（电机与电器专业论文）轧钢供电系统谐波抑制与无功补偿仿真软件开发.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h e c a p a c i t yo f t h em o d e r nr o l l i n gm i l li sg e t t i n gl a r g e rd a yb yd a y , i t sa c t i v ea n d r e a c t i v el o a dc h a n g e si na i le x c e e d i n g l ya c u t ew a y a sar e s u l to fu s i n gt h y i s t o r r e c t i f yd e v i c e sb yt h em a j o r i t yo fe q u i p m e n t sf o rp o w e rs u p p l y i n g , t h eh a r m o n i ci n t h ep o w e rs y s t e l ni n c r e a s e s ，t h ep o w e rf a c t o rr e d u c e s ，a n ds y s t e m sv o l t a g ef l u c t u a t e s a c u t e l y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h eb a s i cc o n t e n to fp o w e rq u a l i t yi nr o l l i n gm i l l p o w e rs u p p l ys y s t e l ：【卜s t a t i cv a rc o m p e n s a t o ra n dm e t h o d sf o r c o n t r o lo f h a r m o n i c si so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o re n h a n c i n gr e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l yt o f a c t o r y , r e d u c i n gd e p l e t i o na n di m p r o v i n ge f f i c i e n c yo fe l e c t r i ce q u i p m e n t d u et o t h e r ei sn op o w e rs y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hc a nd e s i g nc i r c u i tp a r a m e t e r so f s v c i t sn e c e s s a r yt od e v e l o pas p e c i a l i z e ds o f t w a r ef o rt h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o n ， s v cd e s i g na n da n a l y s i so fp o w e rq u a l i t yi nr o l l i n gm i l lp o w e rs u p p l ys y s t e m i nt h i sp a p e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a r m o n i c sa n dt h ef e a t u r e so fp o w e rf a c t o ri n r o l l i n gm i l lp o w e rs u p p l ys y s t e ma r ea n a l y s e s e di nd e t a i l c o m p e n s a t i o np r o p e r t i e s a n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft c r + f ct y p es t a t i cv a rc o m p e n s a t o rw i d e l yu s e d i nr o l l i n gm i l lp o w e rs u p p l ys y s t e ma r er e s e a r c h e d o nt h i sb a s i sas e to fd y n a m i c c o m p e n s a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e d ，w h i c h c o n t a i n sm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ， e l e c t r i cp o w e rm o d e la n do p e r