SVG+FC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償在鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)電能質(zhì)量改善--電壓閃變消除及諧波治理的應(yīng)用研究

孫輝 袁浩 李維

摘 要： 近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中具有非線性、沖擊性和不平衡用電特性的負(fù)荷不斷增加，產(chǎn)生大量諧波。電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴(yán)重，影響到供電質(zhì)量和用戶(hù)使用的安全性，因此電網(wǎng)諧波污染的治理越來(lái)越受到關(guān)注。

本文首先針對(duì)諧波問(wèn)題，敘述了諧波產(chǎn)生原因、危害等，并介紹了SVG+FC在電壓閃變消除、無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、諧波抑制方法。其中，有源電力濾波器是抑制電網(wǎng)諧波的有效手段之一，這種濾波器能對(duì)頻率和幅度都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到了廣泛重視。其次，對(duì)有源電力濾波器的基本組成、工作原理、和工作方法進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：鋼鐵企業(yè);電壓閃變消除、無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、諧波治理措施

引言

傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，在應(yīng)用于冶煉、軋鋼、風(fēng)光發(fā)電、煤炭及機(jī)車(chē)牽引等領(lǐng)域時(shí)，對(duì)于頻繁的沖擊性和陡升陡降的負(fù)荷的治理效果有限，很難做到負(fù)載運(yùn)行情況的即時(shí)跟蹤，鋼鐵企業(yè)中使用的中頻爐，電弧爐等設(shè)備是電力系統(tǒng)中重要的諧波來(lái)源。這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波并注入電網(wǎng)中去，對(duì)當(dāng)前的電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的諧波污染。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)電網(wǎng)可靠性和電能質(zhì)量有更高的要求。因此對(duì)鋼鐵企業(yè)中的諧波污染治理、電壓閃變消除，已成為當(dāng)前科學(xué)技術(shù)需要解決的問(wèn)題。所以，正確認(rèn)識(shí)諧波產(chǎn)生的原因、危害及抑制方法很有必要的，同時(shí)深入了解鋼鐵企業(yè)的的諧波治理措施、電壓穩(wěn)定方法、無(wú)功功率穩(wěn)定手段和技術(shù)改進(jìn)是有一定的現(xiàn)實(shí)意義的。

一、軋線供電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的因素

1、軋鋼單高線負(fù)載絕大部分為整流負(fù)載，整流設(shè)備分6脈沖整流和12脈沖整流。6脈沖整流產(chǎn)生以5次、7次為主的高次諧波，12脈沖整流產(chǎn)生以11次、13次為主的高次諧波。整流設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波電流，會(huì)給生產(chǎn)和用電設(shè)備帶來(lái)危害。

2、軋鋼廠生產(chǎn)線上的傳動(dòng)設(shè)備如整流器、變頻器、逆變器和一些相控調(diào)速調(diào)壓設(shè)備，這些非線性電氣設(shè)備工作時(shí)，截起電源正弦波的一部分用以控制傳動(dòng)裝置，所以其電流波形不是正弦波，可看作是正弦波與高次諧波的組合，也就是產(chǎn)生子諧波。

3、在具有鐵磁飽和特性的設(shè)備如變壓器、電抗器的運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生諧波。接入低壓電力系統(tǒng)的非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的諧波和變化的諧波兩大類(lèi)。穩(wěn)定的諧波電流是指由這種諧波的幅度不隨時(shí)間變化。顯示設(shè)備和測(cè)試儀表等產(chǎn)生的諧波，這類(lèi)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)表現(xiàn)為恒定的負(fù)載。

二、電能質(zhì)量對(duì)軋線生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響

1.軋機(jī)產(chǎn)生諧波帶來(lái)的危害

諧波會(huì)使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真，此外電網(wǎng)還必須向這類(lèi)負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。大量諧波電流流入電網(wǎng)后，由電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，疊加在電網(wǎng)基波上，引起電網(wǎng)的電壓畸變，致使電能質(zhì)量變差。當(dāng)注入公用電網(wǎng)的諧波超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)自身及用電設(shè)備的正常運(yùn)行造成損害：

