冶金企業(yè)配電網(wǎng)的無功補償與諧波治理

1、冶金企業(yè)配電網(wǎng)的無功補償與諧波治理翁利民1， 張莉1（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430080）摘要 文章在介紹冶金企業(yè)用電設備與主要負荷特征的基礎(chǔ)上，指出了改善用電負荷的自然功率因數(shù)和抑制諧波的基本方法；分析了常見的集中補償、分散補償和就地補償三種無功補償方式；針對冶金企業(yè)負荷特點，著重闡述無源濾波器、有源濾波器、靜止無功補償器（SVC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）的工作機理、優(yōu)缺點和適應范圍，文章最后對抑制方法的改進和發(fā)展趨勢作了展望。關(guān)鍵詞 無功補償 濾波器 SVC SVG0 引言據(jù)統(tǒng)計，冶金企業(yè)是電網(wǎng)中最大的電能用戶，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，電能質(zhì)量已愈來愈為人們所關(guān)注

2、，分析冶金企業(yè)配電網(wǎng)的特點，對無功補償與高次諧波治理方法進行研究，對提高企業(yè)供電可靠性、降低損耗、提高用電設備出力等具有重要意義。冶金企業(yè)負荷具有容量大、沖擊大、起制動頻繁、工作連續(xù)性等特點。軋機、電焊設備、煉鋼電弧爐等冶金設備的運行會引起無功發(fā)生波動、功率因數(shù)低、三相不平衡、諧波含量超標；大型風機、軋機主傳動等較多應用大功率變流、變頻裝置，容量有的達上萬kW，是冶金企業(yè)的主要負荷。這些設備在調(diào)速過程產(chǎn)生的諧波干擾將直接影響配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，尤其是在這些傳動設備的加、減速階段，諧波干擾特別嚴重，而交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波不僅含有一般變流裝置中的整數(shù)次諧波，而且含有基頻和特征次諧波的旁頻成

3、分，頻率分布廣、含量較高，不僅會造成電網(wǎng)電壓畸變，還可能造成電網(wǎng)在某些頻率下的諧振，這些問題必須加以治理。1 基本措施造成電力系統(tǒng)的無功沖擊、電壓閃變、波形畸變及諧波危害的根源主要來自用電負荷，因此解決電力系統(tǒng)的無功補償及諧波治理應首先從源頭抓起，改善用電設備的自然功率因數(shù)和減小用電負荷的諧波發(fā)生量是根本措施，主要方法有：（1）合理選擇電動機、變壓器等設備容量，使其盡量經(jīng)濟運行；（2）限制用電設備的空載運行；（3）避免電動機的直接起動，采用軟起動；（4）使用帶續(xù)流晶閘管的直流調(diào)速調(diào)壓裝置。在傳統(tǒng)的六脈波整流器上增加續(xù)流晶閘管來改善功率因數(shù)，減少無功沖擊，降低無功功率損耗。（5）并聯(lián)相位控制變流

4、器。采用并聯(lián)相位控制就是交叉控制兩個并聯(lián)回路晶閘管的相位角1和2，同時控制直流輸出電壓和無功功率，可提高功率因數(shù)和消除諧波成分，適用于直流傳動和直流電弧爐供電。（6）交交變頻器采用晶閘管和GTO、IGBT、IGCT等自關(guān)斷元件直接并聯(lián)的 1混合式電路。晶閘管與GTO同時給控制脈沖，晶閘管以電源的自然換流為滯后功率因數(shù)，GTO以自身換流為超前功率因數(shù)，解決交交變頻器存在的電源功率因數(shù)低、諧波大的問題，使功率因數(shù)接近1，輸出波形接近正弦波。諧波小，可提高交交變頻器的輸出頻率，該裝置適用于軋機、提升機等大容量傳動設備。（7）變流器采用多重化技術(shù)。變流器是電力系統(tǒng)的主要諧波源。采用多重化、多電平控制是

5、減小變流器諧波的有效方法。眾所周知，對三相橋式整流電路理論上所產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)為N=6K±1，K=1，2，3，。存在5，7，11，13次諧波，若采用12相、24相、36相等多相整流的多重化結(jié)構(gòu)，將整流變壓器二次側(cè)繞組構(gòu)成星、角接線，使相位差30°， 15°，可使高次諧波含量大大減小。目前在軋鋼機和電冶金、電解整流電源工程中多數(shù)采用12相、24相整流技術(shù)，對特大容量的也采用36相、48相整流。對大容量交流變頻裝置采用多電平電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多重化，改善輸出波形，抑制力矩脈動，降低諧波，提高功率因數(shù)，目前在企業(yè)中、高壓大容量變頻裝置中應用較多。2 無功補償方式集中補償

