钢铁厂专用变压器无功补偿方案设计

刘　铭，姜晓东，马庆玉

（山东理工大学　电气与电子工程学院，山东　淄博255049）



节能减排

钢铁厂专用变压器无功补偿方案设计

刘铭，姜晓东，马庆玉

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049）

摘要：通过在配电变压器低压侧安装无功补偿装置，选用STC12C5620AD系列单片机作为核心控制器，采用无功功率和功率因数双参数控制方式，对控制策略进行精心设计，通过先共补后分补的投切逻辑，以配变无功缺额为最终补偿判据，在补偿装置一定的情况下，完成配变最优补偿，并实现投切振荡抑制，以减少电能损失，抬高末端电压，提高钢铁厂生产线的效率及质量。

关键词：无功补偿；专用变压器；电容器；无功功率

1　前　言

不同于生活用电，厂矿区用电网络功率因数较低，造成大量的无功电能损失。由于钢铁行业的特殊性，设备负荷容量普遍较大，如大型电动机无功功率总量大、波动范围广，具有较强冲击性，又都处于供电网络的最末端，大量负荷处于660 V供电系统的末端，其供电系统的无功损耗非常大。为了提高末端设备的功率因数及端电压，使其高效率稳定运行，通常需要加装无功补偿设备。而静止无功补偿器（SVC）是现在应用的较多的一种补偿设备，SVC不仅可以抑制电压波动和闪边、治理谐波，并且由于其灵活的补偿方式而得到广泛应用［1］。

在工业电网中，约60%的无功功率消耗在用户侧，电网则消耗了约剩余40%无功。而无功功率在电网中的流动中影响了用户端用电质量，也对电能造成较大损失。因此工业用电普遍安装专用变压器，由各用电单位负责无功功率的补偿，使有关参数达到供电公司要求，工业用电三相相对平衡，但无功需求较多，无功波动很大。因此针对专变无功特征，结合共补与分补，对专变采用三角形连接为主的电容器组连接组别。在冶金企业中随着交流电弧炉、连轧机等不平衡、冲击性工业用电设备的增多也较容易出现三相不平衡情况，例如大负荷的单相负载（如电焊机等）取自三相中的某一相太多时，造成电压波动和闪变、三相电压和电流不平衡等问题。

本研究针对钢铁厂末端设备功率因数低的问题设计补偿方案。

2　补偿方案

2.1无功补偿方式

在炼钢厂区变压器低压侧装设集中补偿。由于这种补偿方式效率高，运行可靠且易于维护，同时也提高了二次侧电压，降低了无功损耗，是非常经济的补偿方式。但是由于某台容量较大的高低压用电设备，把补偿电容直接接到大功率的用电设备上的电气回路中，就地平衡无功电流补偿方式可以最有效地保证工作电压质量，同时也可以选择将电容器组分组安装在车间配电室的分路出线上，可以更好地配合部分电荷同时投切。

对于距离变压器较近且用电量相对较小的负荷采用集中补偿方式，而对于负荷距离变压器较远又功率偏大的情况可采用个别补偿方式以提高其功率因数。

针对可能出现的三相负荷不平衡现象，大多采取的应对办法是使无功补偿装置发出的无功功率连续可调。采用TSC+TCR型SVC，在闭环控制中计算SVC的三相补偿电纳，通过改变TCR的触发角和TSC的投入电容器组别就可以改变其等效电纳继而实现平滑调节输出无功的目的。

2.2电容器分组方式

目前常采用的分组方式：

1）各电容器组容量相同，按1∶1∶1分组。该种电容器分组方式虽然结构简单，易于实现，但若单组电容器容量过大，出现分级补偿，不够精确；若单组电容器分组过小，虽可以提高精确度，但组数增大，设备接线复杂，运营维护成本升高。

2）各电容器组容量依照“二进制”计数原则，按比例分组，减少了电容器组使用，节约了设备成本，相对较为灵活，控制策略略微复杂。

3）各电容器组容量大小按比例系数为2的等比数列进行分组［2］，补偿精度大大提高，由最小的一组电容器容量决定，相比于等容量的分组方式，大大减少了电容器的使用，很大程度上降低了设备成本，正是由于组合方式多种多样，也在一定程度上增加了控制难度，投切逻辑的判断上相对复杂，在减少成本，提高精确度的同时，可靠性略微降低。

本方案采用（1）、（3）种电容器分组方式相结合的方法，在尽量使设备结构简单易操作且降低成本的基础上提高补偿精确度及可靠性，使其更适合于钢铁厂环境中使用。

2.3专用变压器综合补偿方案设计

10 kV配电变压器中，部分变压器由用电客户自己装配，供电企业代管，专门供大中型企业使用，这类变压器成为专用变压器。一般用于厂矿企业的三相大中型用电设备配电，将输电网传输过来的高压电能进行降压，一般降至380 V，直接供工业设备使用，另外，一般不会在专用变压器上另外挂接单相负载。

