SVG+FC動態無功補償在鋼鐵企業電網電能質量改善--電壓閃變消除及諧波治理的應用研究

孫輝 袁浩 李維

摘 要： 近年來，隨著電力電子技術的發展，電網中具有非線性、沖擊性和不平衡用電特性的負荷不斷增加，產生大量諧波。電網中的諧波污染日益嚴重，影響到供電質量和用戶使用的安全性，因此電網諧波污染的治理越來越受到關注。

本文首先針對諧波問題，敘述了諧波產生原因、危害等，并介紹了SVG+FC在電壓閃變消除、無功動態補償、諧波抑制方法。其中，有源電力濾波器是抑制電網諧波的有效手段之一，這種濾波器能對頻率和幅度都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到了廣泛重視。其次，對有源電力濾波器的基本組成、工作原理、和工作方法進行了闡述。

關鍵詞：鋼鐵企業;電壓閃變消除、無功動態補償、諧波治理措施

引言

傳統的無功補償裝置，在應用于冶煉、軋鋼、風光發電、煤炭及機車牽引等領域時，對于頻繁的沖擊性和陡升陡降的負荷的治理效果有限，很難做到負載運行情況的即時跟蹤，鋼鐵企業中使用的中頻爐，電弧爐等設備是電力系統中重要的諧波來源。這些設備在運行過程中會產生大量的諧波并注入電網中去，對當前的電網系統造成嚴重的諧波污染。隨著科技的發展，人們對電網可靠性和電能質量有更高的要求。因此對鋼鐵企業中的諧波污染治理、電壓閃變消除，已成為當前科學技術需要解決的問題。所以，正確認識諧波產生的原因、危害及抑制方法很有必要的，同時深入了解鋼鐵企業的的諧波治理措施、電壓穩定方法、無功功率穩定手段和技術改進是有一定的現實意義的。

一、軋線供電系統諧波產生的因素

1、軋鋼單高線負載絕大部分為整流負載，整流設備分6脈沖整流和12脈沖整流。6脈沖整流產生以5次、7次為主的高次諧波，12脈沖整流產生以11次、13次為主的高次諧波。整流設備產生大量的諧波電流，會給生產和用電設備帶來危害。

2、軋鋼廠生產線上的傳動設備如整流器、變頻器、逆變器和一些相控調速調壓設備，這些非線性電氣設備工作時，截起電源正弦波的一部分用以控制傳動裝置，所以其電流波形不是正弦波，可看作是正弦波與高次諧波的組合，也就是產生子諧波。

3、在具有鐵磁飽和特性的設備如變壓器、電抗器的運行過程中也會產生諧波。接入低壓電力系統的非線性設備產生的諧波電流可分為穩定的諧波和變化的諧波兩大類。穩定的諧波電流是指由這種諧波的幅度不隨時間變化。顯示設備和測試儀表等產生的諧波，這類設備對電網來說表現為恒定的負載。

二、電能質量對軋線生產系統產生的影響

1.軋機產生諧波帶來的危害

諧波會使電網電壓嚴重失真，此外電網還必須向這類負荷產生的諧波提供額外的電能。大量諧波電流流入電網后，由電網阻抗產生諧波壓降，疊加在電網基波上，引起電網的電壓畸變，致使電能質量變差。當注入公用電網的諧波超過一定值時，會對電網自身及用電設備的正常運行造成損害：

（1）造成電網系統的電壓畸變由于諧波電流流入系統，導致產生諧波電壓，使電網系統的電壓發生畸變。波電流使發電機定子和轉子產生附加損耗和附加溫升，尤其對轉子更加嚴重，影響發電機的輸出能力。對異步電動機將引起其功率因數和最大轉矩的下降。對于可控硅供電的直流電機，諧波電流在自流電機電源產生電壓和電流，對整流及換向都起不良作用。

（2）影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性。諧波對電力系統中以負序（基波）量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序（基波）量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾，則會引起發電機負序電流保護誤動（若誤動引起跳閘，則后果嚴重）、變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線保護的線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發生誤動，嚴重威脅電力系統的安全運行。

（3）由于電力計量裝置都是按50 Hz的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。

2.電壓閃變對軋線生產系統造成的影響

軋機屬于沖擊性負載，咬鋼時特性較軟，容易拉低系統電壓，這種現象遇夏季惡劣雷雨天氣，電網電壓會出現閃變，致使系統電壓還可能出現瞬間跌落，嚴重時可導致生產系統中斷：

（1）經統計2017-2018年，軋線系統在夏季雷雨季節出現低壓整流設備掉閘達5次之多，嚴重影響正常生產，后對全廠接地系統排查，接地系統完好，專家組對軋線設備性能進行分析后得出，國內較為成熟的軋線生產工藝大多采用進口傳動、整流、變頻設備，設備對電壓波動較為敏感，對電壓穩定要求高。

（2）電壓發生閃變后瞬間恢復，對于精密設備單元模塊容易損壞，交直交傳動系統單元模塊容易燒毀，不僅影響生產還造成備件損失。

3.軋線系統無功功率不穩定

（1） 軋線配電系統主要設備主要整流變壓器，為軋機整流傳動系統供電，變壓器及電機屬于感性負載運行時消耗大量的無功，造成系統功率因數較低。

（2）軋線過鋼存在一定間隙，每根鋼坯軋制完成后，軋機由重載變為輕載，系統有功減小，功率因數降低，因此系統功率因數不穩定。

（3）為治理諧波，軋線配備了5/7/11次濾波器，濾波器配帶濾波電容器向系統發出固定容量的容性無功，致使輕載時系統中含有大量容性無功，出現過補償現象。

三、電能質量改善的措施及方法

1.改造思路

單高線I段，在初始設計時充分考慮了諧波帶來的影響，配置了單調諧濾波支路，具有一定濾出系統中的5次、7次、11次高頻諧波的能力，但原設計的調諧濾波裝置采用的是固定手動投切方案，此方案存在了諸多的弊端：