6、將配電系統(tǒng)所需的無功補償容量全部集中于變電所或配電變壓器的饋電匯流母線上，對無功進行統(tǒng)一補償。這種補償方式較適合負荷集中、離母線較近、無功補償較大的場合。其優(yōu)點主要有：可提高變壓器的有功輸出容量，增大供電能力；可通過無功補償自動控制裝置，實現(xiàn)電容器組自動投切，避免過補償；設備利用率較高，便于管理等。其缺點主要是：在高壓側(cè)補償，設備一次性投資較大，投切容量大，合閘沖擊電流較大，切除和輕載時易產(chǎn)生過電壓，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行會有一定的影響。分散補償 將配電系統(tǒng)所需的無功補償容量按局部負載大小分配，這種補償方式適合負荷較分散的補償場合。其優(yōu)點有：有利于實行無功分區(qū)控制，分區(qū)平衡，減少網(wǎng)絡中無功電流引起的損

7、耗和電壓損失，體現(xiàn)“分散補償、就地平衡”的原則，被補償網(wǎng)絡能較經(jīng)濟運行；且補償方式靈活，電容器投切沖擊電流較小。缺點是：只能減少高壓配電線路和變壓器無功負荷，不能減少低壓配電線路的無功損耗；補償設備的利用率較集中補償方式低；安裝分散，維護管理不便。就地補償 將電容器直接安裝于用電設備附近，與電動機的供電回路相并聯(lián)，對系統(tǒng)最末端的電動機所消耗的無功功率進行就地補償，以提高配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，這是一種徹底的補償方式。其優(yōu)點主要是：當大中型電機比重較大，利用小時數(shù)又較高時，單機補償節(jié)能效果最佳，無功電流僅僅與附近的用電設備相互交換，既對系統(tǒng)補償，也對用戶內(nèi)部無功損耗補償，大大減少了電能損失，被補償網(wǎng)

8、絡運行最經(jīng)濟，在配電設備不變的情況下，可增加網(wǎng)絡的供電容量，導線截面可相應減少，電器元件的容量也可減少；而且適應性好；缺點主要是：對年利用小時數(shù)較低的設備補償時利用率較低，補償容量選擇不當時，有可能產(chǎn)生自勵磁過電壓，損壞電動機；可見，集中、分散和就地補償三種方式各有利弊，在冶金企業(yè)中都有應用，所以應根據(jù)網(wǎng)絡補償需要合理選用，使其優(yōu)勢互補，以達到最佳的補償效果。3 諧波濾波裝置諧波濾波裝置主要分為無源濾波器和有源濾波器兩種類型，即被動型與主動型補償裝置兩類。無源濾波器在抑制諧波的同時還補償無功功率，由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元件組成，以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達到

9、抑制高次諧波的作用。因其成本低、技術(shù)成熟，目前在冶金企業(yè)的配電網(wǎng)中被廣泛使用。用于實際的濾波器種類有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頻帶與三階寬頻帶高通濾波器等。一階單調(diào)諧濾波器的優(yōu)點是濾波效果好，結(jié)構(gòu)簡單；缺點是電能損耗比較大，但隨著品質(zhì)因數(shù)的提高而減少，同時又隨諧波次數(shù)的減少而增加。二階單調(diào)諧濾波器當品質(zhì)因數(shù)在50以下時，基波損耗可減少2050%，屬節(jié)能型，濾波效果等效。三階單調(diào)諧濾波器是損耗最小的濾波器，但組成復雜些，投資也高些，一般用在煉鋼電弧爐等非線性負荷系統(tǒng)中，其中2次濾波器選用三階濾波器為好，其它次選用二階單調(diào)諧濾波器。高通（寬頻帶）濾波器，一般用于某次及以上次的諧波抑

10、制。當在電弧爐負荷系統(tǒng)中采用時，通過參數(shù)調(diào)整，可形成該濾波器回路對5次及以上次諧波形成低阻抗通路。無源濾波器的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗變化和運行狀態(tài)影響，且易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，而且只能補償固定頻率的諧波。有源電力濾波器（簡稱APF），與無源濾波器的最大區(qū)別在于，它向交流電網(wǎng)注入補償電流，其幅值與負載注入電網(wǎng)的諧波電流的大小相等，相位差180°，以抵消負載所產(chǎn)生的諧波電流，使電網(wǎng)只含有基波電流，同時還可以提供無功電流，補償電網(wǎng)無功功率。它由靜止功率變流器構(gòu)成，具有電力電子變流器的高可控性和快速響應性，能有效地解決無源濾波器存在的問題，其優(yōu)點是對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功

11、功率同時進行補償；可連續(xù)調(diào)節(jié)且響應迅速；而且即使補償對象電流過大，有源電力濾器也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補償作用；受電網(wǎng)阻抗的影響不大，可有效地避免與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化；既可對一個諧波和無功單獨補償，也可對多個諧波和無功源集中補償。有源濾波器按照與電網(wǎng)的連接方式分為并聯(lián)有源濾波器和串聯(lián)有源濾波器；按照PWM逆變電路直流側(cè)電源的性質(zhì)又可分為電壓型有源濾波器和電流型有源濾波器。APF隨著高功率大電流全控器件的發(fā)展和基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出得以迅猛發(fā)展，成為在冶金企業(yè)諧波抑制最重要的發(fā)展方向，進幾年已經(jīng)開始應用于實際工程。將無源濾波器和有源濾波器相結(jié)合構(gòu)

