利用虚拟仿真技术对钢铁企业电弧炉运行电能质量优化进行分析的系统设计

叶文芊，纪 捷，丁祖军，张慧萍，沈 骞

（淮阴工学院，江苏 淮安 223001）

1 虚拟仿真技术原理介绍

利用软件技术模拟现实电力系统，也就是利用虚拟仿真技术对现实问题进行分析是一种时下对现实问题进行分析解决的流行途径。

针对目前电能质量优化实验电压高、周期长、体积大、实验难的问题，本文建议采用信息化手段和虚拟仿真技术，通过软件虚拟设备对高压设备的运行进行电能质量优化，解决了实验危险系数大、有安全隐患的问题。通过提前组件好所有核心模型，让学生直接进行电能优化实验的核心步骤，集中力量进行组件设计、优化选择、学习探究，利用虚拟仿真设备将必备组件在网络平台上实现，让系统可以被自由设计、灵活搭配，解决了实验设备体积大、实验室难以建设、无法组织的问题。本文设计的电力质量虚拟仿真系统不仅可以根据电能优化质量基本规律对谐波进行去除，提高功率因数，还可以对目标系统进行性能探索，解决了实验难的问题。

2 虚拟仿真系统架构设计

在已经构建的包括电弧炉、电弧炉变压器、SVC、配电房等模型的实际场景中，根据每个模型的基本原理介绍和参数设计的公式，在相应的对话框中输入相关参数，观察补偿前后的电压电流波形和功率因数等数据，最后评价本次虚拟仿真实验的效果。系统操作流程如图1 所示。

图1 电能质量优化虚拟实验操作流程图

3 仿真设计流程

根据前面各个环节中的SVC 关键参数探索和设计，仿真环节中可以按照TCR→2 次滤波支路→3 次滤波支路→4次滤波支路→5 次滤波支路投入的次序，分别考察每个支路投入后对谐波抑制以及功率因数的影响，并结合GB 14549—2008 中规定的35 kV 配电网对于各次谐波标准，如表1 所示，评估SVC 参数设计的合理性，根据本实验的评价标准，要求补偿后功率因数范围0.92～0.98，电流THD 小于10%。

表1 GB 14549—2008 中35 kV 配电网谐波标准

3.1 非正弦交流系统功率因数、总谐波畸变率计算

交流侧功率因数和电流总谐波畸变率是电能质量的关键参数，非正弦交流系统中电流波形中含有丰富的谐波成分，计算功率因数需要考虑谐波电流对整个输入电流的贡献，再根据有功功率和视在功率比值计算；电流总谐波畸变率可以按照总谐波电流有效值和基波电流有效值比值计算。

3.2 无功补偿策略

高压系统中通常采用并联电容的无功补偿方案，目前主要分为静态补偿和动态补偿，静态补偿投入的容性无功是固定的，动态补偿是通过晶闸管投切电容器实现。本项目采用谐振支路在实现滤波同时，实现无功功率静态补偿。

3.3 晶闸管投切电抗器TCR

SVC 系统中的FC 支路实现滤波以及静态无功补偿，但是随着负载无功的动态变化，FC 支路不能动态跟踪负载无功需求，因此要TCR 和FC 协同工作，负载感性无功动态变化时，通过TCR 的触发角控制实现动态无功补偿。负载中的谐波电流需要通过并联的谐振支路抑制，避免直接注入配电网，引起电网谐波污染，其基本原理是应用LC 串联谐振实现谐振支路对特定频率的谐波电流呈现低阻抗，实现谐波抑制。

3.4 SVC 参数和功率因数规律探究

SVC 设计参数较多，精准设计困难，实际虚拟仿真实验中采用先规律探究，在选择参数的实验模式，既让学生探索了滤波电容电压、容值、触发角等参数对功率因数变化规律，又能降低SVC 参数设计难度，提升学习效率。

3.5 线性电路的阻抗串并联计算

SVC 系统本质是在负载上并联了多个谐振支路和TCR支路，最终对功率因数和THD 影响可以根据系统等效电路中的阻抗串并联计算，得到输入侧的相关参数，并考察SVC参数设计的合理性。

4 利用虚拟仿真技术进行电能质量分析优势总结

本虚拟仿真系统针对配电网输出功率的剧烈变化，在变压器一次侧添加功率双向补偿装置，保持需求输入功率的恒定性。其次，考虑变更服务对象时系统谐波次数的变化，增加自主变更结构环节，使得系统更贴近实际，应用范围更为广阔，仿真方案设计思路体现了配电系统电能优化实验的可靠性、自主性和探究性特色。本系统基于钢铁企业配电网中电能质量优化的系统研究，获取了以钢铁企业为典型用户的大量真实运行数据及波形，因此虚拟仿真试验数据来源真实可靠；系统可以开展滤波支路电容、电感设计，也涉及TCR支路电感参数及触发角自主设计；虚拟仿真实验采用先进行规律探究、再开展参数设计、最后进行效果验证。本系统最终理论可以进行变参数、新方案的设计优化，围绕优化目标，多次反复参数调整，并通过虚拟仿真进行可视化表达，对于相关电能优化实验和设计有较强的指导意义。