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

0 引言

電能是電力公司向電力用戶(hù)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(wèn)題。國際電工委員會(huì )(IEC)對電能質(zhì)量給出了其定義，電能質(zhì)量是指在電力系統中某一點(diǎn)上電壓的特性，這些特性可根據預定的基準、技術(shù)參數來(lái)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(lái)共同保證，用戶(hù)的負荷也能引起電能質(zhì)量問(wèn)題，例如三相負荷的不平衡可導致三相電壓的不平衡；低功率因數可導致電壓的偏移；負荷的沖擊與波動(dòng)可導致電壓的波動(dòng)與閃變；非線(xiàn)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(xiàn)性負荷會(huì )造成電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，引起無(wú)功的頻繁波動(dòng)，功率因數低，諧波含量超標等問(wèn)題。這些電能問(wèn)題嚴重了影響了設備的安全運行，并增加了設備和線(xiàn)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(wèn)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(wèn)題產(chǎn)生的原因

在鋼鐵企業(yè)中，其生產(chǎn)過(guò)程需要大量的使用中頻爐、電弧爐、精煉爐、軋機等非線(xiàn)性負荷，這些沖擊性負荷會(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(wèn)題?，F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{節的中頻電流，在感應圈中產(chǎn)生高密度的磁力線(xiàn)，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(huì )產(chǎn)生大量的諧波，諸波是中頻爐運行過(guò)程中主要的電能質(zhì)量問(wèn)題。

1.2 電弧爐

電弧爐屬非線(xiàn)性負荷，在工作的過(guò)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兆伏安到數十兆伏安。從鋼鐵的冶煉工藝分，電弧爐的工作過(guò)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，短路期間內產(chǎn)生很大的電流，造成三相不平衡。在冶煉過(guò)程中由于電磁力和爐內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，從而引起負荷電流變化大、變化速度快、變化頻繁而無(wú)規則，具有很強的沖擊性。

1.3 精煉爐

精煉爐是用來(lái)對初煉爐所熔鋼水進(jìn)行精煉，在運行時(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性，劇烈的電弧電流變化，產(chǎn)生劇烈的有功和無(wú)功沖擊。

1.4 冷軋機

冷軋機組是一種特殊的非線(xiàn)性沖擊負荷，因為冷軋生產(chǎn)線(xiàn)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，整流設備在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的諧波，所以軋機在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的諧波電流。又因為軋機的特點(diǎn)是沖擊性負荷，短時(shí)間內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(huì )產(chǎn)生無(wú)功沖擊并導致電壓波動(dòng)、閃變和功率因數降低等電能質(zhì)量問(wèn)題，降低供電系統的可靠性，并危害其他設備安全。

2 鋼鐵行業(yè)電能質(zhì)量問(wèn)題的危害

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

(1)非線(xiàn)性、沖擊性負荷會(huì )導致電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)，引起電機的轉速不均勻，會(huì )危及電機的自身運行同時(shí)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

(2)無(wú)功功率會(huì )導致電流增大和視在功率增加，導致相關(guān)設備容量增加。

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

(4)諧波電壓會(huì )造成監測儀表儀器的指示不準、繼電保護裝置的誤動(dòng)作，甚至控制系統失控，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 )造成設備電纜過(guò)載、過(guò)熱，破壞其絕緣，特別是在電力系統三相不對稱(chēng)運行時(shí)，對中性點(diǎn)直接接地的供電系統線(xiàn)損的增加尤為顯著(zhù)。

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

3 鋼鐵行業(yè)電能質(zhì)量問(wèn)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(wèn)題，可以采用FC、TSC、MCR型SVC、TCR型SVC、靜止無(wú)功發(fā)生器SVG等設備來(lái)進(jìn)行解決。靜止無(wú)功發(fā)生器SVG作為新一代的無(wú)功補償及諧波治理裝置，符合未來(lái)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(wú)功發(fā)生器SVG的基本原理和技術(shù)優(yōu)勢

靜止無(wú)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(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，就可以使 SVG吸收或者發(fā)出滿(mǎn)足要求的無(wú)功電流和諧波電流，從而解決功率因數低、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(wèn)題。

靜止無(wú)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)響應時(shí)間更快

SVG響應時(shí)間：≈5ms，傳統靜補裝置響應時(shí)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(wú)功，也能補償感性無(wú)功并且無(wú)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

和傳統的SVC相比，SVG不會(huì )出現過(guò)補、欠補、串并聯(lián)諧振等問(wèn)題。

5 靜止無(wú)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(wèn)題治理的情況。

此企業(yè)的生產(chǎn)車(chē)間大量使用中頻爐、電弧爐、精煉爐、軋機等設備，這些非線(xiàn)性沖擊負荷不僅造成了功率因數低還產(chǎn)生大量的諧波，對廠(chǎng)區的供電安全造成很大的危害。該企業(yè)的電能質(zhì)量問(wèn)題的難點(diǎn)在于快速變化的無(wú)功負荷和高電壓諧波，高電流諧波。廠(chǎng)方之前采用了某友商提供的解決方案，該方案采用傳統的SVC方案來(lái)進(jìn)行無(wú)功補償和諧波治理，但是傳統的SVC方案隨著(zhù)后期用戶(hù)負荷的增加變動(dòng),在這種高電壓諧波和高電流諧波的應用場(chǎng)合存在的安全隱患，用戶(hù)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(huì )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圖如下圖 2 所示:

圖2 方案系統圖

從上圖2中我們可以得出串聯(lián)電抗率約為1%，所以原來(lái)的無(wú)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(wú)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

圖4

從圖4中我們可以看到對于1%的電抗率的無(wú)源濾波支路，當負載中具有5次諧波電流時(shí)，它會(huì )導致源中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(hù)負載電流中各次電流的諧波情況

圖5用戶(hù)負載電流中的諧波狀況

從圖5中我們可以看出用戶(hù)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%。根據前面的分析我們可以得出ABB方案中的無(wú)源濾波支路的設計參數會(huì )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中電流保護裝置的動(dòng)作,嚴重的將引起系統中元件的損壞或系統崩潰。

5.2靜止無(wú)功發(fā)生器SVG投入前后效果對比

靜止無(wú)功發(fā)生器SVG的解決方案很好的解決該工廠(chǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題。

以下是靜止無(wú)功發(fā)生器SVG投入前后的現場(chǎng)數據對比:

靜止無(wú)功發(fā)生器SVG投入前后測試結果分析：

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，響應時(shí)間短，全數字控制算法，運行穩定；

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

(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護、直流過(guò)壓保護、裝置過(guò)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(shí)現參數設置和控制，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(shuō)明

6.3尺寸說(shuō)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用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)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幱扇劢z、復合開(kāi)關(guān)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和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長(cháng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的更高要求。

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(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內部晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護、缺相保護、過(guò)諧保護、過(guò)溫保護等保護功能。

7.2型號說(shuō)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(wú)功補償裝置智能電容方案

8 結語(yǔ)

靜止無(wú)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，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(hù)的電費支出，并保證了用電設備的可靠運行。

參考文獻:

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