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(yīng)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(shù)優(yōu)勢。

關(guān)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。電工委員會(huì)(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(diǎn)上電壓的特性，這些特性可根據(jù)預(yù)定的基準(zhǔn)、技術(shù)參數(shù)來評價(jià)。頻率、電壓、電磁暫態(tài)、三相不平衡、波形失真、電壓的波動(dòng)和閃變相對于預(yù)定基準(zhǔn)的偏離程度是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)。電能質(zhì)量需要供用電雙方來共同保證，用戶的負(fù)荷也能引起電能質(zhì)量問題，例如三相負(fù)荷的不平衡可導(dǎo)致三相電壓的不平衡；低功率因數(shù)可導(dǎo)致電壓的偏移；負(fù)荷的沖擊與波動(dòng)可導(dǎo)致電壓的波動(dòng)與閃變；非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流可導(dǎo)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(jī)等，這些感性的非線性負(fù)荷會(huì)造成電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，引起無功的頻繁波動(dòng)，功率因數(shù)低，諧波含量超標(biāo)等問題。這些電能問題嚴(yán)重了影響了設(shè)備的安全運(yùn)行，并增加了設(shè)備和線路的損耗，占用了供電設(shè)備的設(shè)備容量。因此，有效的解決這些電能質(zhì)量問題，提供一個(gè)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(jī)等非線性負(fù)荷，這些沖擊性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓閃變和電壓暫降等電能質(zhì)量問題?，F(xiàn)將主要負(fù)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(yīng)圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，切割感應(yīng)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(huì)產(chǎn)生大量的諧波，諸波是中頻爐運(yùn)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(fù)荷，在工作的過程中會(huì)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(gè)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(gè)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(dòng)，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(fù)荷電流變化大、變化速度快、變化頻繁而無規(guī)則，具有很強(qiáng)的沖擊性。

1.3 精煉爐

精煉爐是用來對初煉爐所熔鋼水進(jìn)行精煉，在運(yùn)行時(shí)電弧電流受電磁力作用、電極移動(dòng)以及對流氣體的影響變化劇烈，并且具有很大的隨機(jī)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(jī)

冷軋機(jī)組是一種特殊的非線性沖擊負(fù)荷，因?yàn)槔滠埳a(chǎn)線的電氣傳動(dòng)采用晶閘管可控整流，帶動(dòng)軋鋼直流電動(dòng)機(jī)，整流設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，所以軋機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流。又因?yàn)檐垯C(jī)的特點(diǎn)是沖擊性負(fù)荷，短時(shí)間內(nèi)負(fù)荷電流從零增到很大，并且負(fù)荷的變化具有一定的周期性，因而會(huì)產(chǎn)生無功沖擊并導(dǎo)致電壓波動(dòng)、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(shè)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(gè)方面:

(1)非線性、沖擊性負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)，引起電機(jī)的轉(zhuǎn)速不均勻，會(huì)危及電機(jī)的自身運(yùn)行同時(shí)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

(2)無功功率會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備容量增加。

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

(4)諧波電壓會(huì)造成監(jiān)測儀表儀器的指示不準(zhǔn)、繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)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(huì)造成設(shè)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(yùn)行時(shí)，對中性點(diǎn)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(huì)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(jī)負(fù)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(shè)備來進(jìn)行解決。靜止無功發(fā)生器SVG作為新一代的無功補(bǔ)償及諧波治理裝置，符合未來的發(fā)展趨勢，是當(dāng)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(shù)優(yōu)勢

靜止無功發(fā)生器SVG的基本原理是利用可關(guān)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(dāng)?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(dòng)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(shù)優(yōu)勢:

(1)響應(yīng)時(shí)間更快

SVG響應(yīng)時(shí)間：≈5ms，傳統(tǒng)靜補(bǔ)裝置響應(yīng)時(shí)間：≧40ms。

(2抑制電壓閃變能力更強(qiáng)

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

(3)運(yùn)行范圍更寬，具有濾波能力

SVG既能補(bǔ)償容性無功，也能補(bǔ)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(yùn)行更可靠

和傳統(tǒng)的SVC相比，SVG不會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)、欠補(bǔ)、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(jìn)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(jī)等設(shè)備，這些非線性沖擊負(fù)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(diǎn)在于快速變化的無功負(fù)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(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理，但是傳統(tǒng)的SVC方案隨著后期用戶負(fù)荷的增加變動(dòng),在這種高電壓諧波和高電流諧波的應(yīng)用場合存在的安全隱患，用戶負(fù)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(dǎo)致諧波的共振，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電容爆炸設(shè)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(shè)計(jì)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(fù)載諧波電流 I_sf:源基波電流 I_lf:負(fù)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(dāng)負(fù)載中具有5次諧波電流時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致源中5次的諧波電流放大約3.2倍。

下圖5為我們實(shí)際測試的用戶負(fù)載電流中各次電流的諧波情況

圖5用戶負(fù)載電流中的諧波狀況

從圖5中我們可以看出用戶負(fù)載電流中的諧波含量高達(dá)24.80%并且頻譜很寬，其中 5 次電流諧波高達(dá) 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(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)導(dǎo)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(hù)裝置的動(dòng)作,嚴(yán)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(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

(2)一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

(3)具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能；

(4)模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

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

(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(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

6.2型號(hào)說明

6.3尺寸說明

6.4產(chǎn)品實(shí)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(yīng)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(bǔ)償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)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(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)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(fù)合開關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

7.2型號(hào)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(shí)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(bǔ)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(gè)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(fèi)支出，并保證了用電設(shè)備的可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

[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(yīng)用[C]

[2] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,王躍,諧波抑制和無功功率補(bǔ)償，北京:機(jī)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(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版.