安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要: 本文主要介紹了鋼鐵行業(yè)中存在的電能質(zhì)量問題的形成原因及其危害并結(jié)合具體應用案例分析了靜止無功發(fā)生器SVG在解決這些電能質(zhì)量問題的技術優(yōu)勢。

關鍵詞：電能質(zhì)量；中爐電弧爐；精煉爐；靜止無功發(fā)生器

0 引言

電能是電力公司向電力用戶提供的一種特殊商品，和其他商品一樣電能也存在質(zhì)量問題。國際電工委員會(IEC)對電能質(zhì)量給出了其定義，電能質(zhì)量是指在電力系統(tǒng)中某一點上電壓的特性，這些特性可根據(jù)預定的基準、技術參數(shù)來評價。頻率、電壓、電磁暫態(tài)、三相不平衡、波形失真、電壓的波動和閃變相對于預定基準的偏離程度是衡量電能質(zhì)量的主要指標。電能質(zhì)量需要供用電雙方來共同保證，用戶的負荷也能引起電能質(zhì)量問題，例如三相負荷的不平衡可導致三相電壓的不平衡；低功率因數(shù)可導致電壓的偏移；負荷的沖擊與波動可導致電壓的波動與閃變；非線性負荷產(chǎn)生的諧波電流可導致電壓波形的畸變。鋼鐵企業(yè)中大量的使用中頻爐、電弧爐、軋機等，這些感性的非線性負荷會造成電網(wǎng)電壓的波動，引起無功的頻繁波動，功率因數(shù)低，諧波含量超標等問題。這些電能問題嚴重了影響了設備的安全運行，并增加了設備和線路的損耗，占用了供電設備的設備容量。因此，有效的解決這些電能質(zhì)量問題，提供一個綠色清潔的用電環(huán)境顯得尤為重要。

1 鋼鐵企業(yè)電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因

在鋼鐵企業(yè)中，其生產(chǎn)過程需要大量的使用中頻爐、電弧爐、精煉爐、軋機等非線性負荷，這些沖擊性負荷會產(chǎn)生大量的諧波，同時會產(chǎn)生電壓閃變和電壓暫降等電能質(zhì)量問題。現(xiàn)將主要負荷的電氣特性介紹如下。

1.1 中頻爐

中頻爐是一種將工頻50Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l的電源裝置，將三相工頻交流電整流后變?yōu)橹绷麟?，再把直流電變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電流，在感應圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，切割感應圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中產(chǎn)生很大的渦流，中頻爐會產(chǎn)生大量的諧波，諸波是中頻爐運行過程中主要的電能質(zhì)量問題。

1.2 電弧爐

電弧爐屬非線性負荷，在工作的過程中會產(chǎn)生高次諧波，而且電弧爐的用電量很大，電爐變壓器的容量從數(shù)兆伏安到數(shù)十兆伏安。從鋼鐵的冶煉工藝分，電弧爐的工作過程可分為三個階段:熔化期、氧化期和還原期。鋼鐵在熔化期的用電量很大，氧化期和還原期的用電量明顯降低。鋼鐵在熔化期內(nèi)不僅電弧爐的用電量大，而且在這個階段由于下降電極起弧和爐料崩塌使電極接觸廢鋼而造成短路，其后快速提升電極又拉斷電弧造成斷路，短路期間內(nèi)產(chǎn)生很大的電流，造成三相不平衡。在冶煉過程中由于電磁力和爐內(nèi)氣流的作用以及鋼液和爐渣的流動，使電弧放電的路徑不斷變化和弧隙電離程度不斷變化，從而引起負荷電流變化大、變化速度快、變化頻繁而無規(guī)則，具有很強的沖擊性。

1.3 精煉爐

精煉爐是用來對初煉爐所熔鋼水進行精煉，在運行時電弧電流受電磁力作用、電極移動以及對流氣體的影響變化劇烈，并且具有很大的隨機性，劇烈的電弧電流變化，產(chǎn)生劇烈的有功和無功沖擊。

