利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)鋼鐵企業(yè)電弧爐運(yùn)行電能質(zhì)量?jī)?yōu)化進(jìn)行分析的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉文芊，紀(jì) 捷，丁祖軍，張慧萍，沈 騫

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

1 虛擬仿真技術(shù)原理介紹

利用軟件技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)，也就是利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行分析是一種時(shí)下對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行分析解決的流行途徑。

針對(duì)目前電能質(zhì)量?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)電壓高、周期長(zhǎng)、體積大、實(shí)驗(yàn)難的問(wèn)題，本文建議采用信息化手段和虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)軟件虛擬設(shè)備對(duì)高壓設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行電能質(zhì)量?jī)?yōu)化，解決了實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)大、有安全隱患的問(wèn)題。通過(guò)提前組件好所有核心模型，讓學(xué)生直接進(jìn)行電能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的核心步驟，集中力量進(jìn)行組件設(shè)計(jì)、優(yōu)化選擇、學(xué)習(xí)探究，利用虛擬仿真設(shè)備將必備組件在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，讓系統(tǒng)可以被自由設(shè)計(jì)、靈活搭配，解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大、實(shí)驗(yàn)室難以建設(shè)、無(wú)法組織的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的電力質(zhì)量虛擬仿真系統(tǒng)不僅可以根據(jù)電能優(yōu)化質(zhì)量基本規(guī)律對(duì)諧波進(jìn)行去除，提高功率因數(shù)，還可以對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行性能探索，解決了實(shí)驗(yàn)難的問(wèn)題。

2 虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在已經(jīng)構(gòu)建的包括電弧爐、電弧爐變壓器、SVC、配電房等模型的實(shí)際場(chǎng)景中，根據(jù)每個(gè)模型的基本原理介紹和參數(shù)設(shè)計(jì)的公式，在相應(yīng)的對(duì)話框中輸入相關(guān)參數(shù)，觀察補(bǔ)償前后的電壓電流波形和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，最后評(píng)價(jià)本次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的效果。系統(tǒng)操作流程如圖1 所示。

圖1 電能質(zhì)量?jī)?yōu)化虛擬實(shí)驗(yàn)操作流程圖

3 仿真設(shè)計(jì)流程

根據(jù)前面各個(gè)環(huán)節(jié)中的SVC 關(guān)鍵參數(shù)探索和設(shè)計(jì)，仿真環(huán)節(jié)中可以按照TCR→2 次濾波支路→3 次濾波支路→4次濾波支路→5 次濾波支路投入的次序，分別考察每個(gè)支路投入后對(duì)諧波抑制以及功率因數(shù)的影響，并結(jié)合GB 14549—2008 中規(guī)定的35 kV 配電網(wǎng)對(duì)于各次諧波標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示，評(píng)估SVC 參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，要求補(bǔ)償后功率因數(shù)范圍0.92～0.98，電流THD 小于10%。

表1 GB 14549—2008 中35 kV 配電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)

3.1 非正弦交流系統(tǒng)功率因數(shù)、總諧波畸變率計(jì)算

交流側(cè)功率因數(shù)和電流總諧波畸變率是電能質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，非正弦交流系統(tǒng)中電流波形中含有豐富的諧波成分，計(jì)算功率因數(shù)需要考慮諧波電流對(duì)整個(gè)輸入電流的貢獻(xiàn)，再根據(jù)有功功率和視在功率比值計(jì)算；電流總諧波畸變率可以按照總諧波電流有效值和基波電流有效值比值計(jì)算。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償策略

高壓系統(tǒng)中通常采用并聯(lián)電容的無(wú)功補(bǔ)償方案，目前主要分為靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，靜態(tài)補(bǔ)償投入的容性無(wú)功是固定的，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是通過(guò)晶閘管投切電容器實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目采用諧振支路在實(shí)現(xiàn)濾波同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率靜態(tài)補(bǔ)償。

3.3 晶閘管投切電抗器TCR

SVC 系統(tǒng)中的FC 支路實(shí)現(xiàn)濾波以及靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，但是隨著負(fù)載無(wú)功的動(dòng)態(tài)變化，F(xiàn)C 支路不能動(dòng)態(tài)跟蹤負(fù)載無(wú)功需求，因此要TCR 和FC 協(xié)同工作，負(fù)載感性無(wú)功動(dòng)態(tài)變化時(shí)，通過(guò)TCR 的觸發(fā)角控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。負(fù)載中的諧波電流需要通過(guò)并聯(lián)的諧振支路抑制，避免直接注入配電網(wǎng)，引起電網(wǎng)諧波污染，其基本原理是應(yīng)用LC 串聯(lián)諧振實(shí)現(xiàn)諧振支路對(duì)特定頻率的諧波電流呈現(xiàn)低阻抗，實(shí)現(xiàn)諧波抑制。

3.4 SVC 參數(shù)和功率因數(shù)規(guī)律探究

SVC 設(shè)計(jì)參數(shù)較多，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)困難，實(shí)際虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中采用先規(guī)律探究，在選擇參數(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，既讓學(xué)生探索了濾波電容電壓、容值、觸發(fā)角等參數(shù)對(duì)功率因數(shù)變化規(guī)律，又能降低SVC 參數(shù)設(shè)計(jì)難度，提升學(xué)習(xí)效率。

3.5 線性電路的阻抗串并聯(lián)計(jì)算

SVC 系統(tǒng)本質(zhì)是在負(fù)載上并聯(lián)了多個(gè)諧振支路和TCR支路，最終對(duì)功率因數(shù)和THD 影響可以根據(jù)系統(tǒng)等效電路中的阻抗串并聯(lián)計(jì)算，得到輸入側(cè)的相關(guān)參數(shù)，并考察SVC參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

4 利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行電能質(zhì)量分析優(yōu)勢(shì)總結(jié)

本虛擬仿真系統(tǒng)針對(duì)配電網(wǎng)輸出功率的劇烈變化，在變壓器一次側(cè)添加功率雙向補(bǔ)償裝置，保持需求輸入功率的恒定性。其次，考慮變更服務(wù)對(duì)象時(shí)系統(tǒng)諧波次數(shù)的變化，增加自主變更結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)更貼近實(shí)際，應(yīng)用范圍更為廣闊，仿真方案設(shè)計(jì)思路體現(xiàn)了配電系統(tǒng)電能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的可靠性、自主性和探究性特色。本系統(tǒng)基于鋼鐵企業(yè)配電網(wǎng)中電能質(zhì)量?jī)?yōu)化的系統(tǒng)研究，獲取了以鋼鐵企業(yè)為典型用戶的大量真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及波形，因此虛擬仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源真實(shí)可靠；系統(tǒng)可以開(kāi)展濾波支路電容、電感設(shè)計(jì)，也涉及TCR支路電感參數(shù)及觸發(fā)角自主設(shè)計(jì)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用先進(jìn)行規(guī)律探究、再開(kāi)展參數(shù)設(shè)計(jì)、最后進(jìn)行效果驗(yàn)證。本系統(tǒng)最終理論可以進(jìn)行變參數(shù)、新方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化，圍繞優(yōu)化目標(biāo)，多次反復(fù)參數(shù)調(diào)整，并通過(guò)虛擬仿真進(jìn)行可視化表達(dá)，對(duì)于相關(guān)電能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。