钢铁企业高压动态无功补偿分析

摘要：钢铁企业的用电设备具有体积大，容量大，大部分为感性负荷，负荷冲击大，起制动频繁，快速性，自动化程度高，工作连续性，对供电的可靠性和电能质量要求高等特点，由于非线性负荷的使用对电网产生了很大的冲击，所以采用无功补偿对钢铁企业进行电能质量污染治理是很有必要的。

关键词：钢铁企业 无功 谐波 SVC

1、前言

钢铁企业是传统的用电大户，也是污染大户，钢铁的产量及质量都会影响到电能的损耗。随着现代电力电子设备和非线性负荷的大量应用，使电网供电质量受到严重影响，尤其是各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源，对电网的稳定造成一系列不良影响。随着低碳经济的提出，钢铁企业的节能降耗问题也日益突出，解决此问题刻不容缓。

钢铁企业用电所产生的电能质量问题是多种多样的，造成的危害非常地严重。它们产生大量的无功功率和谐波，对电网和用电设备等产生很大危害。轧机等大型三相对称负载频繁变动电机工作时，当轧机主传动采用直流调速，交-交变频调速时，轧机（咬钢）加速期间，不仅仅产生有功冲击负荷，还产生巨大的无功冲击负荷。对电网造成如下影响。

（1）引起电网电压下降及电压波动，严重时使电气设备无法正常工作使功率因数降低。

（2）产生有害谐波，主要是5，7，11，13次为主的奇次谐波及其他高频谐波，使电网电压发生严重畸变。

电弧炉，精炼炉是冶金行业的重要生产设备，是典型的非线性无规律负荷，超高功率电弧炉电极与废钢之间的短路，断弧以及电弧本身的不稳定性，造成有功功率以及无功功率的剧烈波动，从而造成严重的电压波动及闪变。电弧炉接入电网会对电网产生一系列不良影响。

（1）导致电网严重三相不平衡，产生负序电流。

（2）产生高次谐波，普遍存在如2，4次偶次谐波与3，5，7次等奇次谐波共存情况，电压畸变更趋复杂化。

（3）存在严重的电压闪变。功率因数低，生产效率低，损耗变大。

除了电弧炉和钢包精炼炉等主要用电设备外，在钢铁企业，不论是炼铁，炼钢，轧钢还是烧结，连铸等，还有大量的辅助用电设备采用交直流调速，形成分散的谐波源。

2、无功的产生及补偿装置

什么是无功功率？无功功率就是对电网向负荷传递能量没有贡献，在电网和负荷之间循环交换的能量。

什么是谐波？简言之，就是与标准的三角函数不一致的波形。一般说来，在复杂电力环境中，对于电压，电流信号采用傅立叶分解可以将这些波形分解成为工频频率为50Hz的三角函数波形的整数倍频率或分数次频率的波形的级数和的交流信号成分。

谐波的产生

随着经济的发展和技术的进步，各种电力电子器件不断成熟，带来了各种非线性负载的大规模使用。如各种可控硅，变频调速，电子调压，电解化学，矿井提升，电气化牵引等工业设备；以及常规的照明，空调，UPS，电梯，电脑及外设等商业设备。这些非线性负载的使用不可避免的会产生非正弦的谐波，污染并加大了电网的负担，进而影响其他设备的正常工作，严重时甚至会损坏设备。

无功和谐波的危害

1.无功增加供电设备容量，增加设备投资。

2.无功增加供电设备及线路损耗。加剧了变压器，电机等感性负载的铜损和铁损，导致设备的非正常发热，并影响其输出功率，增大了噪音；

3.无功影响供电电压，降低产品质量，缩短生产设备使用寿命。

4.谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，大量谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。

5.谐波影响各种电气设备的正常工作。影响了各种现实，计量等仪表的精度（干扰各种通讯，监控，精密电子设备的正常工作，甚至将其烧毁；干扰各种继电保护等设备的正常工作，造成断路器的拒动或误动，扩大事故）

6.谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振。

7.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作。

8.谐波会对邻近的通讯系统产生干扰。

9.谐波会加剧集肤效应，造成电缆的发热，加剧对绝缘的破坏。造成电容器的过流，缩短了其使用寿命甚至直接造成爆炸等破坏；

10.引起晶闸管等设备的误触发，导致设备故障；

11.加大了电网的非正常损耗，加剧电网内设备的提前老化，并增大了诱发电网谐振的可能。

采用滤波装置可将畸变的波形补偿为标准的正弦波形，使非工频的三角函数波形总量低于国家标准。

现阶段主要的补偿方式是无源滤波装置和有源滤波装置两种。无源滤波装置是一个单调滤波装置，可以用来消除某一固定频次的谐波；有源滤波装置是一个应用高频电力电子开关的四象限逆变器。相比而言，有源滤波装置不仅构造原理先进，而且补偿频次广泛，补偿效果也优于单调滤波装置，补偿特性不受电网阻抗的影响，不会与电网发生谐振。有源电力滤波装置（APF，Active Power Filter）以并联的方式接入电网，通过高精度采样CT实时监测负载电流，转换成数字处理器可读的信号后通过一系列的运算，以PWM调制方式，控制核心的智能功率模块输出与谐波分量大小相等，相位相反的电流，达到消除谐波净化电网的目的。优势在于快速响应能力，高度的可靠性，大容量的补偿能力，简单的操作方法和结构，高性价比，节能降耗能力。

无功补偿装置主要应用在电弧炉，轧机，电气化铁路的供电系统，远距离电力传输，提升机等其他重工业负载，城市二级变电站等领域。

3、现状及结论

某钢铁企业，SVC投运前，无功倒送现象严重，降低了系统的功率因数；SVC投运后，实现了实时动态无功补偿，保证了功率因数的达标。设备运行后，提供无功补偿，动态稳定电压，提高负载能力，消除闪变波动，节电效果非常显著，而且还具有良好的滤波效果，特别是2次，3次，4次，5次谐波的治理效果更为明显。使其相应谐波电压畸变完全满足用户要求。闪变幅度在SVC投运后都有很大的改善，经济效益极为可观，完全达到了用户的要求。