有源濾波及無功補償裝置在大型精煉爐配電系統應用與選型

摘要：大型精煉爐在對鋼水進行加熱并精煉的過程中,由于電弧電流的不穩定變化,會產生高次諧波注入電力系統,同時從電力系統中吸收大量無功功率造成35kV母線電壓波動。電力系統諧波的存在將會縮短電氣設備的壽命、增加電力系統引發諧波諧振叫的概率、導致續電保護和自動裝置誤動作以及干擾通信等。本文對諧波濾波及無功補償裝置的工作原理進行了深入的研究,通過對諧波濾波及無功補償裝置的優化設計及模擬仿真,以達到有效治理諧波、提高功率因數和優化電能質量的效果。

關鍵詞：精煉爐；諧波濾波；無功補償

0引言

大型精煉爐治煉過程中會產生大量的諧波并消耗大量的無功功率.諧波和低功率因數對電氣設備會產生很大的危害并帶來許多附加的經濟損失。電力系統中的諧波問題會導致電力設備發生故障、降低爐變變壓器網的運行效率、影響周邊的用電安全、增加電力系統的網損以及引起線路誤跳閘等一系列問題。因此,企業需要對大型精煉爐治煉過程中引起的電能質量問題加以治理。

1諧波濾波及無功補償裝置的工作原理

在大型精煉爐治煉過程中要想濾除諧波、補償功率因數降低線損、節約電能、降耗增益,同時又要考慮節省投資,根本辦法就是加裝設備限制精煉爐冶煉過程中注入電網的諧波電流,同時兼顧功率因數的提高。

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將有源濾波器設計成諧波源,使有源濾波器產生的諧波與負荷產生的諧波大小相等且方向相反，以此來消除負荷產生的諧波,從而實現治理諧波的效果,此類方法由于技術與價格等方面的原因令其市場化尚需一段時間。另一種為無源濾波器,它是利用電容電感諧振的原理達到“吸收"諧波的效果,從而降低進入公用電力系統的諧波使得電力系統的諧波電壓畸變水平維持在較低的水平同時濾波電容器發出的基波無功功率起到補償功率因數的作用。實際工程中交流濾波裝置的設計是很復雜的，不僅要求有良好的濾波效果，同時還要防止旁頻諧波放大及電力系統并聯諧振，所以說濾波支路間容量的合理分配是濾波裝置設計的重要任務之一。受交流濾波裝置的電容電感、環境溫度電網頻率波動等諸多不可控因素的影響，交流濾波裝置在實際運行過程中可能會出現頻率失調的現象，從而無法達到既定的濾波效果。因此,在設計階段利用相關軟件進行上述因素的仿真分析是濾波裝置設計中的重要步驟之一。

2諧波濾波及無功補償裝置的優化設計

2.1確定濾波器的主接線

根據不采取任何治理措施時的計算結果，針對大型精煉爐自然功率因數低且又產生諧波的特點，擬在精煉爐35kV母線設置兩套無源濾波裝置,每臺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,采取與精煉爐并聯的運行方式。

根據對同類精煉爐的測試和治理經驗，濾波器采用二階減幅型高通濾波器,其優點是對高次諧波(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,不易使精煉爐產生“次諧波"、“間諧波"的諧振放大，不會與系統發生并聯諧振,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35kV母線上的功率因數達到0.93為原則。由于濾波器兼具補償無功功率和濾除諧波兩大功能,但其補償無功功率的容量要遠大于濾除諧波的容量因此取補償無功功率的容量作為濾波器容量。根據西安電爐研究所提供的基礎資料，精煉爐的自然平均功率因數取值0.83,精煉爐的功率因數從0.83補償到0.93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

濾波支路電容器的額定電壓受電力系統35kV母線電壓、電容器兩端因諧波電流而產生的諧波殘壓、電容器兩端因串聯電抗器而引起的電壓升高、電容器兩端因電壓波動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,濾波電抗器的參數如表2所示濾波支路電阻器的參數如表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

當濾波器運行時,濾波電容器不僅提供所需的基波電流它還將吸收負荷運行時所產生的諧波電流，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),當諧波電流流過濾波電容器時，濾波電容器兩端會產生基波電壓和諧波電壓,為了保證整個濾波器的運行安全,我們需要對各濾波支路的電容器進行校驗，電容器過電流校驗如表4所示，校驗公式如下所示:

用CHP程序計算仿真流入各個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,從而計算出各濾波支路的過流倍數和過壓倍數。經計算可知電容器過流倍數小于其額定電流的1.3倍;電容器過壓倍數小于其額定電壓的1.1倍因此濾波器的各濾波支路均能安全長期運行。

3諧波濾波及無功補償裝置的應用

結合以上設計方案，針對精煉爐分一臺單獨運行和兩臺同時運行這兩種工況分別進行仿真計算和分析，實際測試兩種工況下的諧波計算結果如表5所示

如表5所示，當投入使用濾波器后,負荷生產時注入電力系統的各次諧波電流和母線諧波電壓含有率均能滿足國家標準^[4]的要求，同時防止了旁頻諧波放大及電力系統并聯諧振達到了治理諧波的目的。

4 安科瑞APF有源濾波器產品選型

4.1產品特點

（1）DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

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

（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，達到較高的電流輸出等級；

（8）擁有自主技術。

4.2型號說明

4.3尺寸說明

4.4產品實物展示

ANAPF有源濾波器

5 安科瑞智能電容器產品選型

5.1產品概述

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、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲、復合開關或機械式接觸器、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連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，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。通過內部晶閘管復合開關電路，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。

5.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

5.3產品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

6結語

大型精煉爐的無功補償及諾波濾波裝置投入使用后，明顯地改善了供電系統35kV母線上的功率因數，對穩定電力系統運行、提升變壓器負載能力、降低電力系統網損、減少電網誤跳閘次數、提高電氣設備使用壽命、提高精煉爐治煉效率、節能降耗等方面起到了重要作用,并可以改善各種經濟技術指標,提高企業產品合格率,使得企業完成各項生產任務。

參考文獻

[1]劉志廉.諧波共振問題的探討[R].重慶:中冶賽迪工程技術公司1988

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版

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