文摘：在加熱和精煉鋼水的過程中，由于電弧電流的不穩(wěn)定變化，大型精煉爐會(huì)產(chǎn)生高次諧波注入電力系統(tǒng)。同時(shí)，大量無功功率會(huì)從電力系統(tǒng)中吸收，導(dǎo)致35kV母線電壓波動(dòng)。電力系統(tǒng)諧波的存在將縮短電氣設(shè)備的使用壽命，增加電力系統(tǒng)引起諧波共振呼叫的概率，導(dǎo)致電源更新保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤操作，干擾通信。本文深入研究了諧波濾波和無功補(bǔ)償裝置的工作原理，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬諧波濾波和無功補(bǔ)償裝置的功率，實(shí)現(xiàn)有效治理

關(guān)鍵詞：精煉爐；諧波濾波；無功補(bǔ)償

引言

在大型精煉爐的處理過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，消耗大量的無功功率。諧波和低功率因數(shù)會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成極大的危害，并帶來許多額外的經(jīng)濟(jì)損失。電力系統(tǒng)中的諧波問題會(huì)導(dǎo)致一系列問題，如電力設(shè)備故障、爐變變壓器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率降低、影響周邊電力安全、增加電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損壞、導(dǎo)致線路誤跳閘等。因此，企業(yè)需要處理大型精煉爐處理過程中造成的電能質(zhì)量問題。

1諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置的工作原理

在大型精煉爐的處理過程中，為了過濾諧波，減少線損，節(jié)約電能，減少消耗和增益，補(bǔ)償功率因數(shù)，同時(shí)考慮節(jié)約投資。根本方法是安裝設(shè)備，限制精煉爐冶煉過程中注入電網(wǎng)的諧波電流，同時(shí)考慮功率因數(shù)的增加。

從工作原理來看，目前的濾波裝置分為以下兩種類型：一種是有源濾波器，即利用電力電子技術(shù)將有源濾波器設(shè)計(jì)為諧波源，使有源濾波器產(chǎn)生的諧波大小等于負(fù)載產(chǎn)生的諧波大小，方向相反，從而消除負(fù)載產(chǎn)生的諧波，從而達(dá)到處理諧波的效果。由于技術(shù)和價(jià)格的原因，這種方法需要一段時(shí)間才能市場化。另一種是無源濾波器，它利用電容電感諧振的原理達(dá)到“吸收"諧波的效果，從而減少進(jìn)入公共電力系統(tǒng)的諧波，使電力系統(tǒng)的諧波電壓畸變水平保持在較低水平。同時(shí)，濾波電容器發(fā)出的基波無功功率起到補(bǔ)償功率因數(shù)的作用。在實(shí)際工程中，交流濾波裝置的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。它不僅需要良好的濾波效果，還需要防止旁頻諧波放大和電力系統(tǒng)并聯(lián)諧振。因此，濾波分支之間容量的合理分配是濾波裝置設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。受許多不可控因素的影響，如交流濾波裝置的電容電感和環(huán)境溫度電網(wǎng)的頻率波動(dòng)，交流濾波裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)頻率失衡，無法達(dá)到既定的濾波效果。所以，濾波裝置設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要步驟就是在設(shè)計(jì)階段使用相關(guān)軟件對(duì)上述因素進(jìn)行模擬分析。

2諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1確定濾波器的主接線

根據(jù)不采取任何處理措施時(shí)的計(jì)算結(jié)果，針對(duì)大型精煉爐自然功率因數(shù)低、諧波產(chǎn)生的特點(diǎn)，計(jì)劃在精煉爐35kV母線上設(shè)置兩套無源濾波裝置。每個(gè)精煉爐配有一套濾波裝置。該裝置由濾波電容器、濾波電抗器和電阻器組成，并與精煉爐并聯(lián)運(yùn)行。

根據(jù)同類精煉爐的測試和處理經(jīng)驗(yàn)，濾波器采用二級(jí)減幅高通濾波器。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)高次諧波（如4次、5次或更多次諧波）也有一定的過濾作用。濾波頻帶寬具有一定的阻尼作用，不易使精煉爐產(chǎn)生“次諧波"、如圖1所示，“間諧波"的諧振放大不會(huì)與系統(tǒng)并聯(lián)諧振。濾波器的主接線圖

圖1濾波器電路接線

2.2確定濾波器的容量

濾波器容量的原則是滿足供電系統(tǒng)35kV母線上的功率因數(shù)達(dá)到0.93。由于濾波器具有兩種功能：補(bǔ)償無功功率和過濾諧波，但補(bǔ)償無功功率的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過濾諧波的容量，因此采用補(bǔ)償無功功率的容量作為濾波器的容量。根據(jù)西安電爐研究所提供的基本數(shù)據(jù)，精煉爐的自然平均功率因數(shù)值為0.83，精煉爐的功率因數(shù)從0.83補(bǔ)償為0.93。所需的基波無功功率為：

