有源滤波及无功补偿装置在大型精炼炉配电系统应用与选型

任运业

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：大型精炼炉在对钢水进行加热并精炼的过程中,由于电弧电流的不稳定变化,会产生高次谐波注入电力系统,同时从电力系统中吸收大量无功功率造成35kV母线电压波动。电力系统谐波的存在将会缩短电气设备的寿命、增加电力系统引发谐波谐振叫的概率、导致续电保护和自动装置误动作以及干扰通信等。本文对谐波滤波及无功补偿装置的工作原理进行了深入的研究,通过对谐波滤波及无功补偿装置的优化设计及模拟仿真,以达到有效治理谐波、提高功率因数和优化电能质量的效果。

关键词：精炼炉；谐波滤波；无功补偿

0引言

大型精炼炉治炼过程中会产生大量的谐波并消耗大量的无功功率.谐波和低功率因数对电气设备会产生很大的危害并带来许多附加的经济损失。电力系统中的谐波问题会导致电力设备发生故障、降低炉变变压器网的运行效率、影响周边的用电安全、增加电力系统的网损以及引起线路误跳闸等一系列问题。因此,企业需要对大型精炼炉治炼过程中引起的电能质量问题加以治理。

1谐波滤波及无功补偿装置的工作原理

在大型精炼炉治炼过程中要想滤除谐波、补偿功率因数降低线损、节约电能、降耗增益,同时又要考虑节省投资,根本办法就是加装设备限制精炼炉冶炼过程中注入电网的谐波电流,同时兼顾功率因数的提高。

从工作原理上看,目前的滤波装置分为以下两种:一种是有源滤波器，即利用电力电子技术将有源滤波器设计成谐波源,使有源滤波器产生的谐波与负荷产生的谐波大小相等且方向相反，以此来消除负荷产生的谐波,从而实现治理谐波的效果,此类方法由于技术与价格等方面的原因令其市场化尚需一段时间。另一种为无源滤波器,它是利用电容电感谐振的原理达到“吸收"谐波的效果,从而降低进入公用电力系统的谐波使得电力系统的谐波电压畸变水平维持在较低的水平同时滤波电容器发出的基波无功功率起到补偿功率因数的作用。实际工程中交流滤波装置的设计是很复杂的，不仅要求有良好的滤波效果，同时还要防止旁频谐波放大及电力系统并联谐振，所以说滤波支路间容量的合理分配是滤波装置设计的重要任务之一。受交流滤波装置的电容电感、环境温度电网频率波动等诸多不可控因素的影响，交流滤波装置在实际运行过程中可能会出现频率失调的现象，从而无法达到既定的滤波效果。因此,在设计阶段利用相关软件进行上述因素的仿真分析是滤波装置设计中的重要步骤之一。

2谐波滤波及无功补偿装置的优化设计

2.1确定滤波器的主接线

根据不采取任何治理措施时的计算结果，针对大型精炼炉自然功率因数低且又产生谐波的特点，拟在精炼炉35kV母线设置两套无源滤波装置,每台精炼炉配置一套滤波装置该装置由滤波电容器、滤波电抗器和电阻器组成,采取与精炼炉并联的运行方式。

根据对同类精炼炉的测试和治理经验，滤波器采用二阶减幅型高通滤波器,其优点是对高次谐波(如4次、5次及以上各次谐波)也有一定的滤除作用,滤波频带宽,有一定的阻尼作用,不易使精炼炉产生“次谐波"、“间谐波"的谐振放大，不会与系统发生并联谐振,滤波器的主接线图如图1所示

图1滤波器回路接线

2.2确定滤波器的容量

滤波器容量以满足供电系统35kV母线上的功率因数达到0.93为原则。由于滤波器兼具补偿无功功率和滤除谐波两大功能,但其补偿无功功率的容量要远大于滤除谐波的容量因此取补偿无功功率的容量作为滤波器容量。根据西安电炉研究所提供的基础资料，精炼炉的自然平均功率因数取值0.83,精炼炉的功率因数从0.83补偿到0.93所需的基波无功功率为:

Q_cp1=26*0.83tan(cos^-10.83)-tan(cos^-10.93)]=5.973MVar

2.3确定滤波器的参数

滤波支路电容器的额定电压受电力系统35kV母线电压、电容器两端因谐波电流而产生的谐波残压、电容器两端因串联电抗器而引起的电压升高、电容器两端因电压波动而引起的电压升高等诸多因素影响综合考虑以上影响滤波支路电容器额定电压的诸多因素,通过仿真计算得到各滤波支路电容器的额定电压、安装容量及连接方式等如表1所示,滤波电抗器的参数如表2所示滤波支路电阻器的参数如表3所示。滤波器总安装容量10.02MVar,总基波无功6.314MVar。

2.4滤波电容器过电压过电流的校核

当滤波器运行时,滤波电容器不仅提供所需的基波电流它还将吸收负荷运行时所产生的谐波电流，因此流过滤波电容器的电流既包括基波电流也包括谐波电流(谐波电流主要是滤波支路的谐波电流,但也包含非同次谐波电流),当谐波电流流过滤波电容器时，滤波电容器两端会产生基波电压和谐波电压,为了保证整个滤波器的运行安全,我们需要对各滤波支路的电容器进行校验，电容器过电流校验如表4所示，校验公式如下所示:

用CHP程序计算仿真流入各个滤波支路的基波电流和谐波电流、滤波支路两端的基波电压和谐波电压,从而计算出各滤波支路的过流倍数和过压倍数。经计算可知电容器过流倍数小于其额定电流的1.3倍;电容器过压倍数小于其额定电压的1.1倍因此滤波器的各滤波支路均能安全长期运行。

3谐波滤波及无功补偿装置的应用

结合以上设计方案，针对精炼炉分一台单独运行和两台同时运行这两种工况分别进行仿真计算和分析，实际测试两种工况下的谐波计算结果如表5所示

如表5所示，当投入使用滤波器后,负荷生产时注入电力系统的各次谐波电流和母线谐波电压含有率均能满足国家标准^[4]的要求，同时防止了旁频谐波放大及电力系统并联谐振达到了治理谐波的目的。

4 安科瑞APF有源滤波器产品选型

4.1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；

（8）拥有自主技术。

4.2型号说明

4.3尺寸说明

4.4产品实物展示

ANAPF有源滤波器

5 安科瑞智能电容器产品选型

5.1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。

5.2型号说明

AZC系列智能电容器选型：

AZCL系列智能电容器选型：

5.3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

6结语

大型精炼炉的无功补偿及诺波滤波装置投入使用后，明显地改善了供电系统35kV母线上的功率因数，对稳定电力系统运行、提升变压器负载能力、降低电力系统网损、减少电网误跳闸次数、提高电气设备使用寿命、提高精炼炉治炼效率、节能降耗等方面起到了重要作用,并可以改善各种经济技术指标,提高企业产品合格率,使得企业完成各项生产任务。

参考文献

[1]刘志廉.谐波共振问题的探讨[R].重庆:中冶赛迪工程技术公司1988

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

[3]刘伟民,赵书亭,江山.谐波滤波及无功补偿装置在大型精炼炉的应用[J].低碳世界,2019

作者简介

任运业，男,现任职于安科瑞电气股份有限公司。