淺談安科瑞靜止無功發生器SVG在鋼鐵行業中的應用

摘要: 本文主要介紹了鋼鐵行業(ye) 中存在的電能質量問題的形成原因及其危害並結合具體(ti) 應用案例分析了靜止無功發生器SVG在解決(jue) 這些電能質量問題的技術優(you) 勢。

關(guan) 鍵詞：電能質量；中爐電弧爐；精煉爐；靜止無功發生器

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量問題。國際電工委員會(hui) (IEC)對電能質量給出了其定義(yi) ，電能質量是指在電力係統中某一點上電壓的特性，這些特性可根據預定的基準、技術參數來評價(jia) 。頻率、電壓、電磁暫態、三相不平衡、波形失真、電壓的波動和閃變相對於(yu) 預定基準的偏離程度是衡量電能質量的主要指標。電能質量需要供用電雙方來共同保證，用戶的負荷也能引起電能質量問題，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；負荷的衝(chong) 擊與(yu) 波動可導致電壓的波動與(yu) 閃變；非線性負荷產(chan) 生的諧波電流可導致電壓波形的畸變。鋼鐵企業(ye) 中大量的使用中頻爐、電弧爐、軋機等，這些感性的非線性負荷會(hui) 造成電網電壓的波動，引起無功的頻繁波動，功率因數低，諧波含量超標等問題。這些電能問題嚴(yan) 重了影響了設備的安全運行，並增加了設備和線路的損耗，占用了供電設備的設備容量。因此，有效的解決(jue) 這些電能質量問題，提供一個(ge) 綠色清潔的用電環境顯得尤為(wei) 重要。

1 鋼鐵企業(ye) 電能質量問題產(chan) 生的原因

在鋼鐵企業(ye) 中，其生產(chan) 過程需要大量的使用中頻爐、電弧爐、精煉爐、軋機等非線性負荷，這些衝(chong) 擊性負荷會(hui) 產(chan) 生大量的諧波，同時會(hui) 產(chan) 生電壓閃變和電壓暫降等電能質量問題。現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交流電轉變為(wei) 中頻的電源裝置，將三相工頻交流電整流後變為(wei) 直流電，再把直流電變為(wei) 可調節的中頻電流，在感應圈中產(chan) 生高密度的磁力線，切割感應圈裏盛放的金屬材料，在金屬材料中產(chan) 生很大的渦流，中頻爐會(hui) 產(chan) 生大量的諧波，諸波是中頻爐運行過程中主要的電能質量問題。

1.2 電弧爐

電弧爐屬非線性負荷，在工作的過程中會(hui) 產(chan) 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(cong) 數兆伏安到數十兆伏安。從(cong) 鋼鐵的冶煉工藝分，電弧爐的工作過程可分為(wei) 三個(ge) 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(nei) 不僅(jin) 電弧爐的用電量大，而且在這個(ge) 階段由於(yu) 下降電極起弧和爐料崩塌使電極接觸廢鋼而造成短路，其後快速提升電極又拉斷電弧造成斷路，短路期間內(nei) 產(chan) 生很大的電流，造成三相不平衡。在冶煉過程中由於(yu) 電磁力和爐內(nei) 氣流的作用以及鋼液和爐渣的流動，使電弧放電的路徑不斷變化和弧隙電離程度不斷變化，從(cong) 而引起負荷電流變化大、變化速度快、變化頻繁而無規則，具有很強的衝(chong) 擊性。

1.3 精煉爐

精煉爐是用來對初煉爐所熔鋼水進行精煉，在運行時電弧電流受電磁力作用、電極移動以及對流氣體(ti) 的影響變化劇烈，並且具有很大的隨機性，劇烈的電弧電流變化，產(chan) 生劇烈的有功和無功衝(chong) 擊。