Qcp1=26*0.83tan(cos-10.83)-tan(cos-10.93]=5.973MVarr

2.3確定濾波器的參數(shù)

濾波支路電容器的額定電壓受電力系統(tǒng)35kV母線電壓、諧波電流引起的諧波殘壓、串聯(lián)電抗器引起的電壓升高、電容器兩端電壓波動(dòng)引起的電壓升高等諸多因素的影響。綜合考慮上述影響濾波支路電容器額定電壓的諸多因素，如表1所示，通過仿真計(jì)算得到每個(gè)濾波支路電容器的額定電壓、安裝容量和連接方式。濾波電抗器的參數(shù)如表2所示。濾波支路電阻器的參數(shù)如表3所示?？偘惭b容量為10.02MVar

2.4檢查濾波電容器過電壓過電流

當(dāng)濾波器運(yùn)行時(shí)，濾波電容器不僅提供所需的基波電流，還吸收負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波電流。因此，濾波電容器的電流包括基波電流和諧波電流（諧波電流主要是濾波支路的諧波電流，但也包括非同次諧波電流）。當(dāng)諧波電流通過濾波電容器時(shí)，基波電壓和諧波電壓將在濾波電容器的兩端產(chǎn)生。為了確保整個(gè)濾波器的安全運(yùn)行，我們需要檢查每個(gè)濾波支路的電容器。電容器的過電流檢查如表4所示。檢查公式如下：

通過CHP程序計(jì)算模擬流入各濾波支路的基波電流和諧波電流，以及濾波支路兩端的基波電壓和諧波電壓，從而計(jì)算各濾波支路的過流倍數(shù)和過壓倍數(shù)。經(jīng)計(jì)算，可以看出電容器的過流倍數(shù)小于額定電流的1.3倍；電容器的過壓倍數(shù)小于額定電壓的1.1倍，因此濾波器的所有濾波支路都可以安全長期運(yùn)行。

3諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

結(jié)合上述設(shè)計(jì)方案，模擬計(jì)算和分析了一臺(tái)精煉爐的單獨(dú)運(yùn)行和兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。兩種工作條件下的諧波計(jì)算結(jié)果實(shí)際測試如表5所示

如表5所示，當(dāng)濾波器投入使用時(shí)，在負(fù)載生產(chǎn)過程中注入電力系統(tǒng)的諧波電流和母線諧波電壓的含量可以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)[4]的要求，并且可以防止旁頻諧波放大和電力系統(tǒng)并聯(lián)諧振，從而達(dá)到處理諧波的目的。

4安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）DSP+FPGA控制模式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

（2）一機(jī)多能，既能補(bǔ)諧波，又能補(bǔ)無功，可對(duì)2～全額補(bǔ)償或特定的次諧波進(jìn)行51次諧波補(bǔ)償；

（3）橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)等功能完善；

（4）模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝方便，擴(kuò)展方便；

（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置與控制，使用方便，操作維護(hù)方便；

（6）在輸出端安裝濾波裝置，以減少高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出水平；

（8）擁有獨(dú)立的技術(shù)。

4.2型號(hào)

5安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

5.1產(chǎn)品概述

AZCAZCL系列智能電容器用于0.4kV、50Hz低壓配電是新一代無功補(bǔ)償設(shè)備，用于節(jié)約能源、減少線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量。它由智能測控單元、晶閘管復(fù)合開關(guān)電路、線路保護(hù)單元、兩個(gè)或一個(gè)單獨(dú)的低壓電力電容器組成。它可以代替自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置，由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件連接在柜內(nèi)和柜面。它具有體積小、功耗低、維護(hù)方便、使用壽命長、可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)了現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路徑和切割狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動(dòng)找到合適的投入點(diǎn)（切除點(diǎn)），實(shí)現(xiàn)過零切割，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

5.2型號(hào)

6結(jié)語

大型精煉爐的無功補(bǔ)償和諾波濾波裝置投入使用后，供電系統(tǒng)35kV母線上的功率因數(shù)得到了顯著改善，對(duì)穩(wěn)定電力系統(tǒng)運(yùn)行起到了重要作用，提高變壓器的負(fù)載能力，減少電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損壞，減少電網(wǎng)誤跳閘次數(shù)，提高電氣設(shè)備的使用壽命，提高精煉爐的處理效率，節(jié)能降耗，改善各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，提高企業(yè)產(chǎn)品合格率，使企業(yè)能夠完成各項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志廉.諧波共振問題的探討[R].重慶:中冶賽迪工程技術(shù)公司1988

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版

[3]劉偉民,趙書亭,江山.諧波濾波及無功補(bǔ)償裝置在大型精煉爐的應(yīng)用[J].低碳世界,2019,9(11):71-72.DOI:10.16844/j.cnki.cn10-1007/tk.2019.11.045.