（1）造成電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓畸變由于諧波電流流入系統(tǒng)，導(dǎo)致產(chǎn)生諧波電壓，使電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓發(fā)生畸變。波電流使發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加損耗和附加溫升，尤其對(duì)轉(zhuǎn)子更加嚴(yán)重，影響發(fā)電機(jī)的輸出能力。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)將引起其功率因數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩的下降。對(duì)于可控硅供電的直流電機(jī)，諧波電流在自流電機(jī)電源產(chǎn)生電壓和電流，對(duì)整流及換向都起不良作用。

（2）影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性。諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序（基波）量整定的保護(hù)裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾，則會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)（若誤動(dòng)引起跳閘，則后果嚴(yán)重）、變電站主變的復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)，母線保護(hù)的線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（3）由于電力計(jì)量裝置都是按50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時(shí)，會(huì)影響感應(yīng)式電能表的正常工作。這部分諧波電能不但使線性負(fù)荷性能變壞，而且還要多交電費(fèi)。電力線路上流過(guò)的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話(huà)的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話(huà)鈴響，甚至在極端情況下，還會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。

2.電壓閃變對(duì)軋線生產(chǎn)系統(tǒng)造成的影響

軋機(jī)屬于沖擊性負(fù)載，咬鋼時(shí)特性較軟，容易拉低系統(tǒng)電壓，這種現(xiàn)象遇夏季惡劣雷雨天氣，電網(wǎng)電壓會(huì)出現(xiàn)閃變，致使系統(tǒng)電壓還可能出現(xiàn)瞬間跌落，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)中斷：

（1）經(jīng)統(tǒng)計(jì)2017-2018年，軋線系統(tǒng)在夏季雷雨季節(jié)出現(xiàn)低壓整流設(shè)備掉閘達(dá)5次之多，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，后對(duì)全廠接地系統(tǒng)排查，接地系統(tǒng)完好，專(zhuān)家組對(duì)軋線設(shè)備性能進(jìn)行分析后得出，國(guó)內(nèi)較為成熟的軋線生產(chǎn)工藝大多采用進(jìn)口傳動(dòng)、整流、變頻設(shè)備，設(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)較為敏感，對(duì)電壓穩(wěn)定要求高。

（2）電壓發(fā)生閃變后瞬間恢復(fù)，對(duì)于精密設(shè)備單元模塊容易損壞，交直交傳動(dòng)系統(tǒng)單元模塊容易燒毀，不僅影響生產(chǎn)還造成備件損失。

3.軋線系統(tǒng)無(wú)功功率不穩(wěn)定

（1） 軋線配電系統(tǒng)主要設(shè)備主要整流變壓器，為軋機(jī)整流傳動(dòng)系統(tǒng)供電，變壓器及電機(jī)屬于感性負(fù)載運(yùn)行時(shí)消耗大量的無(wú)功，造成系統(tǒng)功率因數(shù)較低。

（2）軋線過(guò)鋼存在一定間隙，每根鋼坯軋制完成后，軋機(jī)由重載變?yōu)檩p載，系統(tǒng)有功減小，功率因數(shù)降低，因此系統(tǒng)功率因數(shù)不穩(wěn)定。

（3）為治理諧波，軋線配備了5/7/11次濾波器，濾波器配帶濾波電容器向系統(tǒng)發(fā)出固定容量的容性無(wú)功，致使輕載時(shí)系統(tǒng)中含有大量容性無(wú)功，出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象。

三、電能質(zhì)量改善的措施及方法

1.改造思路

單高線I段，在初始設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了諧波帶來(lái)的影響，配置了單調(diào)諧濾波支路，具有一定濾出系統(tǒng)中的5次、7次、11次高頻諧波的能力，但原設(shè)計(jì)的調(diào)諧濾波裝置采用的是固定手動(dòng)投切方案，此方案存在了諸多的弊端：