各類保護動作情況及故障告警等信息。5 SVG方案介紹應用于配電網的SVG裝置能夠通過對負荷無功電流的直接控制從而動態改變輸出電壓的幅值和相位來實現和配電網的無功功率交換，從而改善或抑制配電網的電壓偏差、電壓畸變、電壓波動與閃變、電壓跌落與浪涌、三相電壓不平衡等電能質量問題，也在提高用戶功率因數的同時

22、降低了電能的損耗、提高了發供電設備的運行效率、減少了用戶的電費開支。由于SVG裝置采用有·源運行方式，且不需要并聯電容器輸出容性無功功率，而且開關元件采用高頻電力電子開關器件， 因而具有響應速度快、體積小容量大、可平滑輸出雙向無功、補償容量不受系統電壓影響、不會引起諧振短路、可實現多目標控制等優點。SVG裝置的一次系統圖如下圖所示圖2 SVG裝置一次系統圖5.1 SVG裝置組成SVG裝置本體由控制柜、功率柜、啟動柜和連接電抗器組成，其每個部分的組成及功能如下1 控制柜控制柜由控制器、顯示操作面板、控制電源、繼電器、空氣開關等部分組成。控制電源提供DC24V、DC12V和DC5V電源系

23、統，為控制器和繼電器操作供電。顯示面板包括了液晶屏顯示和信號指示燈。操作部分包括開關機旋鈕。RCON主控制器采用二級總線結構。電源板為控制器提供供電電源；通訊板完成人機界面通信和外部開關量的控制；采樣板完成信號采集，調理；主控制芯片負責核心的控制算法。此總線掛有2塊光纖板，光纖板通過光纖完成功率模塊和主控制器之間的通訊。圖3 控制器構成框圖RCON主控制器結構板卡正面布置如圖所示。圖4 控制器機箱板卡正面布置圖表6各板卡功能表名稱功能數量母板板卡母板，提供各個板卡之間的信號聯系1電源板提供模擬電源1通訊板監測、通信、開關信號的處理1采樣板模擬信號采樣處理1光纖板通信信號交換22 功率柜功率柜的

24、主要組件是功率單元。裝置的功率柜均有3個，其中每個功率柜分三層共安裝有12個功率單元。直流電容選用進口薄膜電力電容。考慮到串聯功率單元電容器的均流問題，采用定制的疊成母線，使雜散電感降到最低，保證各個并聯電容與IGBT之間距離很好的一致性，使各個電容上流過的電流一致；功率單元電容器的均壓問題設計中采用先進的控制算法，使得每個功率模塊之間壓差在2%以內。電子旁路回路采用進口IGBT器件，動作迅速且可靠，保證了功率模塊發生故障情況下，控制器可以在1ms時間內將故障模塊可靠旁路。功率模塊的控制器，除了采樣回路、保護回路和輸出驅動回路外，幾乎所有的邏輯和通訊處理均采用大規模FPGA芯片完成，智能化的設

25、計使得硬件設計簡單，軟件設計靈活，便于以后的功能修改和升級，而且可靠性高，受功率器件的干擾小。模塊化的結構設計，使得產品緊湊、重量輕，且通用性強，在功率模塊發生故障時，用戶只需要更換模塊，使故障的處理簡單化，為恢復生產贏得了寶貴的時間。模塊的外部接口只有2個電壓輸出端子和2個光纖端子，即使非專業人員也可以更換模塊，不易發生錯誤，使得維護和檢修簡單化。3 啟動柜（充電柜）啟動柜由接觸器、軟起電阻、隔離刀閘和接地刀閘等幾個部分組成。SVG裝置在主開關合閘后，系統電壓通過軟起電阻對功率單元的直流電容進行充電，當充電電壓達到額定值的80后，開機，控制系統閉合接觸器，將軟起電阻旁路，發出動態補償電流。在

26、裝置進行檢修時，隔離刀閘和接地刀閘提供了安全保證。隔離刀閘可將裝置與系統斷開，提供明顯的斷開點，接地刀閘保證裝置輸入側處于接地狀態。4 連接電抗器裝置的輸出通過連接電抗器并聯到系統側，最終使補償后的系統電流畸變率降到最低。干式串聯電抗器技術規范參數額定頻率：50HZ額定電壓：10kV最高電壓：12kV1）電抗器選用并聯層式結構的干式空芯自冷型。在額定電流下，電抗器電抗值的容許偏差為05%，每相電抗值不超過三相平均值的±1.5%。2）串聯電抗器應滿足電壓、電流、頻率、電抗百分值等工作條件要求。3）串聯電抗器應滿足斷路器、電流互感器等設備的允許涌流值進行選擇。4）串聯電抗器在1.8 倍額

27、定電流下的電抗值下降應不超過5%。5）耐熱絕緣等級：匝間及本體絕緣耐熱等級為F級。6）串聯電抗器的諧波電流幅值：在額定電壓下，每相三次諧波電流的幅值不超過基波電流幅值的3%。7）串聯電抗器每相阻抗值的偏差不超過三相平均值的±2%。8）過負荷能力（1）能在1.1 倍額定電壓下連續運行；（2）能在1.35 倍工頻額定電流下連續運行或在工頻與諧波合成電流方均根值為1.2（或1.3）倍額定電流下連續運行。10）串聯電抗器能承受25 倍額定電流持續2s 的作用，不產生熱和機械損傷；11）用于支持電抗器的支柱絕緣子為實芯棒狀，非磁性。12）平均溫升(額定電流下）不超過60K，熱點溫升(額定電流下）不超過80K。13）串聯電抗器的噪聲水平不超過60dB。5.2 SVG技術指標SVG裝置滿足無功功率、電壓調節、功率因數及諧波治理等的技術要求，并達到以下技術指標：(1) 電網實時功率因數值 0.92且不過補。(2) 單