1.4 冷軋機

冷軋機組是一種特殊的非線性衝(chong) 擊負荷，因為(wei) 冷軋生產(chan) 線的電氣傳(chuan) 動采用晶閘管可控整流，帶動軋鋼直流電動機，整流設備在運行過程中會(hui) 產(chan) 生大量的諧波，所以軋機在運行過程中會(hui) 產(chan) 生大量的諧波電流。又因為(wei) 軋機的特點是衝(chong) 擊性負荷，短時間內(nei) 負荷電流從(cong) 零增到很大，並且負荷的變化具有一定的周期性，因而會(hui) 產(chan) 生無功衝(chong) 擊並導致電壓波動、閃變和功率因數降低等電能質量問題，降低供電係統的可靠性，並危害其他設備安全。

2 鋼鐵行業(ye) 電能質量問題的危害

鋼鐵行業(ye) 中電能質量問題的危害主要表現在以下幾個(ge) 方麵:

(1)非線性、衝(chong) 擊性負荷會(hui) 導致電網電壓劇烈波動，引起電機的轉速不均勻，會(hui) 危及電機的自身運行同時影響產(chan) 品的質量。

(2)無功功率會(hui) 導致電流增大和視在功率增加，導致相關(guan) 設備容量增加。

(3)諧波電流會(hui) 增加電機的銅損、諧波電壓會(hui) 增加電機的鐵損，從(cong) 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(hui) 造成監測儀(yi) 表儀(yi) 器的指示不準、繼電保護裝置的誤動作，甚至控製係統失控，造成大麵積停電，對生產(chan) 造成不必要的損失。

(5)諧波電流會(hui) 造成設備電纜過載、過熱，破壞其絕緣，特別是在電力係統三相不對稱運行時，對中性點直接接地的供電係統線損的增加尤為(wei) 顯著。

綜上所述這些電能質量問題的存在會(hui) 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(ye) 電能質量問題的治理

對於(yu) 鋼鐵行業(ye) 中的中頻爐、電弧爐、精煉爐、軋機負荷所引起的電能質量問題，可以采用FC、TSC、MCR型SVC、TCR型SVC、靜止無功發生器SVG等設備來進行解決(jue) 。靜止無功發生器SVG作為(wei) 新一代的無功補償(chang) 及諧波治理裝置，符合未來的發展趨勢，是當前FC、TSC、SVC等裝置的替代產(chan) 品，是電能質量治理的優(you) 選擇。

4 靜止無功發生器SVG的基本原理和技術優(you) 勢

靜止無功發生器SVG的基本原理是利用可關(guan) 斷大功率電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經過電抗器並聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側(ce) 輸出電壓的幅值和相位，或者直接控製其交流側(ce) 電流，就可以使 SVG吸收或者發出滿足要求的無功電流和諧波電流，從(cong) 而解決(jue) 功率因數低、諧波含量高、三相不平衡、電壓波動和閃變等電能質量問題。

靜止無功發生器和老一代的FC、TSC、SVC相比具有以下技術優(you) 勢:

(1)響應時間更快

SVG響應時間：≈5ms，傳(chuan) 統靜補裝置響應時間：≧40ms。

(2抑製電壓閃變能力更強

SVC對電壓閃變的抑製大可達30%~50% ，SVG對電壓閃變的抑製可以達到80%。

(3)運行範圍更寬，具有濾波能力

SVG既能補償(chang) 容性無功，也能補償(chang) 感性無功並且無功電流不受電網電壓影響；SVG自身不產(chan) 生諧波並具有一定的濾波能力。

(4)損耗低，占地麵積小

SVG的損耗是同容量MCR型SVC的20%,是同容量TCR型SVC的25%；SVG的占地麵積通常隻有相同容量SVC的50%，甚至更少。

(5)運行更可靠

和傳(chuan) 統的SVC相比，SVG不會(hui) 出現過補、欠補、串並聯諧振等問題。

5 靜止無功發生器SVG在鋼鐵行業(ye) 中使用的典型案例分析

下麵一則案例是為(wei) 某鋼鐵企業(ye) 進行電能質量問題治理的情況。

此企業(ye) 的生產(chan) 車間大量使用中頻爐、電弧爐、精煉爐、軋機等設備，這些非線性衝(chong) 擊負荷不僅(jin) 造成了功率因數低還產(chan) 生大量的諧波，對廠區的供電安全造成很大的危害。該企業(ye) 的電能質量問題的難點在於(yu) 快速變化的無功負荷和高電壓諧波，高電流諧波。廠方之前采用了某友商提供的解決(jue) 方案，該方案采用傳(chuan) 統的SVC方案來進行無功補償(chang) 和諧波治理，但是傳(chuan) 統的SVC方案隨著後期用戶負荷的增加變動,在這種高電壓諧波和高電流諧波的應用場合存在的安全隱患，用戶負荷諧波電流頻譜的變化和電容的發熱老化引起電容容值發生了改變，都有可能導致諧波的共振，嚴(yan) 重的會(hui) 導致電容爆炸設備損壞。

5.1解決(jue) 方案原理及仿真分析

提供的解決(jue) 方案係統圖如下圖 2 所示:

圖2 方案係統圖

從(cong) 上圖2中我們(men) 可以得出串聯電抗率約為(wei) 1%，所以原來的無源濾波支路的設計具有濾除大於(yu) 11次諧波的功能。

下圖3為(wei) 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:負載諧波電流 I_sf:源基波電流 I_lf:負載基波電流

下圖4為(wei) 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(cong) 圖4中我們(men) 可以看到對於(yu) 1%的電抗率的無源濾波支路，當負載中具有5次諧波電流時，它會(hui) 導致源中5次的諧波電流放大約3.2倍。

下圖5為(wei) 我們(men) 實際測試的用戶負載電流中各次電流的諧波情況

圖5用戶負載電流中的諧波狀況

從(cong) 圖5中我們(men) 可以看出用戶負載電流中的諧波含量高達24.80%並且頻譜很寬，其中 5 次電流諧波高達 17.7%。根據前麵的分析我們(men) 可以得出ABB方案中的無源濾波支路的設計參數會(hui) 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係統中電流保護裝置的動作,嚴(yan) 重的將引起係統中元件的損壞或係統崩潰。

5.2靜止無功發生器SVG投入前後效果對比

靜止無功發生器SVG的解決(jue) 方案很好的解決(jue) 該工廠的電能質量問題。

以下是靜止無功發生器SVG投入前後的現場數據對比:

靜止無功發生器SVG投入前後測試結果分析：

6 安科瑞APF有源濾波器產(chan) 品選型

6.1產(chan) 品特點

(1)DSP+FPGA控製方式，響應時間短，全數字控製算法，運行穩定；

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

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體(ti) 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現參數設置和控製，使用方便，易於(yu) 操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力係統的影響；

(7)多機並聯，達到較高的電流輸出等級；

6.2型號說明

6.3尺寸說明

6.4產(chan) 品實物展示

ANAPF有源濾波器

7 安科瑞智能電容器產(chan) 品選型

7.1產(chan) 品概述

AZC/AZCL係列智能電容器是應用於(yu) 0.4kV、50Hz低壓配電中用於(yu) 節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償(chang) 設備。它由智能測控單元，晶閘管複合開關(guan) 電路，線路保護單元，兩(liang) 台共補或一台分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲(si) 、複合開關(guan) 或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在櫃內(nei) 和櫃麵由導線連接而組成的自動無功補償(chang) 裝置。具有體(ti) 積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現代電網對無功補償(chang) 的更高要求。

AZC/AZCL係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、頻率、電容器路數及投切狀態、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(nei) 部晶閘管複合開關(guan) 電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

7.2型號說明

AZC係列智能電容器選型：

AZCL係列智能電容器選型：

7.3產(chan) 品實物展示

AZC係列智能電容模塊 AZCL係列智能電容模塊

安科瑞無功補償(chang) 裝置智能電容方案

8 結語

靜止無功發生器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中的電壓諧波和電流諧波比例，使得整個(ge) 配電係統電能質量得到大幅提升，用電環境得到改善，減少了用戶的電費支出，並保證了用電設備的可靠運行。

安科瑞侯文莉