有源濾波及無功補償裝置在大型精煉爐配電系統(tǒng)應用與選型

文摘：在加熱和精煉鋼水的過程中，由于電弧電流的不穩(wěn)定變化，大型精煉爐會產(chǎn)生高次諧波注入電力系統(tǒng)。同時，大量無功功率會從電力系統(tǒng)中吸收，導致35kV母線電壓波動。電力系統(tǒng)諧波的存在將縮短電氣設備的使用壽命，增加電力系統(tǒng)引起諧波共振呼叫的概率，導致電源更新保護和自動裝置的誤操作，干擾通信。本文深入研究了諧波濾波和無功補償裝置的工作原理，通過優(yōu)化設計和模擬諧波濾波和無功補償裝置的功率，實現(xiàn)有效治理

關(guān)鍵詞：精煉爐；諧波濾波；無功補償

引言

在大型精煉爐的處理過程中，會產(chǎn)生大量的諧波，消耗大量的無功功率。諧波和低功率因數(shù)會對電氣設備造成極大的危害，并帶來許多額外的經(jīng)濟損失。電力系統(tǒng)中的諧波問題會導致一系列問題，如電力設備故障、爐變變壓器網(wǎng)絡運行效率降低、影響周邊電力安全、增加電力系統(tǒng)網(wǎng)絡損壞、導致線路誤跳閘等。因此，企業(yè)需要處理大型精煉爐處理過程中造成的電能質(zhì)量問題。

1諧波濾波及無功補償裝置的工作原理

在大型精煉爐的處理過程中，為了過濾諧波，減少線損，節(jié)約電能，減少消耗和增益，補償功率因數(shù)，同時考慮節(jié)約投資。根本方法是安裝設備，限制精煉爐冶煉過程中注入電網(wǎng)的諧波電流，同時考慮功率因數(shù)的增加。

從工作原理來看，目前的濾波裝置分為以下兩種類型：一種是有源濾波器，即利用電力電子技術(shù)將有源濾波器設計為諧波源，使有源濾波器產(chǎn)生的諧波大小等于負載產(chǎn)生的諧波大小，方向相反，從而消除負載產(chǎn)生的諧波，從而達到處理諧波的效果。由于技術(shù)和價格的原因，這種方法需要一段時間才能市場化。另一種是無源濾波器，它利用電容電感諧振的原理達到“吸收"諧波的效果，從而減少進入公共電力系統(tǒng)的諧波，使電力系統(tǒng)的諧波電壓畸變水平保持在較低水平。同時，濾波電容器發(fā)出的基波無功功率起到補償功率因數(shù)的作用。在實際工程中，交流濾波裝置的設計非常復雜。它不僅需要良好的濾波效果，還需要防止旁頻諧波放大和電力系統(tǒng)并聯(lián)諧振。因此，濾波分支之間容量的合理分配是濾波裝置設計的重要任務之一。受許多不可控因素的影響，如交流濾波裝置的電容電感和環(huán)境溫度電網(wǎng)的頻率波動，交流濾波裝置在實際運行過程中可能會出現(xiàn)頻率失衡，無法達到既定的濾波效果。所以，濾波裝置設計中的一個重要步驟就是在設計階段使用相關(guān)軟件對上述因素進行模擬分析。

2諧波濾波及無功補償裝置的優(yōu)化設計

2.1確定濾波器的主接線

根據(jù)不采取任何處理措施時的計算結(jié)果，針對大型精煉爐自然功率因數(shù)低、諧波產(chǎn)生的特點，計劃在精煉爐35kV母線上設置兩套無源濾波裝置。每個精煉爐配有一套濾波裝置。該裝置由濾波電容器、濾波電抗器和電阻器組成，并與精煉爐并聯(lián)運行。

根據(jù)同類精煉爐的測試和處理經(jīng)驗，濾波器采用二級減幅高通濾波器。其優(yōu)點是對高次諧波（如4次、5次或更多次諧波）也有一定的過濾作用。濾波頻帶寬具有一定的阻尼作用，不易使精煉爐產(chǎn)生“次諧波"、如圖1所示，“間諧波"的諧振放大不會與系統(tǒng)并聯(lián)諧振。濾波器的主接線圖