1.4 冷軋機

冷軋機組是一種特殊的非線性沖擊負荷，因為冷軋生產(chǎn)線的電氣傳動采用晶閘管可控整流，帶動軋鋼直流電動機，整流設備在運行過程中會產(chǎn)生大量的諧波，所以軋機在運行過程中會產(chǎn)生大量的諧波電流。又因為軋機的特點是沖擊性負荷，短時間內(nèi)負荷電流從零增到很大，并且負荷的變化具有一定的周期性，因而會產(chǎn)生無功沖擊并導致電壓波動、閃變和功率因數(shù)降低等電能質(zhì)量問題，降低供電系統(tǒng)的可靠性，并危害其他設備安全。

2 鋼鐵行業(yè)電能質(zhì)量問題的危害

鋼鐵行業(yè)中電能質(zhì)量問題的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)非線性、沖擊性負荷會導致電網(wǎng)電壓劇烈波動，引起電機的轉(zhuǎn)速不均勻，會危及電機的自身運行同時影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

(2)無功功率會導致電流增大和視在功率增加，導致相關設備容量增加。

(3)諧波電流會增加電機的銅損、諧波電壓會增加電機的鐵損，從而造成電機效率降低，功率因數(shù)下降，有效轉(zhuǎn)矩減小。

(4)諧波電壓會造成監(jiān)測儀表儀器的指示不準、繼電保護裝置的誤動作，甚至控制系統(tǒng)失控，造成大面積停電，對生產(chǎn)造成不必要的損失。

(5)諧波電流會造成設備電纜過載、過熱，破壞其絕緣，特別是在電力系統(tǒng)三相不對稱運行時，對中性點直接接地的供電系統(tǒng)線損的增加尤為顯著。

綜上所述這些電能質(zhì)量問題的存在會對對供電部門和用戶自身都造成的危害和損失。

3 鋼鐵行業(yè)電能質(zhì)量問題的治理

對于鋼鐵行業(yè)中的中頻爐、電弧爐、精煉爐、軋機負荷所引起的電能質(zhì)量問題，可以采用FC、TSC、MCR型SVC、TCR型SVC、靜止無功發(fā)生器SVG等設備來進行解決。靜止無功發(fā)生器SVG作為新一代的無功補償及諧波治理裝置，符合未來的發(fā)展趨勢，是當前FC、TSC、SVC等裝置的替代產(chǎn)品，是電能質(zhì)量治理的優(yōu)選擇。

4 靜止無功發(fā)生器SVG的基本原理和技術優(yōu)勢

靜止無功發(fā)生器SVG的基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使 SVG吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流和諧波電流，從而解決功率因數(shù)低、諧波含量高、三相不平衡、電壓波動和閃變等電能質(zhì)量問題。

靜止無功發(fā)生器和老一代的FC、TSC、SVC相比具有以下技術優(yōu)勢:

(1)響應時間更快

SVG響應時間：≈5ms，傳統(tǒng)靜補裝置響應時間：≧40ms。

(2抑制電壓閃變能力更強

SVC對電壓閃變的抑制大可達30%~50% ，SVG對電壓閃變的抑制可以達到80%。

(3)運行范圍更寬，具有濾波能力

SVG既能補償容性無功，也能補償感性無功并且無功電流不受電網(wǎng)電壓影響；SVG自身不產(chǎn)生諧波并具有一定的濾波能力。

(4)損耗低，占地面積小

SVG的損耗是同容量MCR型SVC的20%,是同容量TCR型SVC的25%；SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%，甚至更少。

