有源滤波及无功补偿装置在大型精炼炉配电系统应用与选型

文摘：在加热和精炼钢水的过程中，由于电弧电流的不稳定变化，大型精炼炉会产生高次谐波注入电力系统。同时，大量无功功率会从电力系统中吸收，导致35kV母线电压波动。电力系统谐波的存在将缩短电气设备的使用寿命，增加电力系统引起谐波共振呼叫的概率，导致电源更新保护和自动装置的误操作，干扰通信。本文深入研究了谐波滤波和无功补偿装置的工作原理，通过优化设计和模拟谐波滤波和无功补偿装置的功率，实现有效治理

关键词：精炼炉；谐波滤波；无功补偿

引言

在大型精炼炉的处理过程中，会产生大量的谐波，消耗大量的无功功率。谐波和低功率因数会对电气设备造成极大的危害，并带来许多额外的经济损失。电力系统中的谐波问题会导致一系列问题，如电力设备故障、炉变变压器网络运行效率降低、影响周边电力安全、增加电力系统网络损坏、导致线路误跳闸等。因此，企业需要处理大型精炼炉处理过程中造成的电能质量问题。

1谐波滤波及无功补偿装置的工作原理

在大型精炼炉的处理过程中，为了过滤谐波，减少线损，节约电能，减少消耗和增益，补偿功率因数，同时考虑节约投资。根本方法是安装设备，限制精炼炉冶炼过程中注入电网的谐波电流，同时考虑功率因数的增加。

从工作原理来看，目前的滤波装置分为以下两种类型：一种是有源滤波器，即利用电力电子技术将有源滤波器设计为谐波源，使有源滤波器产生的谐波大小等于负载产生的谐波大小，方向相反，从而消除负载产生的谐波，从而达到处理谐波的效果。由于技术和价格的原因，这种方法需要一段时间才能市场化。另一种是无源滤波器，它利用电容电感谐振的原理达到“吸收"谐波的效果，从而减少进入公共电力系统的谐波，使电力系统的谐波电压畸变水平保持在较低水平。同时，滤波电容器发出的基波无功功率起到补偿功率因数的作用。在实际工程中，交流滤波装置的设计非常复杂。它不仅需要良好的滤波效果，还需要防止旁频谐波放大和电力系统并联谐振。因此，滤波分支之间容量的合理分配是滤波装置设计的重要任务之一。受许多不可控因素的影响，如交流滤波装置的电容电感和环境温度电网的频率波动，交流滤波装置在实际运行过程中可能会出现频率失衡，无法达到既定的滤波效果。所以，滤波装置设计中的一个重要步骤就是在设计阶段使用相关软件对上述因素进行模拟分析。

2谐波滤波及无功补偿装置的优化设计

2.1确定滤波器的主接线

根据不采取任何处理措施时的计算结果，针对大型精炼炉自然功率因数低、谐波产生的特点，计划在精炼炉35kV母线上设置两套无源滤波装置。每个精炼炉配有一套滤波装置。该装置由滤波电容器、滤波电抗器和电阻器组成，并与精炼炉并联运行。

根据同类精炼炉的测试和处理经验，滤波器采用二级减幅高通滤波器。其优点是对高次谐波（如4次、5次或更多次谐波）也有一定的过滤作用。滤波频带宽具有一定的阻尼作用，不易使精炼炉产生“次谐波"、如图1所示，“间谐波"的谐振放大不会与系统并联谐振。滤波器的主接线图

图1滤波器电路接线

2.2确定滤波器的容量

滤波器容量的原则是满足供电系统35kV母线上的功率因数达到0.93。由于滤波器具有两种功能：补偿无功功率和过滤谐波，但补偿无功功率的容量远远大于过滤谐波的容量，因此采用补偿无功功率的容量作为滤波器的容量。根据西安电炉研究所提供的基本数据，精炼炉的自然平均功率因数值为0.83，精炼炉的功率因数从0.83补偿为0.93。所需的基波无功功率为：