圖1濾波器電路接線

2.2確定濾波器的容量

濾波器容量的原則是滿足供電系統(tǒng)35kV母線上的功率因數(shù)達到0.93。由于濾波器具有兩種功能：補償無功功率和過濾諧波，但補償無功功率的容量遠遠大于過濾諧波的容量，因此采用補償無功功率的容量作為濾波器的容量。根據(jù)西安電爐研究所提供的基本數(shù)據(jù)，精煉爐的自然平均功率因數(shù)值為0.83，精煉爐的功率因數(shù)從0.83補償為0.93。所需的基波無功功率為：

Qcp1=26*0.83tan(cos-10.83)-tan(cos-10.93]=5.973MVarr

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、諧波電流引起的諧波殘壓、串聯(lián)電抗器引起的電壓升高、電容器兩端電壓波動引起的電壓升高等諸多因素的影響。綜合考慮上述影響濾波支路電容器額定電壓的諸多因素，如表1所示，通過仿真計算得到每個濾波支路電容器的額定電壓、安裝容量和連接方式。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?？偘惭b容量為10.02MVar

2.4檢查濾波電容器過電壓過電流

當濾波器運行時，濾波電容器不僅提供所需的基波電流，還吸收負載運行時產(chǎn)生的諧波電流。因此，濾波電容器的電流包括基波電流和諧波電流（諧波電流主要是濾波支路的諧波電流，但也包括非同次諧波電流）。當諧波電流通過濾波電容器時，基波電壓和諧波電壓將在濾波電容器的兩端產(chǎn)生。為了確保整個濾波器的安全運行，我們需要檢查每個濾波支路的電容器。電容器的過電流檢查如表4所示。檢查公式如下：

通過CHP程序計算模擬流入各濾波支路的基波電流和諧波電流，以及濾波支路兩端的基波電壓和諧波電壓，從而計算各濾波支路的過流倍數(shù)和過壓倍數(shù)。經(jīng)計算，可以看出電容器的過流倍數(shù)小于額定電流的1.3倍；電容器的過壓倍數(shù)小于額定電壓的1.1倍，因此濾波器的所有濾波支路都可以安全長期運行。

3諧波濾波及無功補償裝置的應用

結(jié)合上述設計方案，模擬計算和分析了一臺精煉爐的單獨運行和兩臺同時運行。兩種工作條件下的諧波計算結(jié)果實際測試如表5所示

如表5所示，當濾波器投入使用時，在負載生產(chǎn)過程中注入電力系統(tǒng)的諧波電流和母線諧波電壓的含量可以滿足國家標準[4]的要求，并且可以防止旁頻諧波放大和電力系統(tǒng)并聯(lián)諧振，從而達到處理諧波的目的。

4安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品特點

（1）DSP+FPGA控制模式，響應時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

（2）一機多能，既能補諧波，又能補無功，可對2～全額補償或特定的次諧波進行51次諧波補償；

（3）橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護等功能完善；

（4）模塊化設計，體積小，安裝方便，擴展方便；

（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏，實現(xiàn)參數(shù)設置與控制，使用方便，操作維護方便；

（6）在輸出端安裝濾波裝置，以減少高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出水平；

（8）擁有獨立的技術(shù)。

4.2型號

5安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

5.1產(chǎn)品概述

AZCAZCL系列智能電容器用于0.4kV、50Hz低壓配電是新一代無功補償設備，用于節(jié)約能源、減少線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量。它由智能測控單元、晶閘管復合開關(guān)電路、線路保護單元、兩個或一個單獨的低壓電力電容器組成。它可以代替自動無功補償裝置，由熔絲、復合開關(guān)或機械接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件連接在柜內(nèi)和柜面。它具有體積小、功耗低、維護方便、使用壽命長、可靠性高的特點，適應了現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/p>

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、電容器路徑和切割狀態(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)部晶閘管復合開關(guān)電路，自動找到合適的投入點（切除點），實現(xiàn)過零切割，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

6結(jié)語

大型精煉爐的無功補償和諾波濾波裝置投入使用后，供電系統(tǒng)35kV母線上的功率因數(shù)得到了顯著改善，對穩(wěn)定電力系統(tǒng)運行起到了重要作用，提高變壓器的負載能力，減少電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡損壞，減少電網(wǎng)誤跳閘次數(shù)，提高電氣設備的使用壽命，提高精煉爐的處理效率，節(jié)能降耗，改善各項經(jīng)濟技術(shù)指標，提高企業(yè)產(chǎn)品合格率，使企業(yè)能夠完成各項生產(chǎn)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(shù)公司1988

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)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.