a t i o nm o d e le t c a f t e ri n p u t t i n gs y s t e mp a r a m e t e r si n m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i tp a r a m e t e r so ft c r b r a n c ha n de v e r yf i l t e r i n gb r a n c h i ns i m u l a t i o nm o d e lc a nb eo b t a i n e de a s i l yb yc a l l i n go p e r a t i o nm o d e l a l s o ，b y c a l l i n ge l e c t r i cp o w e rm o d e li nm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，e l e c t r i cp o w e rq u a l i t yo f r o l l i n gm i l lp o w e rs u p p l ys y s t e mw i t ho rw i t h o u t r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e c a nb er e a df r o mt h ei n t e r f a c e a c c o r d i n g l y , u s i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r et h es p e c i f i cc i r c u i tp a r a m e t e r so f e v e r yb r a n c hi ns t a t i cv a rc o m p e n s a t o rc a nb ed e s i g n e di n t e l l i g e n t l ya n dt h e r e s u l t s m a yb et a k e nf o rt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ei np r a c t i c a lr o i l i n gm i l ls v cs y s t e md e s i g n , a l s o ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t yo fr o l l i n gm i l lp o w e rs u p p l y s y s t e mw i t ho rw i t h o u tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e c a i lb em a d eo u ti n d e t a i l i i a b s t r a c t e v e n t u a l l y , as a m ee l e c t r i cp o w e rm o d e lw a sc o n s t r u c t e di np s c a d e m t d c s o f t w a r ew h i c hi sw i d e l yu s e di no r d e rt ov e r i f ya n dt e s tt h ed y n a m i cc o m p e n s a t i o n s o f t w a r e b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft w om o d e l ss u c ha sl o a dc u r v e s ， c u r r e n tw a v e f o r m ，v o l t a g ew a v e f o r m ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n ，p o w e rf a c t o r , h a r m o n i c c o n t e n t se t c ，i ti sp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h ed y n a m i cc o m p e n s a t i o ns o f t w a r e k e yw o r d s ：r o l l i n gm i l lp o w e rs u p p l ys y s t e m ，d a n y m i cc o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o n s o f t w a r e ，h a r m o n i c ，p o w e rf a c t o r , s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r , v o l t a g ef l u c t u a t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 谚泵i i 司 砷年乡月p 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 谚鼋目目 口7 年弓月10 日 第1 章引肓 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 钢铁企业是大型用电企业，其用电量在电网巾占有相当的比例。