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

2.3确定滤波器的参数

滤波支路电容器的额定电压受电力系统35kV母线电压、谐波电流引起的谐波残压、串联电抗器引起的电压升高、电容器两端电压波动引起的电压升高等诸多因素的影响。综合考虑上述影响滤波支路电容器额定电压的诸多因素，如表1所示，通过仿真计算得到每个滤波支路电容器的额定电压、安装容量和连接方式。滤波电抗器的参数如表2所示。滤波支路电阻器的参数如表3所示。总安装容量为10.02MVar

2.4检查滤波电容器过电压过电流

当滤波器运行时，滤波电容器不仅提供所需的基波电流，还吸收负载运行时产生的谐波电流。因此，滤波电容器的电流包括基波电流和谐波电流（谐波电流主要是滤波支路的谐波电流，但也包括非同次谐波电流）。当谐波电流通过滤波电容器时，基波电压和谐波电压将在滤波电容器的两端产生。为了确保整个滤波器的安全运行，我们需要检查每个滤波支路的电容器。电容器的过电流检查如表4所示。检查公式如下：

通过CHP程序计算模拟流入各滤波支路的基波电流和谐波电流，以及滤波支路两端的基波电压和谐波电压，从而计算各滤波支路的过流倍数和过压倍数。经计算，可以看出电容器的过流倍数小于额定电流的1.3倍；电容器的过压倍数小于额定电压的1.1倍，因此滤波器的所有滤波支路都可以安全长期运行。

3谐波滤波及无功补偿装置的应用

结合上述设计方案，模拟计算和分析了一台精炼炉的单独运行和两台同时运行。两种工作条件下的谐波计算结果实际测试如表5所示

如表5所示，当滤波器投入使用时，在负载生产过程中注入电力系统的谐波电流和母线谐波电压的含量可以满足国家标准[4]的要求，并且可以防止旁频谐波放大和电力系统并联谐振，从而达到处理谐波的目的。

4安科瑞APF有源滤波器产品选型

4.1产品特点

（1）DSP+FPGA控制模式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

（2）一机多能，既能补谐波，又能补无功，可对2～全额补偿或特定的次谐波进行51次谐波补偿；

（3）桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护等功能完善；

（4）模块化设计，体积小，安装方便，扩展方便；

（5）采用7英寸大屏幕彩色触摸屏，实现参数设置与控制，使用方便，操作维护方便；

（6）在输出端安装滤波装置，以减少高频纹波对电力系统的影响；

（7）多机并联，达到较高的电流输出水平；

（8）拥有独立的技术。

4.2型号

5安科瑞智能电容器产品选型

5.1产品概述

AZCAZCL系列智能电容器用于0.4kV、50Hz低压配电是新一代无功补偿设备，用于节约能源、减少线损、提高功率因数和电能质量。它由智能测控单元、晶闸管复合开关电路、线路保护单元、两个或一个单独的低压电力电容器组成。它可以代替自动无功补偿装置，由熔丝、复合开关或机械接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件连接在柜内和柜面。它具有体积小、功耗低、维护方便、使用寿命长、可靠性高的特点，适应了现代电网对无功补偿的更高要求。

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路径和切割状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动找到合适的投入点（切除点），实现过零切割，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

5.2型号

6结语

大型精炼炉的无功补偿和诺波滤波装置投入使用后，供电系统35kV母线上的功率因数得到了显著改善，对稳定电力系统运行起到了重要作用，提高变压器的负载能力，减少电力系统的网络损坏，减少电网误跳闸次数，提高电气设备的使用寿命，提高精炼炉的处理效率，节能降耗，改善各项经济技术指标，提高企业产品合格率，使企业能够完成各项生产任务。

参考文献

[1]刘志廉.谐波共振问题的探讨[R].重庆:中冶赛迪工程技术公司1988

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

[3]刘伟民,赵书亭,江山.谐波滤波及无功补偿装置在大型精炼炉的应用[J].低碳世界,2019,9(11):71-72.DOI:10.16844/j.cnki.cn10-1007/tk.2019.11.045.