12、成混合濾波器，用無源濾波器補償、吸收緩慢變化的無功功率和高頻諧波，用有源濾波器補償沖擊性無功和低頻、變化的諧波，兼有兩種濾波器優(yōu)點，是當前電能質(zhì)量研究的熱點。4 靜止型無功補償設備靜止型無功設備大致可分為靜止型動態(tài)無功補償器（簡稱SVC）與靜止無功發(fā)生器（簡稱SVG）兩大類。SVC采用電力電子技術(shù)跟蹤電網(wǎng)無功波動及諧波狀況，在線實時自動控制補償量，其作用在于保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，減少電壓閃變；吸收動態(tài)無功功率，減小損耗；提高功率因數(shù)；吸收高次諧波，減少諧波公害；補償三相負荷的不平衡特性；提高供電系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性。SVC在軋鋼系統(tǒng)與電弧爐煉鋼系統(tǒng)中應用最廣泛，有效地抑制與消除電壓波動，閃變與電

13、壓不平衡，以達到綜合補償?shù)男ЧＤ壳?，國?nèi)外普遍采用的SVC有四種不同的結(jié)構(gòu)類型和控制方法：可控硅閥控制空芯電抗器型（稱TCR型），它用可控硅閥控制線性電抗器實現(xiàn)快速連續(xù)的無功功率調(diào)節(jié)，它具有反應時間快（520ms）、運行可靠、無級補償、分相調(diào)節(jié)，能平衡有功，適用范圍廣，價格便宜等優(yōu)點。TCR裝置還能實現(xiàn)分相控制，有較好的抑制不對稱負荷的能力，因而在動態(tài)無功功率補償系統(tǒng)中，尤其在冶金企業(yè)中應用最廣泛，但這種裝置對維護要求高?？煽毓栝y控制高阻抗變壓器型（TCT型），優(yōu)點與TCR型差不多，但高阻抗變壓器制造復雜，諧波分量也略大一些。由于有油，要求一級放火，只宜布置在一層平面或戶外?？煽毓栝_關(guān)控制電

14、容器型（TSC），分相調(diào)節(jié)、直接補償、裝置本身不產(chǎn)生諧波，損耗小，但是本質(zhì)上屬于有級調(diào)節(jié)，有暫態(tài)過程。自飽和電抗器型（SSR型），維護較簡單，運行可靠，過載能力強，響應速度快，降低閃變效果好，但其噪音大，原材料消耗大，補償不對稱電爐負荷自身產(chǎn)生較大諧波電流，無平衡有功負荷能力。靜止無功發(fā)生器（SVG），是近些年研制開發(fā)的一種新型的靜止無功補償設備，基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)，使電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。與SVC相比， SVG有以下優(yōu)勢：SVC進行雙向補償時，需同等

15、容量的電容和電感，而SVG可以實現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)，顯然要省得多；靜態(tài)特性，SVG容量除了電壓太低時只與電壓呈比例下降，且有短時過載能力，在滿足同樣的無功要求下，SVG的容量可比SVC小1520%；SVC輸出感性無功時，用晶閘管控制電感時會產(chǎn)生高次諧波，SVG一般采用多重逆變器方式，基本上無有諧波“污染”； SVG占地小，此外，SVG的維護工作量也較SVC小。SVG通過與系統(tǒng)進行無功功率交換，以維持電壓穩(wěn)定，因而是抑制系統(tǒng)無功與電壓波動、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，特別是電壓穩(wěn)定性的有力工具。SVG已經(jīng)在電力系統(tǒng)中開始實際應用與運行，由于它與SVC相比顯現(xiàn)的優(yōu)越性，相信在冶金企業(yè)的電能質(zhì)量控制中會發(fā)揮越來越大的作

16、用。5 結(jié)語無功補償和諧波抑制始終有著密切的關(guān)系， 兩者的技術(shù)發(fā)展與進步是相互 4協(xié)調(diào)的，有源濾波器可以克服無源濾波器在實際運行中補償特性易受電網(wǎng)阻抗變化和運行狀態(tài)影響，與系統(tǒng)發(fā)生諧波放大甚至并聯(lián)諧振的缺陷，若將無源濾波器和有源濾波器相結(jié)合構(gòu)成混合濾波器，相互取長補短，兼有兩種濾波器優(yōu)點，這種方案是現(xiàn)今諧波抑制研究的熱點，將推動無功補償和諧波抑制新技術(shù)的進步。無功電流補償實現(xiàn)手段已經(jīng)趨于與電力電子技術(shù)的結(jié)合。結(jié)合方式有三種，一是為投切電容器的開關(guān)，二是作為無功輸出的調(diào)節(jié)開關(guān)，三是引入電力電子變流技術(shù)，將變流器作為無功電源，以補償無功功率，可見SVC與SVG是有效的結(jié)合方法。目前在冶金企業(yè)廣泛使用的以SVC為代表的無功補償裝置，對其研究集中在控制策略上，可顯著提高SVC系統(tǒng)的