以卜海宝 钢为例，它的年用电量约占上海h 电网的l o 。2 0 0 8 年1 月2 4 同，总部位于 布鲁塞尔的国际钢铁协会( ir s i ) 公如：2 0 0 7 年中国以48 9 亿吨再次成为全球第 一人料_ j 牛产围。2 0 0 9 年槲中钢饥统计，0 8 年中同钢产量已达到50 1 2 亿吨。 以2 0 0 2 年为例，中国钢产量18 亿吨，而目前我国电炉吨钢屯耗5 9 6 k w h t ( 我国铁合金冶炼综合平均电耗约5 0 0 0 k w h t ) ，则0 2 年钏铁氽业的用电量为 1 0 7 28 亿k w h ，即1 0 7 9t w h 。 根据行业用电分析的数据把各行业在2 0 0 2 年的用电量绘制成表11 ， 依据表1 1 制成比例图11 。 表112 0 0 2 年并行业刚电苗统计 伞社会t纺纵、造r 乜力蒸汽 行业山油加上化l 医药 业用电量纸热水生产 用电量 1 w h 1 ，0 6 43 0 8 40 02 4 30 01 83 02 0 57 0 行业余属加工制造机械t 业交通运输其他丁业 用电量 2 4 74 03 5 g o 4 03 0 1 0 49 0 t w h 图1 1 2 0 0 2 年再钉业州电比例 m 篇m著言戮掀 第l 市d 从表11 和图l 1 r 石出，金属川【业2 0 0 2 总耗电2 4 74t w h ，r 仝利 会上业用电量的比例为2 5 ，为最大份额，而会属加j 业再领域的用i 乜如表12 。 点12 金属加l 业并领域刖电分布 有色金属冶金届 舵j i 金属加r 制造业吾领域 总用电景钢铁企业 炼压延加1 业制造 i用l n 量t w h 2 4 74 01 0 7 08 jj 02 9 j 02 a1 1 将其制成比例图l2 ，可见，而钢铁企业用电量为1 0 73 0t w h ，占其余 幅加r 业中4 3 的比例，凼此，钢铁俩陛足用电大户，兑用r b 量在社会上业用 电量 j 占有相当大的比例。 n 也金憾* 蝽玎口jn 图12 金属加l 业拜领域用 “比例 钢铁企业负荷包含很大比例的冲- 件性负荷。钢铁t _ = 业大型冲击负荷主要是 轧钢机和电弧炉。现代轧钢机传动装置的机组容量h 益增大，有的达数万k w ， 而且其负荷变动异常剧烈。其特点是重复冲击。速度周期变化。有的机组工作 时有功尖峰负荷可达额定容苣的1 8 0 3 0 0 ，周期约为数秒。与激烈的有功功 ：# 变动相适应，无功功牢亦以相同程度发生波动，这种负荷l 升的时间约为 o2 s 。无功功率波动会引起工母线电压的波动，从而使地m 电山系统也有一 定影响。 尤其是现代冷、热连轧机用屯量很大，其有功冲击负荷变化值可达数万下 瓦绒。并f ：l 由于冷、热连轧机控制性能的要求，大部分设备都采用直流电动机 或交流变频传动装置，而目供电多半来用晶闸管整流装冒。这样，使电网方面 第1 章引言 增加了新的特点，如： ( 1 ) 与“电动一a 电 变流机组不同，冲击负荷无缓冲地直接反映到电网中。 ( 2 ) 大幅度调速时，尤其是低电压调速时，无功消耗增大，功率因数降低， 平均只有0 7 - - 0 8 。国家供用电规则中对用户的功率因数做了如下规定： “用户必须提高自然功率因数，高压供电的用户必须保证其在0 9 以上，其它 用户保持其在o 8 5 以上，若达不到，应加装必要的无功功率补偿装置”。 ( 3 ) 由于晶闸管调相调压具有非线性特点，产生谐波分量，与电弧炉不同 的是，它基本不会产生三相不平衡的效应，因此谐波含量相对单纯。它的谐波 源主要是整流装置，产生的谐波含量主要为奇次谐波，而不含2 次谐波。 轧钢钢厂在不加装无功功率补偿装置时，功率因数一般远远低于国家的供电 要求，为此，网络的损耗增加，经济效益降低。加装无功补偿装置后提高了系 统功率因数，减小了网络损耗，每年可节省相当可观的有功损耗和电费，经过 严密推导计算，轧钢厂每补偿一m v a r 的无功可以降低有功损耗1 0 8 k w ，经济效 益可达1 5 1 4 万元，其中不包括由于补偿前功率因数过低而被当地供电局罚交 的调整电费。 另外，轧钢机造成电力系统的电压、频率波动和谐波，会对用电设备产生 很多危害。如使电动机长时问低电压运行，而负荷转矩不变，造成电机发热， 甚至烧坏电机；电压下降造成晶闸管变流装置整流电压下降，移相角变化，引 起直流输出变化。 一 因此，轧钢厂的电能质量已愈来愈为人们所关注，研究轧钢厂供电系统电 能质量的基本内容无功补偿与谐波治理，对提高企业供电可靠性、降低损 耗、提高用电设备出力等具有重要意义。 1 2 仿真软件开发的目的和意义 轧钢供电系统是一个大规模、时变的复杂系统，而且在国民经济中有非常 重要的作用。