SVG+FC动态无功补偿在钢铁企业电网电能质量改善--电压闪变消除及谐波治理的应用研究

孙辉 袁浩 李维

摘 要： 近年来，随着电力电子技术的发展，电网中具有非线性、冲击性和不平衡用电特性的负荷不断增加，产生大量谐波。电网中的谐波污染日益严重，影响到供电质量和用户使用的安全性，因此电网谐波污染的治理越来越受到关注。

本文首先针对谐波问题，叙述了谐波产生原因、危害等，并介绍了SVG+FC在电压闪变消除、无功动态补偿、谐波抑制方法。其中，有源电力滤波器是抑制电网谐波的有效手段之一，这种滤波器能对频率和幅度都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到了广泛重视。其次，对有源电力滤波器的基本组成、工作原理、和工作方法进行了阐述。

关键词：钢铁企业;电压闪变消除、无功动态补偿、谐波治理措施

引言

传统的无功补偿装置，在应用于冶炼、轧钢、风光发电、煤炭及机车牵引等领域时，对于频繁的冲击性和陡升陡降的负荷的治理效果有限，很难做到负载运行情况的即时跟踪，钢铁企业中使用的中频炉，电弧炉等设备是电力系统中重要的谐波来源。这些设备在运行过程中会产生大量的谐波并注入电网中去，对当前的电网系统造成严重的谐波污染。随着科技的发展，人们对电网可靠性和电能质量有更高的要求。因此对钢铁企业中的谐波污染治理、电压闪变消除，已成为当前科学技术需要解决的问题。所以，正确认识谐波产生的原因、危害及抑制方法很有必要的，同时深入了解钢铁企业的的谐波治理措施、电压稳定方法、无功功率稳定手段和技术改进是有一定的现实意义的。

一、轧线供电系统谐波产生的因素

1、轧钢单高线负载绝大部分为整流负载，整流设备分6脉冲整流和12脉冲整流。6脉冲整流产生以5次、7次为主的高次谐波，12脉冲整流产生以11次、13次为主的高次谐波。整流设备产生大量的谐波电流，会给生产和用电设备带来危害。

2、轧钢厂生产线上的传动设备如整流器、变频器、逆变器和一些相控调速调压设备，这些非线性电气设备工作时，截起电源正弦波的一部分用以控制传动装置，所以其电流波形不是正弦波，可看作是正弦波与高次谐波的组合，也就是产生子谐波。

3、在具有铁磁饱和特性的设备如变压器、电抗器的运行过程中也会产生谐波。接入低压电力系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。稳定的谐波电流是指由这种谐波的幅度不随时间变化。显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备对电网来说表现为恒定的负载。

二、电能质量对轧线生产系统产生的影响

1.轧机产生谐波带来的危害

谐波会使电网电压严重失真，此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。大量谐波电流流入电网后，由电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变，致使电能质量变差。当注入公用电网的谐波超过一定值时，会对电网自身及用电设备的正常运行造成损害：

（1）造成电网系统的电压畸变由于谐波电流流入系统，导致产生谐波电压，使电网系统的电压发生畸变。波电流使发电机定子和转子产生附加损耗和附加温升，尤其对转子更加严重，影响发电机的输出能力。对异步电动机将引起其功率因数和最大转矩的下降。对于可控硅供电的直流电机，谐波电流在自流电机电源产生电压和电流，对整流及换向都起不良作用。

（2）影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序（基波）量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰，则会引起发电机负序电流保护误动（若误动引起跳闸，则后果严重）、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线保护的线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

（3）由于电力计量装置都是按50 Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。

2.电压闪变对轧线生产系统造成的影响

轧机属于冲击性负载，咬钢时特性较软，容易拉低系统电压，这种现象遇夏季恶劣雷雨天气，电网电压会出现闪变，致使系统电压还可能出现瞬间跌落，严重时可导致生产系统中断：

（1）经统計2017-2018年，轧线系统在夏季雷雨季节出现低压整流设备掉闸达5次之多，严重影响正常生产，后对全厂接地系统排查，接地系统完好，专家组对轧线设备性能进行分析后得出，国内较为成熟的轧线生产工艺大多采用进口传动、整流、变频设备，设备对电压波动较为敏感，对电压稳定要求高。

（2）电压发生闪变后瞬间恢复，对于精密设备单元模块容易损坏，交直交传动系统单元模块容易烧毁，不仅影响生产还造成备件损失。

3.轧线系统无功功率不稳定

（1） 轧线配电系统主要设备主要整流变压器，为轧机整流传动系统供电，变压器及电机属于感性负载运行时消耗大量的无功，造成系统功率因数较低。

（2）轧线过钢存在一定间隙，每根钢坯轧制完成后，轧机由重载变为轻载，系统有功减小，功率因数降低，因此系统功率因数不稳定。

（3）为治理谐波，轧线配备了5/7/11次滤波器，滤波器配带滤波电容器向系统发出固定容量的容性无功，致使轻载时系统中含有大量容性无功，出现过补偿现象。

三、电能质量改善的措施及方法

1.改造思路

单高线I段，在初始设计时充分考虑了谐波带来的影响，配置了单调谐滤波支路，具有一定滤出系统中的5次、7次、11次高频谐波的能力，但原设计的调谐滤波装置采用的是固定手动投切方案，此方案存在了诸多的弊端：