摘要：大型精煉爐在對(duì)鋼水進(jìn)行加熱并精煉的過程中,由于電弧電流的不穩(wěn)定變化,會(huì)產(chǎn)生高次諧波注入電力系統(tǒng),同時(shí)從電力系統(tǒng)中吸收大量無功功率造成35kV母線電壓波動(dòng)。電力系統(tǒng)諧波的存在將會(huì)縮短電氣設(shè)備的壽命、增加電力系統(tǒng)引發(fā)諧波諧振叫的概率、導(dǎo)致續(xù)電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作以及干擾通信等。本文對(duì)諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置的工作原理進(jìn)行了深入的研究,通過對(duì)諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬仿真,以達(dá)到治理諧波、提高功率因數(shù)和優(yōu)化電能質(zhì)量的效果。

關(guān)鍵詞：精煉爐；諧波濾波；無功補(bǔ)償

0引言

大型精煉爐治煉過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波并消耗大量的無功功率.諧波和低功率因數(shù)對(duì)電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的危害并帶來許多附加的經(jīng)濟(jì)損失。電力系統(tǒng)中的諧波問題會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)生故障、降低爐變變壓器網(wǎng)的運(yùn)行效率、影響周邊的用電安全、增加電力系統(tǒng)的網(wǎng)損以及引起線路誤跳閘等一系列問題。因此,企業(yè)需要對(duì)大型精煉爐治煉過程中引起的電能質(zhì)量問題加以治理。

1、諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置的工作原理

在大型精煉爐治煉過程中要想濾除諧波、補(bǔ)償功率因數(shù)降低線損、節(jié)約電能、降耗增益,同時(shí)又要考慮節(jié)省投資,根本辦法就是加裝設(shè)備限制精煉爐冶煉過程中注入電網(wǎng)的諧波電流,同時(shí)兼顧功率因數(shù)的提高。

從工作原理上看,目前的濾波裝置分為以下兩種:一種是有源濾波器，即利用電力電子技術(shù)將有源濾波器設(shè)計(jì)成諧波源,使有源濾波器產(chǎn)生的諧波與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波大小相等且方向相反，以此來消除負(fù)荷產(chǎn)生的諧波,從而實(shí)現(xiàn)治理諧波的效果,此類方法由于技術(shù)與價(jià)格等方面的原因令其市場(chǎng)化尚需一段時(shí)間。另一種為無源濾波器,它是利用電容電感諧振的原理達(dá)到“吸收"諧波的效果,從而降低進(jìn)入公用電力系統(tǒng)的諧波使得電力系統(tǒng)的諧波電壓畸變水平維持在較低的水平同時(shí)濾波電容器發(fā)出的基波無功功率起到補(bǔ)償功率因數(shù)的作用。實(shí)際工程中交流濾波裝置的設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的，不僅要求有良好的濾波效果，同時(shí)還要防止旁頻諧波放大及電力系統(tǒng)并聯(lián)諧振，所以說濾波支路間容量的合理分配是濾波裝置設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。受交流濾波裝置的電容電感、環(huán)境溫度電網(wǎng)頻率波動(dòng)等諸多不可控因素的影響，交流濾波裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)頻率失調(diào)的現(xiàn)象，從而無法達(dá)到既定的濾波效果。因此,在設(shè)計(jì)階段利用相關(guān)軟件進(jìn)行上述因素的仿真分析是濾波裝置設(shè)計(jì)中的重要步驟之一。

2、諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1確定濾波器的主接線

根據(jù)不采取任何治理措施時(shí)的計(jì)算結(jié)果，針對(duì)大型精煉爐自然功率因數(shù)低且又產(chǎn)生諧波的特點(diǎn)，擬在精煉爐35kV母線設(shè)置兩套無源濾波裝置,每臺(tái)精煉爐配置一套濾波裝置該裝置由濾波電容器、濾波電抗器和電阻器組成,采取與精煉爐并聯(lián)的運(yùn)行方式。

根據(jù)對(duì)同類精煉爐的測(cè)試和治理經(jīng)驗(yàn)，濾波器采用二階減幅型高通濾波器,其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)高次諧波(如4次、5次及以上各次諧波)也有一定的濾除作用,濾波頻帶寬,有一定的阻尼作用,不易使精煉爐產(chǎn)生“次諧波"、“間諧波"的諧振放大，不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,濾波器的主接線圖如圖1所示

