山东德佑电气股份有限公司的研究人员孙国歧、魏晓宾、张玲艳、肖恩恺、刘涛，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文，针对轧机行业用电负荷对电网电能质量的影响，提出了晶闸管投切开关在角外、滤波电抗器在角内的动态无功补偿及谐波治理方法，并结合现场运行情况给出了具体的实施方案，补偿后功率因数显著提高，电能质量明显改善。最后给出了补偿前后电流的运行数据对比，验证了本文方法的有效性。
随着我国冷轧机行业的日益发展，电力系统的电能质量面临着越来越严峻的考验。冷轧机主要设备为冷轧主机、退火炉、冷轧开卷卷取机等设备，其驱动方式大都采用的是移相触发可控硅构成的6脉波整流电路，因而产生的5次、7次、11次谐波电流特别多。
轧机属于冲击性负荷[1-3]，由于负荷电流快速频繁波动，电流谐波畸变率高达50%-100%，谐波电压高达8%-15%，设备工作时功率因数在0.2-1之间变化，平均功率因数0.6左右。而且在其工作时，产生很大的电流冲击和无功冲击，使得供配电系统稳定性大大降低，系统电压大幅波动，电压畸变率大，影响用电设备的安全可靠性[4-9]。
此外，轧机冲击性负荷会造成电力系统的电压和频率波动[9-11]，这些波动会对用电设备造成以下影响：
（1）电动机的转矩T与电压U2成正比，如果电动机长期运行在低电压处，负荷转矩保持不变，定子绕组的电流增加会造成电动机转子发热，严重时电动机烧坏。
（2）电压降低使电磁元件及电气设备误动作。如继电器、接触器、磁力启动器吸合缓慢，烧坏触头等，甚至造成抱闸打不开，电机不能工作。
（3）晶闸管变流装置整流电压与系统电压成正比，当系统电压变化时，整流电压随之变化，移相器移相角相应变化，直流输出最终发生变化。
（4）电压波动造成电子控制系统失效。
（5）照明的光通量与电压U3.6的成正比，发光率与电压U2成正比，电压波动严重影响照明质量。
本文针对上述冷轧机负荷特性对电网的影响，提出了晶闸管投切开关在角外、滤波电抗器在角内的动态无功补偿及谐波治理方法，并结合现场运行情况给出了具体的实施方案，运行结果表明本文方法具有显著的效果。
1 现场工况分析
以山东某轧机厂1450轧机生产线为例对现场工况情况进行分析。该厂主机整流变容量为2500kVA，电压等级为10kV/0.66kV，冷轧主机配置2台，容量为2*795kW，开卷、卷取整流变容量为2500kVA，电压等级为10kV/0.4kV,直流电机配置4台，容量为4*284kW，主要负荷为6脉硅整流调速直流马达的轧机设备。
现场对 400V开卷、卷取机系统的电压、电流、功率等电气量进行了详细的测试。系统电流总畸变率为0.4左右，5次、7次、11次谐波电流很大，电压总畸变率达到0.1以上，严重超出电能质量标准要求。变压器下侧负荷平均功率因数仅为0.6左右，存在严重的无功缺额，造成变压器输出有功严重不足，另外变压器发热问题较为严重。
2补偿技术方案
针对轧机的负荷特性，无功补偿设备基本要求[12]为：（1）能够根据负荷无功功率的变化情况，进行实时跟踪补偿供电系统；（2）能够有效降低系统谐波对无功补偿设备的影响，防止谐波放大与系统共振；（3）能够滤除系统低次谐波电流，显著降低谐波危害和无功功率。
基于上述考虑，本文提出了一种基于零电压投切晶闸管的动态无功补偿及滤波装置（DYTSF）治理方案，该装置能够快速跟踪补偿无功缺额并能够滤除系统中谐波电流。
DYTSF主电路拓扑结构如图1所示，晶闸管开关放在角外，三控三方式，相间电压由两相可控硅承担，大大提高了可控硅开关的耐受电压击穿能力；滤波器电抗器放在角内，流入的是相电流，在同样补偿容量下，通过的实际电流值减小，大大提高了电抗器余度。
装置采用电压过零点投切，无涌流，不会对电容器产生冲击，同时也不会受到电网电压谐波的影响。装置具有分相补偿的功能，控制器检测电网AB、BC、CA的电压、电流信号，通过计算得出系统各相的无功缺额及谐波电流大小，解决系统三相不平衡问题。
动态无功补偿装置由断路器、大功率晶闸管投切开关、滤波电容器、滤波电抗器、控制器、柜体等组成。采用全智能控制及微机监测技术，投切开关采用大功率晶闸管反并联，实现对滤波电容器组的快速投切，具有投切准确，无涌流冲击、无过渡过程等优点。装置将电容器组容性无功补偿系统的感性无功，从而提高系统功率因数。
图1 三相角接分补电路
根据国标要求[13,14]，本方案将功率因数补偿到0.92以上，电压畸变率控制在5%以内，谐波电流滤除50%左右。
根据现场测试数据，功率因数由0.6提高到0.92以上需要基波无功补偿容量约为1300kvar，电容器额定电压为480V,安装容量应为1872kvar。选取型号为DYTSF-0.48-1872的晶闸管投切动态无功补偿及滤波装置。
具体配置为：（1）前8条支路的每条安装电容器的容量为3*22.285*3=200.5kvar，共计1605kvar，每条支路滤波50A；（2）后2条支路每条安装电容器的容量为2*22.285*3=133.7kvar，共267kvar,每条支路滤波35A；（3）柜体尺寸3*（1000*1000*2200m）。
具体方案配置如表1所示，具体补偿目标如表2所示。
表1 无功补偿配置方案表
表2 系统补偿目标
3 实施效果
将上述方案安装于该厂并投运后，补偿效果明显，功率因数由当初的0.6提高到0.92，谐波电流降低了将近一半，电能质量得到明显改善，同时配电变压器的温升显著降低。各次谐波电流滤除明显，具体数据如表3所示。
其中5次谐波电流从259.1A降低至78.4A，谐波滤除率为69.7%，7次谐波电流从76.4A降低至18.2A，谐波滤除率为76.1%，11次谐波电流从33.3A降低至24.8A，谐波滤除率为25.5%，与设计效果基本相吻合。
表3 补偿效果
4 总结
本文针对轧机行业用电负荷对电网电能质量的影响，提出了晶闸管投切开关在角外、滤波电抗器在角内的动态无功补偿及谐波治理方案，补偿后功率因数显著提高，电能质量明显改善，同时降低了配电变压器及用电设备中的电能损耗，有效的保证了低压配电系统的安全可靠运行。
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