电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划和设计的重要手段。 因此电力系统仿真软件的功能特性对于提高研究、设计的效率和可信性有重要 作用。 目前常用的电力系统仿真软件主要有：( 1 ) 邦纳维尔电力局( b o n n e v i l l e p o w e ra d m i n i s t r a t i o n ，b p a ) 开发的b p a 程序和e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t p r o g r a m ) 程序；( 2 ) 曼尼托巴高压直流输电研究中- l , ( m a n i t o b ah v d cr e s e a r c h 3 第1 章引言 c e n t e r ) 开发的p s c a d e m t d c ( p o w e rs y s t e mc o m p u t e ra i d e dd e s i g n e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a mi n c l u d i n gd i r e c tc u r r e n t ) 程序；( 3 ) 德国西门子 公司研制的电力系统仿真软件( n e t w o r kt o r s i o nm a c h i n ec o n t r o l ，n e t o m a c ) ； ( 4 ) 中国电力科学研究院开发的电力系统分系综合程序( p o w e rs y s t e ma n a l y s i s s o f t w a r ep a c k a g e ，p s a s p ) ；( 5 ) m a t h w o r k s 公司开发的科学与工程计算软件 m a t l a b 。 各种软件都是在不同的历史时期，针对当时不同具体任务研发而成的，因 此它们的主要功能和典型应用也不尽相同，表1 - 3 清晰简洁地说明了各电力系统 仿真软件的开发者、主要功能和典型应用等。 表1 3 各种电力仿真软件特点 软件名称开发者最早应用时间主要功能典型应用 美国联邦政府能 计算电力系潮流和机电 源部下属邦纳维 b p a 1 9 6 0 年代初期统潮流和模暂态数字仿 尔电力局( 电科院 拟电机励磁真 吸收开发中国版) 计算网络的 e m t p w s x o t t m e y e r 等 以b p a 基础稳态解和分 电磁暂态过 析暂态过程 程数字仿真 电力系统时 高压直流输 p s c a d 加拿大曼尼托巴 1 9 7 6 年域和频域仿 e m t d c水电局 电 真 进行潮流、短 路、稳定、动 态等值、电动电磁暂态和 n e t o m a c德国西门子公司1 9 7 0 年代初期 机启动、参数控制环节的 辨识、机组轴 仿真 系扭振、优化 潮流等计算 稳态分析、故潮流和机电 p s a s p 中国电力科学院1 9 7 0 年代 障分析和机暂态数字仿 4 第1 章引言 电暂态分析真 线性代数，自 c l e v em o l e r 和j o h n 动控制理论，控制环节的 m a t l a b 1 9 8 0 年代中期 l i t t l e 等数理统计，数数字仿真 字信号处理 由上表可知，目前电力系统仿真研究工作主要集中在潮流分析、电磁暂态 分析、机电暂态分析，新装置、新电气现象的原理特性分析等，它们的特点是 由用户在软件内建立一定的电力模型，然后经过仿真计算得到相应的结果，从 一定的意义上来说只是分析软件，而不是设计软件。 由于大功率冲击性非线性负荷供电系统的复杂性，增加了无功补偿装置设 计的复杂性和难度。目前，国内外无功补偿装置硬件制造技术水平还是比较高 的，主要问题是无功补偿装置参数的设计计算水平还有较大差距，致使很多企 业供电系统的无功补偿装置运行效果较差，甚至发生无功补偿装置与系统发生 谐振产生过电压和过电流的问题，致使设备损坏，工厂无法生产。宝钢1 5 0 吨直 流电弧炉、沙钢9 0 吨交流电弧炉、泰国钢厂电弧炉、还有一些轧钢厂、矿山提 升机等系统的无功补偿装置在投运过程中出现了各种各样的问题，造成了严重 的经济损失，有的故障造成的经济损失达数亿元。因此如何提高无功补偿装置 设计的科学性和准确性，使无功补偿装置能安全可靠的运行并达到预期效果己 成为当前大功率冲击性负荷供电系统设计中的一个重要课题。 目前，解决这个问题最好的方法是对工厂供电系统中的无功补偿装置进行 仿真，在设计阶段就能确定无功补偿装置运行的效果、安全性和稳定性，及时 的对设计方案进行修正再仿真，再修正，直到方案为最优。通过仿真，可以确 保无功补偿装置设计的准确性，确保将来无功补偿装置运行的效果和安全性。 使用通用电力系统仿真软件无法优化无功补偿装置的参数和实现无功补偿 设计自动化，由于设计计算理论和方法不完善，还常出现无功补偿装置效果差， 甚至不能投运的问题，给用户造成巨大经济损失，因此设计一套专业、实用的 无功补偿设计仿真软件非常必要。实现在工程设计阶段进行系统仿真，确保无 功补偿装置投运的安全性和经济性。然而目前，国内外还没有成熟的无功补偿 仿真软件供用户使用，开发无功补偿仿真软件是一件创新技术开发工作，具有 较高的技术经济价值。