圖1濾波器回路接線

2.2確定濾波器的容量

濾波器容量以滿足供電系統(tǒng)35kV母線上的功率因數(shù)達(dá)到0.93為原則。由于濾波器兼具補(bǔ)償無功功率和濾除諧波兩大功能,但其補(bǔ)償無功功率的容量要遠(yuǎn)大于濾除諧波的容量因此取補(bǔ)償無功功率的容量作為濾波器容量。根據(jù)西安電爐研究所提供的基礎(chǔ)資料，精煉爐的自然平均功率因數(shù)取值0.83,精煉爐的功率因數(shù)從0.83補(bǔ)償?shù)?.93所需的基波無功功率為:

Q_cp1=26*0.83tan(cos^-10.83)-tan(cos^-10.93)]=5.973MVar

2.3確定濾波器的參數(shù)

濾波支路電容器的額定電壓受電力系統(tǒng)35kV母線電壓、電容器兩端因諧波電流而產(chǎn)生的諧波殘壓、電容器兩端因串聯(lián)電抗器而引起的電壓升高、電容器兩端因電壓波動(dòng)而引起的電壓升高等諸多因素影響綜合考慮以上影響濾波支路電容器額定電壓的諸多因素,通過仿真計(jì)算得到各濾波支路電容器的額定電壓、安裝容量及連接方式等如表1所示,濾波電抗器的參數(shù)如表2所示濾波支路電阻器的參數(shù)如表3所示。濾波器總安裝容量10.02MVar,總基波無功6.314MVar。

2.4濾波電容器過電壓過電流的校核

當(dāng)濾波器運(yùn)行時(shí),濾波電容器不僅提供所需的基波電流它還將吸收負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的諧波電流，因此流過濾波電容器的電流既包括基波電流也包括諧波電流(諧波電流主要是濾波支路的諧波電流,但也包含非同次諧波電流),當(dāng)諧波電流流過濾波電容器時(shí)，濾波電容器兩端會(huì)產(chǎn)生基波電壓和諧波電壓,為了保證整個(gè)濾波器的運(yùn)行安全,我們需要對(duì)各濾波支路的電容器進(jìn)行校驗(yàn)，電容器過電流校驗(yàn)如表4所示，校驗(yàn)公式如下所示:

用CHP程序計(jì)算仿真流入各個(gè)濾波支路的基波電流和諧波電流、濾波支路兩端的基波電壓和諧波電壓,從而計(jì)算出各濾波支路的過流倍數(shù)和過壓倍數(shù)。經(jīng)計(jì)算可知電容器過流倍數(shù)小于其額定電流的1.3倍;電容器過壓倍數(shù)小于其額定電壓的1.1倍因此濾波器的各濾波支路均能安全長(zhǎng)期運(yùn)行。

3、諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

結(jié)合以上設(shè)計(jì)方案，針對(duì)精煉爐分一臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行和兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行這兩種工況分別進(jìn)行仿真計(jì)算和分析，實(shí)際測(cè)試兩種工況下的諧波計(jì)算結(jié)果如表5所示

如表5所示，當(dāng)投入使用濾波器后,負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)注入電力系統(tǒng)的各次諧波電流和母線諧波電壓含有率均能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)^[4]的要求，同時(shí)防止了旁頻諧波放大及電力系統(tǒng)并聯(lián)諧振達(dá)到了治理諧波的目的。

4、安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

4.1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(duì)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(duì)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)；

（8）擁有自主技術(shù)。

4.2型號(hào)說明

4.3尺寸說明

4.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

5、安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

5.1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(cè)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(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/span>

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。

5.2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：

5.3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

6、結(jié)語(yǔ)

大型精煉爐的無功補(bǔ)償及諾波濾波裝置投入使用后，明顯地改善了供電系統(tǒng)35kV母線上的功率因數(shù)，對(duì)穩(wěn)定電力系統(tǒng)運(yùn)行、提升變壓器負(fù)載能力、降低電力系統(tǒng)網(wǎng)損、減少電網(wǎng)誤跳閘次數(shù)、提高電氣設(shè)備使用壽命、提高精煉爐治煉效率、節(jié)能降耗等方面起到了重要作用,并可以改善各種經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo),提高企業(yè)產(chǎn)品合格率,使得企業(yè)完成各項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志廉.諧波共振問題的探討[R].重慶:中冶賽迪工程技術(shù)公司1988

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版

[3]劉偉民,趙書亭,江山.諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置在大型精煉爐的應(yīng)用[J].低碳世界,2019,9(11):71-72.DOI:10.16844/j.cnki.cn10-1007/tk.2019.11.045.

作者簡(jiǎn)介

魏健輝，女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司