10 kV专用配电变压器一般配接三相大中型负载。例如某轧钢公司专变负载，将配电网电能电压等级从10 kV降至380 V，主要承担轧钢公司中烧结车间、高炉、浇铸车间和轧钢车间以及退火车间的供配电。专用变压器主要并联三相负载，所以生产运行中三相无功功率相对平衡。但所接负载几乎全部为大容量负载，例如高炉、连续浇铸机、热轧机和冷轧机等，无功功率数值很大，需要大量补偿，否则无论对用电企业还是电网公司都会造成巨大的经济损失。

针对专用变压器这一特点，提出以下补偿方案：专变无功补偿装置安装在10 kV专用配电变压器用户侧，补偿系统控制模块集成于智能配变终端内，方案选用STC12C5620AD系列单片机作为核心数据处理单元，结合配网二次侧设备电压、电流互感器等，完成信号调理、A/D转换、中断、通信和存储等主要功能，以及驱动相应电容器组完成投切动作［3］。

对投切电容器组进行等容分组，可以连续递增或递减的无间断投切，这样对电网冲击较小并且循环投切也可以延长断路器和电容器的使用寿命。在选择投切开关时，考虑到投切电容负载开关动作时涌流可以达到额定电流的5至15倍，存在过电压现象，通常开关动作又比较频繁，所以选用的开关不仅要保证触头能承受足够的合闸涌流冲击并且最好真空以应对过电压还要适合频繁动作。将晶闸管投切电容补偿器仍然装备六组电容器组，容量比按照1∶1∶1与1∶2∶4的形式设置，前面3组电容器组采用三角形连接方式，并选择大容量电容器，完成对A、B、C三相中大部分无功功率的共补补偿，后三组采用星形连接方式，电容器组容量依照等比数列设置，并选择小容量电容器构成，高效的完成从单位1到单位7容量的分补补偿，补偿方案设计如图1所示。

图1　专用变压器补偿方案设计

3　结　语

10 kV配电变压器作为电网末端设备，直接与用电客户相连，对其进行快速精确的无功补偿可以直接改善用户电能质量，这种综合功率因数和无功功率的复合控制方式，既能够满足国家有关规定，又可以实现直接快速有效的无功补偿。既不会造成补偿不足，也在一定程度上降低设备冗余，减少线路接线，符合智能型低压配电箱的基本要求。

针对钢铁厂的特殊条件及专用变压器的特殊性做出对应补偿方案，兼具变电所集中补偿和用电设备随器补偿的优点，并将无功流动控制在较低电压区域内，减少传输损耗，在一定程度上解决了当前无功补偿设备闲置或不足的问题，减少了方案资本投入，具有较高的实用价值。但是此方案也存在一定的局限性，由于线路末端负荷的特殊性以及线路复杂性，对于补偿装置的装配与运行维护使得方案的经济性、投资成本成为影响可行性的关键因素。随着我国创新型国家发展战略的实施，这一问题会随着逐步研发的深入得到更好解决。

参考文献：

［1］姜齐荣.新型静止无功发生器建模及其控制的研究［J］.清华大学学报，1997（7）：21-25．

［2］高东学.电网无功补偿使用新技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2014．

［3］邓德智.基于TSC的无功补偿控制器的研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2012．

信息化建设

Reactive Power Compensation Scheme Design for Steel Works Special-purpose Transformer

LIU Ming, JIANG Xiaodong, MA Qingyu

（Shandong University of Technology, Zibo 255049, China）

Abstract:The purpose of high- speed and accurate reactive power compensation through the way of installing reactive power compensation device on the low-voltage side of the distribution transformer can be realized. That can integrate the advantages of substation's concentrated compensation and electrical loads compensation. The scheme which with double parameters control mode controls the reactive power and the power factor. The STC12C5620AD series single chip microcomputer is its controller. The scheme take disrupt compensation after the total compensation and take the reactive power gap as the final criterion. It completes the optimal compensation and restrains the oscillation. It can reduce power loss and boost the terminal voltage, improve the efficiency and quality of steelworks.

Key words:dynamic reactive power compensation; dedicated transformer; capacitor grouping; reactive power

中图分类号：TM714.3

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2016）02-0049-02

收稿日期：2016-03-07

作者简介：刘铭，女，1992年生，山东理工大学电气工程专业2014级硕士研究生，研究方向：配电网无功补偿。