它既能对谐波抑制和无功补偿装置的电路参数进行详细 的设计，又有良好的人机交互界面，使得用户在界面上进行一定的操作，就能 5 第1 章引言 准确无误地分析轧钢供电系统的一系列电能质量如电压幅值、电压波形、功率 因数、电压波动、谐波等等。可以说，此套动态补偿软件既是设计软件又是分 析软件。 1 3 仿真软件开发工具的选取 随着计算机技术不断发展，各种编程工具也随着发展，使当今的程序开发 人员可以摆脱枯燥无味的用计算机指令或汇编语言开发软件，而是利用一系列 高效的、具有良好可视化的编程工具去开发各种软件，从而达到事半功倍的效 果。但是现在市面上的编程工具门类众多，各具特色，比如m a t l a b 、v b 、p b 、 d e l p h i 、c + + b u i l d e r 、v c + + 、j a v a 等。这样，选择一个适合自己的开发工具就 显得尤为重要了。 轧钢供电系统仿真软件是用来对轧钢供电系统进行谐波抑制和无功补偿设 计和电能质量分析的专业软件，它由三大模块组成，一是界面模块，一是模型 模块，一是运算模块，因此要求它的开发工具具备突出的面向对象特性、良好 的可视化功能、能附带面向电力领域的工具箱、强大的科学计算能力等性能。 v b 简单易学、效率高，且功能强大可以与w i n d o w s 专业开发工具s d k 相媲美。 在v b 环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用 w i n d o w s 内部的广泛应用程序接口( s p i ) 函数，以及动态链接库( d l l ) 、对象的链 接与嵌入( o l e ) 、开放式数据连接( o d b c ) 等技术可以高效、快速地开发w i n d o w s 环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统和各类应用程序。但是v b 面对 对象的特性较差，不具备跨平台的特性；对组件技术的支持是基于c o m 和 a c t i v e x ，在组件技术不断完善发展的今天，显示了它的落后性；在进行系统底 层开发方面，v b 也是相对复杂的，调用a p i 需要声明，调用不方便，不能进行d d k 编程，不可能深入r i n g o 编程，没法嵌套汇编；而且，网络功能和数据库功能也 没有非常出色的表现。可见，v b 作为一种可视化的开发工具由于其自身的局限 性，导致了它在未来软件开发中逐步被其他工具所取代。 p b 使用简单，容易学习，容易掌握，在代码执行效率上也有相当出色的表 现，是一种真正的4 g l 语言( 第四代语言) 。p b 在数据访问中具有无可比拟的灵活 性，可随意直接嵌套s o l 语句并将返回值赋值到语句的变量中，支持语句级游标， 存储过程和数据库函数。p b 最大的优势是d a t a w i n d o w 技术的成熟和方便，在网 络开发中提供了较多动态生成w e b 页面的对象和服务，非常适合编写服务器端的 6 第l 章引言 动态w e b 应用。p b 在对j a v a 、w e b 以及面对对象方面的发展使其成为数据库系统 开发工具的首选。p b 在系统底层犯了跟v b 同样的错误，不能嵌套汇编；尽管在 网络开发中提供较多动态生成w e b 页面的对象和服务，但是用于网络通讯的不 足，静态页面定制支持有限，使得p b 在网络方面的应用不能非常广泛且面向对 象性也不是太好；另外，p b 的高级编程书籍的缺乏和基础语言p o w e r s c r i p t 的普 及程度对p b 的明天有一定的限制。 d e l p h i 和c + + b u il d e r 都是基于v c l 库的可视化开发工具，它们在组件技术上 的支持、数据库支持、系统底层开发支持、网络开发支持、面向对象特性等方 面都有不错的表现，并且学习、使用较为容易，提供了所见即所得的可视化开 发方法，开发效率高。d e l p h i 是唯一一套能同时适用于开发数据库应用、网络 及w e b 应用、分布式应用、可重用组件、系统软件、驱动程序、多媒体及游戏等 所有软件的高效率开发工具。d e l p h i 和c + + b u i l d e r 的最大不足之处就是其帮助 系统在众多的编程工具中属于比较差的；另外，d e l p h i 语言不够广泛，开发系 统软件功能不强；c + + b u i l d e r 的v c l 库是基于o b j e c tp a s c a l ，使得它在程序的 调试执行上都落后于其他编程工具。 v c + + 是基于m f c 库的可视化的开发工具，从总体上来说，它是一个功能强大 但又不失方便的一种工具，开发效率不高；为了兼容c 的程序，结果顾此失彼， 在面向对象特性上做的不好，在组件支持方面，虽说除了支持c o m 、a c t i v e x p h 还支持c o r b a ，但是没有任何i d e 支持。 j a v a 是一个广泛应用的网络编程语言。首先，作为一种程序设计语言简单、 面向对象、不依赖于机器的结构，具有可移植性、安全性，并且提供了并发的 机制、具有很高的性能；j a v 还提供了丰富的类库，使程序设计者可以方便地建 立自己的系统。但j a v a 在系统底层开发和多媒体开发表现不好，使用于系统软 件、驱动程序、高性能实时系统、大规模图像处理以外的应用软件。 