安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要: 本文主要介绍了钢铁行业中存在的电能质量问题的形成原因及其危害并结合具体应用案例分析了静止无功发生器SVG在解决这些电能质量问题的技术优势。
关键词：电能质量；中炉电弧炉；精炼炉；静止无功发生器
0 引言
电能是电力公司向电力用户提供的一种特殊商品，和其他商品一样电能也存在质量问题。国际电工委员会(IEC)对电能质量给出了其定义，电能质量是指在电力系统中某一指定点上电压的特性，这些特性可根据预定的基准、技术参数来评价。频率、电压、电磁暂态、三相不平衡、波形失真、电压的波动和闪变相对于预定基准的偏离程度是衡量电能质量的主要指标。电能质量需要供用电双方来共同保证，用户的负荷也能引起电能质量问题，例如三相负荷的不平衡可导致三相电压的不平衡；低功率因数可导致电压的偏移；负荷的冲击与波动可导致电压的波动与闪变；非线性负荷产生的谐波电流可导致电压波形的畸变。钢铁企业中大量的使用中频炉、电弧炉、轧机等，这些感性的非线性负荷会造成电网电压的波动，引起无功的频繁波动，功率因数低，谐波含量超标等问题。这些电能问题严重了影响了设备的安全运行，并增加了设备和线路的损耗，占用了供电设备的设备容量。因此，有效的解决这些电能质量问题，提供一个绿色清洁的用电环境显得尤为重要。
1 钢铁企业电能质量问题产生的原因
在钢铁企业中，其生产过程需要大量的使用中频炉、电弧炉、精炼炉、轧机等非线性负荷，这些冲击性负荷会产生大量的谐波，同时会产生电压闪变和电压暂降等电能质量问题。现将主要负荷的电气特性介绍如下。
1.1 中频炉
中频炉是一种将工频50Hz交流电转变为中频的电源装置，将三相工频交流电整流后变为直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流，中频炉会产生大量的谐波，诸波是中频炉运行过程中主要的电能质量问题。
1.2 电弧炉
电弧炉属非线性负荷，在工作的过程中会产生高次谐波，而且电弧炉的用电量很大，电炉变压器的容量从数兆伏安到数十兆伏安。从钢铁的冶炼工艺分，电弧炉的工作过程可分为三个阶段:熔化期、氧化期和还原期。钢铁在熔化期的用电量很大，氧化期和还原期的用电量明显降低。钢铁在熔化期内不仅电弧炉的用电量大，而且在这个阶段由于下降电极起弧和炉料崩塌使电极接触废钢而造成短路，其后快速提升电极又拉断电弧造成断路，短路期间内产生很大的电流，造成三相不平衡。在冶炼过程中由于电磁力和炉内气流的作用以及钢液和炉渣的流动，使电弧放电的路径不断变化和弧隙电离程度不断变化，从而引起负荷电流变化大、变化速度快、变化频繁而无规则，具有很强的冲击性。
1.3 精炼炉
精炼炉是用来对初炼炉所熔钢水进行精炼，在运行时电弧电流受电磁力作用、电极移动以及对流气体的影响变化剧烈，并且具有很大的随机性，剧烈的电弧电流变化，产生剧烈的有功和无功冲击。
1.4 冷轧机
冷轧机组是一种特殊的非线性冲击负荷，因为冷轧生产线的电气传动采用晶闸管可控整流，带动轧钢直流电动机，整流设备在运行过程中会产生大量的谐波，所以轧机在运行过程中会产生大量的谐波电流。又因为轧机的特点是冲击性负荷，短时间内负荷电流从零增到很大，并且负荷的变化具有一定的周期性，因而会产生无功冲击并导致电压波动、闪变和功率因数降低等电能质量问题，降低供电系统的可靠性，并危害其他设备安全。
2 钢铁行业电能质量问题的危害
钢铁行业中电能质量问题的危害主要表现在以下几个方面:
(1)非线性、冲击性负荷会导致电网电压剧烈波动，引起电机的转速不均匀，会危及电机的自身运行同时影响产品的质量。
(2)无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致相关设备容量增加。
(3)谐波电流会增加电机的铜损、谐波电压会增加电机的铁损，从而造成电机效率降低，功率因数下降，有效转矩减小。
(4)谐波电压会造成监测仪表仪器的指示不准、继电保护装置的误动作，甚至控制系统失控，造成大面积停电，对生产造成不必要的损失。
(5)谐波电流会造成设备电缆过载、过热，破坏其绝缘，特别是在电力系统三相不对称运行时，对中性点直接接地的供电系统线损的增加尤为显著。
综上所述这些电能质量问题的存在会对对供电部门和用户自身都造成的危害和损失。
3 钢铁行业电能质量问题的治理
对于钢铁行业中的中频炉、电弧炉、精炼炉、轧机负荷所引起的电能质量问题，可以采用FC、TSC、MCR型SVC、TCR型SVC、静止无功发生器SVG等设备来进行解决。静止无功发生器SVG作为新一代的无功补偿及谐波治理装置，符合未来的发展趋势，是当前FC、TSC、SVC等装置的替代产品，是电能质量治理的优选择。
4 静止无功发生器SVG的基本原理和技术优势
静止无功发生器SVG的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使 SVG吸收或者发出满足要求的无功电流和谐波电流，从而解决功率因数低、谐波含量高、三相不平衡、电压波动和闪变等电能质量问题。