(5)運行更可靠

和傳統(tǒng)的SVC相比，SVG不會出現(xiàn)過補、欠補、串并聯(lián)諧振等問題。

5 靜止無功發(fā)生器SVG在鋼鐵行業(yè)中使用的典型案例分析

下面一則案例是為某鋼鐵企業(yè)進行電能質(zhì)量問題治理的情況。

此企業(yè)的生產(chǎn)車間大量使用中頻爐、電弧爐、精煉爐、軋機等設備，這些非線性沖擊負荷不僅造成了功率因數(shù)低還產(chǎn)生大量的諧波，對廠區(qū)的供電安全造成很大的危害。該企業(yè)的電能質(zhì)量問題的難點在于快速變化的無功負荷和高電壓諧波，高電流諧波。廠方之前采用了某友商提供的解決方案，該方案采用傳統(tǒng)的SVC方案來進行無功補償和諧波治理，但是傳統(tǒng)的SVC方案隨著后期用戶負荷的增加變動,在這種高電壓諧波和高電流諧波的應用場合存在的安全隱患，用戶負荷諧波電流頻譜的變化和電容的發(fā)熱老化引起電容容值發(fā)生了改變，都有可能導致諧波的共振，嚴重的會導致電容爆炸設備損壞。

5.1解決方案原理及仿真分析

提供的解決方案系統(tǒng)圖如下圖 2 所示:

圖2 方案系統(tǒng)圖

從上圖2中我們可以得出串聯(lián)電抗率約為1%，所以原來的無源濾波支路的設計具有濾除大于11次諧波的功能。

下圖3為無源濾波支路的仿真模型:

圖3 濾波電路圖

其中:I_sh:源諧波電流I_lh:負載諧波電流 I_sf:源基波電流 I_lf:負載基波電流

下圖4為不同電抗率的濾波支路對源電流中的諧波電流的放大倍數(shù)

圖4

從圖4中我們可以看到對于1%的電抗率的無源濾波支路，當負載中具有5次諧波電流時，它會導致源中5次的諧波電流放大約3.2倍。

下圖5為我們實際測試的用戶負載電流中各次電流的諧波情況

圖5用戶負載電流中的諧波狀況

從圖5中我們可以看出用戶負載電流中的諧波含量高達24.80%并且頻譜很寬，其中 5 次電流諧波高達 17.7%。根據(jù)前面的分析我們可以得出ABB方案中的無源濾波支路的設計參數(shù)會導致源電流中的5次諧波電流放大約3.2倍，放大的諧波電流可能引起系統(tǒng)中電流保護裝置的動作,嚴重的將引起系統(tǒng)中元件的損壞或系統(tǒng)崩潰。

5.2靜止無功發(fā)生器SVG投入前后效果對比

靜止無功發(fā)生器SVG的解決方案很好的解決該工廠的電能質(zhì)量問題。

以下是靜止無功發(fā)生器SVG投入前后的現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比:

靜止無功發(fā)生器SVG投入前后測試結(jié)果分析：

6 安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

6.1產(chǎn)品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

6.2型號說明

6.3尺寸說明

6.4產(chǎn)品實物展示

ANAPF有源濾波器

7 安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

7.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

7.3產(chǎn)品實物展示

AZC系列智能電容模塊 AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

8 結(jié)語

靜止無功發(fā)生器SVG的治理效果非常明顯，不但很好的提高了功率因數(shù)，還明顯的降低了電網(wǎng)中的電壓諧波和電流諧波比例，使得整個配電系統(tǒng)電能質(zhì)量得到大幅提升，用電環(huán)境得到改善，減少了用戶的電費支出，并保證了用電設備的可靠運行。

參考文獻:

1. 曹里程,張金斗,董寶金.靜止無功發(fā)生器SVG在鋼鐵行業(yè)中的應用[C]

[2] 王兆安,楊君,劉進軍,王躍,諧波抑制和無功功率補償，北京:機工業(yè)出版社，2005

[3] 肖湘寧. 電能質(zhì)量分析與控制.北京:中國電力出版社，2004.

[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

劉細鳳，女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。