m a t l a b 是当今最优秀的科技应用软件之一，它以强大的科学计算能力、可 视化功能、简单易用、开放式的可扩展环境，特别是附带的3 0 多种面向不同领 域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机应用开发的基本工具和 首选平台。它所附带的电力系统工具箱，使得用户可以在s i m u l i n k 环境下方便 地构建任何电力系统模型；m a t l a b 具备完善且便捷的图形化用户界面( g u i ) 的 操作，使得用户可以任意生成集简单性、致性、习惯性于一身的风格独特的 用户界面；m a t l a b 强大的科学计算功能能使开发的软件在运算方面具备相当高 7 第1 章引言 的精确性。此外，m a t l a b 具有其他高级语言难以比拟的一些优点，如编写简单、 编程效率高、易学易懂等。m a t l a b 的这些优越性能使得它成为本仿真软件开发 工具的首选。 1 4 本文所做工作 为完成轧钢供电系统谐波抑制与无功补偿仿真软件的开发，本文从以下几 个方面着手，具体研究工作如下。 ( 1 ) 调研了我国金属加工业在各行业中的用电比例以及钢铁行业在金属加 工业中的用电比例，论述了轧钢厂对电网质量的恶劣影响，论证了本课题研究 的意义及可行性。 ( 2 ) 对目前市场上各种电力系统仿真软件作了详细的分析，强调了开发一 套用于轧钢供电系统设计和研究仿真软件的必要性。 ( 3 ) 对m a t l a b 、v b 、p b 、d e l p h i 、c + + b u il d e r 、v c + + 、j a v a 等各种软件 开发工具的优点、缺点进行详细分析论述，选取m a t l a b 为软件开发的工具。 ( 4 ) 深入研究了轧钢供电系统的谐波和功率因数特点，为仿真软件的界面 设计和模块设计提供了必要的理论基础。 ( 5 ) 从软件工程角度出发，对仿真软件开发进行概要设计和详细设计，生 成了一套应用于轧钢供电系统的专业应用软件，它包括用户界面、电力模型、 运算模块等三个方面。不仅可以详细地设计谐波抑制和无功补偿装置的各个具 体电路参数，还可以仿真分析轧钢供电系统在使用谐波抑制和无功补偿装置前 后的电能质量变化情况。 ( 6 ) 以某供电系统的具体参数为对象，利用此套仿真软件，设计了轧钢厂 的谐波抑制与无功补偿装置的各支路电路参数，并且对电压波形、电压波动、 谐波、功率因数进行详细的分析对比。 ( 7 ) 以( 6 ) 中具体实例参数和通过本仿真软件设计的谐波抑制与无功补 偿装置的各支路电路参数为基础，在p s c a d e m t d c 软件中建立轧钢供电系统的 电力模型，仿真得到谐波抑制与无功补偿装置投入前后的电压波形、电压波动、 谐波、功率因数等等，对本仿真软件进行测试。 8 第2 章轧钢供电系统谐波和功率冈数 第2 章轧钢供电系统谐波和功率因数 2 j 谐波产生及危害 在电力系统处于稳态的情况下，三相交流发电机发出的电压，其波形基本 上是正弦波，但是，如果系统中有较强的谐波源，又没有采取有效的限制措施， 电网中的电流或电压波形就会发生畸变。 谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，使 所加的电压与电流不成线性关系而造成的波形畸变。引起波形畸变的谐波源是 多种多样的。例如各种非线性元件，包括大容量的晶闸管换流装置、硅整流器 及电弧炉等非线性负载，数量众多的家用电器等等。另外电力系统不对称运行 和不对称故障以及电弧的非线性特性等等，均可引起高次谐波。 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电网、电力设备和其它系统的危 害是非常严重的，归纳起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 使发电机、变压器、供电网、导线和电动机等产生附加的谐波损耗， 降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路 过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 影响各种电气设备的正常工作。对电机除引起附加损耗，还会产生机 械振动、噪声和过电压；增大了变压器的铜损耗和铁损耗，使变压器局部严重 过热，噪声增大；对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而引起 电容器过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击 穿。 ( 3 ) 对继电保护和自动装置产生干扰和造成误动或拒动。尤其是衰减时间 较长的暂态过程，如变压器励磁涌流中的谐波分量，更容易引起继电保护的误 动作。 ( 4 ) 影响仪表和电能的计量。电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的， 当有谐波时将会产生测量误差。 ( 5 ) 对邻近的通信线路造成干扰，轻者产生噪声降低通信质量；重者导致 丢失信息，使通信系统无法工作。 