静止无功发生器和老一代的FC、TSC、SVC相比具有以下技术优势:
(1)响应时间更快
SVG响应时间：≈5ms，传统静补装置响应时间：≧40ms。
(2抑制电压闪变能力更强
SVC对电压闪变的抑制大可达30%~50% ，SVG对电压闪变的抑制可以达到80%。
(3)运行范围更宽，具有滤波能力
SVG既能补偿容性无功，也能补偿感性无功并且无功电流不受电网电压影响；SVG自身不产生谐波并具有一定的滤波能力。
(4)损耗低，占地面积小
SVG的损耗是同容量MCR型SVC的20%,是同容量TCR型SVC的25%；SVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%，甚至更少。
(5)运行更可靠
和传统的SVC相比，SVG不会出现过补、欠补、串并联谐振等问题。
5 静止无功发生器SVG在钢铁行业中使用的典型案例分析
下面一则案例是为某zhiming钢铁企业进行电能质量问题治理的情况。
此企业的生产车间大量使用中频炉、电弧炉、精炼炉、轧机等设备，这些非线性冲击负荷不仅造成了功率因数低还产生大量的谐波，对厂区的供电安全造成很大的危害。该企业的电能质量问题的难点在于快速变化的无功负荷和高电压谐波，高电流谐波。厂方之前采用了某友商提供的解决方案，该方案采用传统的SVC方案来进行无功补偿和谐波治理，但是传统的SVC方案随着后期用户负荷的增加变动,在这种高电压谐波和高电流谐波的应用场合存在的安全隐患，用户负荷谐波电流频谱的变化和电容的发热老化引起电容容值发生了改变，都有可能导致谐波的共振，严重的会导致电容爆炸设备损坏。
5.1解决方案原理及仿真分析
提供的解决方案系统图如下图 2 所示:
图2 方案系统图
从上图2中我们可以得出串联电抗率约为1%，所以原来的无源滤波支路的设计具有滤除大于11次谐波的功能。
下图3为无源滤波支路的仿真模型:
图3 滤波电路图
其中:Ish:源谐波电流Ilh:负载谐波电流 Isf:源基波电流 Ilf:负载基波电流
下图4为不同电抗率的滤波支路对源电流中的谐波电流的放大倍数
图4
从图4中我们可以看到对于1%的电抗率的无源滤波支路，当负载中具有5次谐波电流时，它会导致源中5次的谐波电流放大约3.2倍。
下图5为我们实际测试的用户负载电流中各次电流的谐波情况
图5用户负载电流中的谐波状况
从图5中我们可以看出用户负载电流中的谐波含量高达24.80%并且频谱很宽，其中 5 次电流谐波高达 17.7%。根据前面的分析我们可以得出ABB方案中的无源滤波支路的设计参数会导致源电流中的5次谐波电流放大约3.2倍，放大的谐波电流可能引起系统中电流保护装置的动作,严重的将引起系统中元件的损坏或系统崩溃。
5.2静止无功发生器SVG投入前后效果对比
静止无功发生器SVG的解决方案很好的解决该工厂的电能质量问题。
以下是静止无功发生器SVG投入前后的现场数据对比:
静止无功发生器SVG投入前后测试结果分析：
6 安科瑞APF有源滤波器产品选型
6.1产品特点
(1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；
(2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补偿；
(3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；
(4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；
(5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；
(6)输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；
(7)多机并联，达到较高的电流输出等级；
6.2型号说明
6.3尺寸说明
6.4产品实物展示
ANAPF有源滤波器
7 安科瑞智能电容器产品选型
7.1产品概述
AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。
AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找适宜投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。
7.2型号说明
AZC系列智能电容器选型：
AZCL系列智能电容器选型：
7.3产品实物展示
AZC系列智能电容模块 AZCL系列智能电容模块
安科瑞无功补偿装置智能电容方案
8 结语
静止无功发生器SVG的治理效果非常明显，不但很好的提高了功率因数，还明显的降低了电网中的电压谐波和电流谐波比例，使得整个配电系统电能质量得到大幅提升，用电环境得到改善，减少了用户的电费支出，并保证了用电设备的可靠运行。