总之，谐波污染给电力系统的安全及经济运行都造成了极大的影响，因此， 9 第2 章轧钢供电系统谐波和功率冈数 必须对电网中的谐波进行实时准确的检测及有效的抑制补偿。 2 2 无功功率的产生及影响 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例。感应电动机、变压器、 传统的日光灯镇流器等都是典型的感性负载。感应电动机和变压器所需要的无 功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。一些电力电子装置， 特别是各种相控装置，如相控整流器、相控交流电力调节装置等，在工作时基 波电流滞后于电网电压，要吸收大量的无功功率。电气化铁路和工业用电弧炉 在工作时，不但要吸收大量的无功功率，而且所吸收的无功功率的波动也很大。 所有这些负载在正常工作时，都需要大量的无功功率。 在电力负荷中，感性负荷投入运行之后除了消耗大量的有功之外还要吸收 大量的无功。根据有关资料分析，电力系统的无功负荷约为有功负荷的1 3 倍。 大量的无功如果完全由发电厂来提供，就会使用户功率因数降低，其结果造成 线路有功损失加大，用户电压降低，电力设备得不到充分应用。当整个系统无 功严重缺乏时，还会使电力系统崩溃。我们知道，无功功率增加将使视在功率 增加，从而使流过供电系统的电流增加，这将对系统产生如下影响： ( 1 ) 总电流增加会使设备容量增加。无功功率的增加，会使发电机、变压 器及其它电气设备容量和导线的容量增大。同时，电力用户的起动及控制设备、 测量仪表的尺寸和规格也要加大，因而使投资费用增大。 ( 2 ) 在传输同样有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增 加。 ( 3 ) 线路及变压器的电压损耗增加。 ( 4 ) 导致原动机效率的相对降低。对电力系统的发电设备来说，无功电流 的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则 使转子绕组超过允许温升。无功功率的变化会引起电网电压的波动，使一些用 电设备无法正常工作，降低供电质量。 2 3 提高功率因数的节能效果 在轧钢企业中，由于大量的电力负荷是感性负荷，因此企业的自然功率因 1 0 第2 章轧钢供电系统谐波和功率冈数 数比较低，如不采用人工补偿，提高功率因数，将造成如下不良影响： ( 1 ) 降低了发电机的输出功率，当发电机需提高无功输出，低于额定功率 因数运行时，将使发电机有功输出降低； ( 2 ) 降低了变电、输电设施的供电能力； ( 3 ) 使网络电力损耗增加； ( 4 ) 功率因数越低，线路的电压降愈大面世的用电设备的运行条件恶化。 国家经济委员会批准的全国供用电规则规定：“用户应在提高用电自然 力率的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随负荷和电压变动及时投入 或切除，防止无功电力倒送”。并规定了用户在当地局规定的电网高峰负荷时的 功率因数值：高压供电的工业企业用户为0 9 以上。 为了奖励企业提高功率因数，执行国家规定的功率因数调整电费，如表2 1 。 表2 1 以o 9 0 为标准值的功率因数调整电费表 实际功率因数o 9 0 o 9 1o 9 20 9 3 0 9 40 9 5 一- 1 o o 减收电费 月电费减少( )0 0o 1 5o 30 4 5o 6 00 7 5 实际功率因数 o 8 90 8 80 8 7o 8 6o 8 50 8 4o 8 3 月电费增加( ) o 51 o1 52 02 53 o3 5 实际功率因数 o 8 20 8 l0 8 00 7 9o 7 8o 7 70 7 6 月电费增加( ) 4 04 55 o5 56 0 6 5 7 0 增收电费 实际功率因数 0 7 5o 7 4o 7 3o 7 2o 7 10 7 00 6 9 月电费增加( ) 7 58 o8 59 09 5l o o1 1 o 实际功率因数 0 6 8o 6 70 6 60 6 5 0 6 4 以下，每降低 月电费增加( )1 2 0 1 3 01 4 o1 5 0 0 0 1 电费增收2 可见，提高功率因数不仅对电力系统，而且对本企业的经济运行有着重大 意义。若设网络首端的有功功率为尸，平均功率因素c o s 伊，电网平均损失功率7 ， 则电网的可变损耗，在无功补偿前的数值为 厶= p r ( 2 1 ) 当用户投入无功补偿容量q c 之后，电网的平均功率因数将会提高，即网络 电压和总电流之间的相角差缈将会出现负的增量，此时网络损耗将会从。下降 到，有功损耗的下降值即为 第2 章轧钢供电系统谐波和功率冈数 必。只。一只 ( 2 2 ) 因此，在l h 内，其经济效益为 e = 必q = q c ( 元) ( 2 3 ) 式中g 口有功电价 元( k w h ) 】 g q 无功电价 元( k v a r h ) 】 由上式可得无功经济当量c 6 为 g = 篑= 毒 晓4 ， 补偿后网络损耗值只将和补偿后的功率因数c o s c p ：r 有下述关系 只= 即署 ( 2 5 ) 变化一个单位的功率因素角矽，线路有功损失的变化量为 等：等：2 即c o s 2 s e c 2 孵缈 ( 2 6 ) 够d 够 ”。 又因为q = 留9 ，因此变化一个单位的功率因素角缈，引起的无功功率变为 丝：盟：p s e c 2 口( 2 7 ) 伊d 伊 所以 g = a q c p j = 2 c o s z 铆 ( 2 8 ) 设五= 留如= 留缈，则当网络的功率因素由c o s 仍0 提至l j c o s r p 时，其平均降 损当量为 必 二一= q c 三二竺! ：竺璧兰兰兰：巡 一五 一五 = ，c 0 s 2 ( 五+ 五) ( 2 9 ) 当功率因数由0 7 5 提高到0 9 5 时，五值将由五= 0 8 8 下降到五- - 0 3 3 ， 1 2 第2 章轧钢供电系统谐波和功率冈数 如此，若网络平均线损率厂2 l o ，则篑= 0 1 0 7 5 2 x ( 0 8 8 + 0 3 3 ) = o 。6 8 。 上面说明了当投入补偿设备后，由于功率因数角的变化，所引起的有功损 耗的平均值下降。但是，由于功率因数改善，网络的电压就要上升，设其增量 为a u ，并设厶和i 为补偿前后的电流，则 ，：厶( 卜百a u ) ( 2 1 0 ) ，2 ：厶2 ( 1 一百a u ) 2 由于网络电压升高，电网有功损耗下降，设其值为a p ，且 凹- 。警= 即等 ( 2 又因为坐u = 等，考虑到以1 0 _ 2 = 虬木= x 木，所以 坐：一a q i x * ( 2 1 2 ) 一= 一 i ， u1 0 其中x 率、u ，幸分别为线路电抗和电抗压降的标么值。故得 他一2 m 等2 芦鲫n 秒 其中得护时电源电压和负荷电压向量的夹角。 正常稳定的电网，s i n 9 = o 1 5 0 3 5 ，今取s i n 0 = o 2 0 ， 型：2 ，s i n 乡：4 q c 。 无功补偿的经济当量为 a p + a p , ：6 8 + 4 ：1 0 8 q ( 2 1 3 ) 若，= 1 0 ，则 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由上式可知，投入无功补偿装置后，每补偿1 d v a r 的无功每小时可以降低 有功损耗1 0 8 k w 。若有功电价g p = 4 0 0 元( m 矿h ) ( 各地大工业电价不尽相同， 折中取4 0 0 元( m 矽h ) ) ，则无功补偿的经济效益为 g q = g p x l 0 8 = 4 0 0 x 1 0 8 兰4 3 2 【刃( m w h ) 】 ( 2 1 6 ) 1 3 第2 章轧钢供电系统谐波和功率冈数 也就是说，轧钢厂补偿一个m v a r 的无功每小时可为创造4 3 2 元的经济效益， 若无功装置的投运时间率为4 0 ，则每年的经济效益可达 g = g q 3 6 5 x 2 4 4 0 = 1 5 1 4 万元 ( 2 1 7 ) 轧钢厂投入无功补偿装置后，补充一个m v a l 的无功，每年节约1 5 1 4 万元， 这还未包括补偿前功率因数低于国家标准，由当地电力部门执行表2 1 中的调 整电费而多交的电费。以上的计算比较保守，因为在轧钢企业中，由于负荷的 特殊性，网络平均线损率y 可能会大于1 0 ，而且有功、无功负荷变化频繁，无 功投运率可能并不只高于4 0 。因此可见无功补偿的经济效益十分明显。 2 4 轧钢供电系统谐波源 轧钢供电系统的谐波源主要有晶闸管整流装置和利用相控原理控制的晶闸 管控制电抗器( t c r ) 。 2 4 1 晶闸管整流装置产生的谐波特点 晶闸管整流装置是把变压器二次侧的电压，经过整流提供直流电源给轧钢 机的直流电机使用，由于整流装置中存在电力电子装置，使得其电压与电流成 非线性关系，产生大量的谐波。 晶闸管整流电路产生的谐波与整流电路的触发角口和重叠角y 有密切关系。 触发角口是指晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度。由 于整流电路交流侧存在电感使得元件之间的电流转换不能在瞬间完成，而存在 一定的过渡时间，换相的过程常用电角度表示，称为重叠角y 。 以在轧钢供电系统中广泛应用的1 2 脉串联整流电路为例，推导出轧钢供电系 统产生的谐波与整流电路的触发角口和重叠角，的关系。推导分为两步进行，一 步是推导在交流侧没有电感即重叠角y 为0 的情况下轧钢供电系统的谐波特点； 一步是推导交流侧存在电感的情况下轧钢供电系统的谐波特点。 在图2 1 所示的1 2 脉串联整流电路中，若交流侧没有电感，直流侧电感足够 大的情况下，以触发角口作为坐标原点，根据一系列运算【3 】，可求得网侧线电流 为： 1 4 第2 章轧钢供电系统谐波和功率冈数 一= 竽伽研+ 扣- 纠咕s i n l 3 c o t ， 1 a 一 桥1 l 手 “ r n ，l i c lb 1 1 2 a 簪 聿 士2 a 桥2 图2 11 2 脉动串联整流电路 l d r 从上式可看出，在交流侧没有电感情况下，由双桥串联而成的1 2 脉动的整 流电路产生的注入系统的谐波只有1 2 n 1 次，且谐波发生量为厶：量，n 为谐波 厅 次数，其大小是与口没有关系。 图2 2 整流电路示意图 若交流侧存在电感，直流侧电感足够大的情况下，电路在交流电源的一周 期内有1 2 次晶闸管换相过程，每次换相过程情况相同，如图2 2 中，以v t l 换相 至u v t 2 的过程