钢铁企业的无功补偿与谐波治理
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【摘要】介绍了冶金企业用电设备的工艺特点，用电负荷无功、谐波对电网危害的防治措施和技术，以及主要抑制措施。
【关键词】冶金企业；无功；谐波；防治；效益
1. 概述
电力系统中大量的负荷是电感性的，因此我们将吸收感性无功功率的负荷称为“无功负荷”，而将吸收容性无功功率的设备称为“无功电源”。无功补偿就是吸收或供给适度可变的无功功率，以改善交流电力系统的供电质量。冶金设备具有容量大、大部分为感性负载、电流冲击大、起制动频繁、快速性、自动化程度高、工作连续性等特点，是用电的大户。用电设备大量使用直流电动机和变流器驱动、交流电动机变频调速驱动、变压器、电抗器、电力电子装置等非线性负载。
2. 常用的无功补偿的方法和作用
企业常用同步补偿机、同步电动机、同步发电机、并联电容器、静止无功补偿装置、静止无功发生器。通过无功补偿，可以提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。在电弧炉炼钢、轧机等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。
3. 谐波的产生及危害
（1）谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解得到的大于基波频率数倍的各次分量，通常也称为高次谐波。每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以分为偶次与奇次谐波，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
（2）谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，其中主要的谐波源是各种电力电子装置，如整流装置、交流调压装置。电压源型变频器的逆变部分使用的是快速电力电子半导体器件如IGBT，使得变频器从电网中吸取的是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成的非同期正弦波电流。
（3）造成电力系统的无功冲击、电压闪变、波形畸变及谐波危害的根源主要来自系统外部用电负荷，因此解决电力系统的无功补偿及谐波治理应首先从源头抓起，改善用电设备的自然功率因数和减小用电负荷的谐波是根本措施，同时采用人工补偿和滤波方法。
4. 无功补偿谐波治理方法
4.1设置并联电容器。
电容器大量用于电力系统的无功补偿和谐波滤波。其补偿方式有以下几种。
4.1.1就地无功补偿及滤波。
在低压负荷侧采用低压并联电容器串接电抗器对单台用电设备进行补偿。
4.1.2分散无功补偿及滤波。
对负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器串接电抗器，安装在各个低压电气室，可减少线路损耗和提高变压器的输出功率。
4.1.3集中无功补偿和滤波。
在总降变电所或功率因数较低、负荷较大的配电室的高压母线上集中安装高压电容器组串接电抗器，如图5中的C4、L4部分。目前大中型钢铁企业普遍采用这种方式。
4.2静止型动态无功补偿及谐波滤波器SVC（static var control）。
（1）静止无功补偿装置简称SVC（StaticVarCompensator）是指没有运动部件的无功补偿装置。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，近年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止型无功补偿装置的主导地位。因此SVC往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器（TCR），晶闸管投切电容器（TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC）或者晶闸管控制电抗器与固定电容器的混合装置（TCR+FC），晶闸管控制电抗器与机械投切电容器的混合装置（TCR+MSC）等。
（2）SVC的作用在于保持系统电压稳定，减少电压闪变；吸收动态无功功率，减小损耗；提高功率因数；吸收高次谐波，减少谐波公害；补偿三相负荷的不平衡特性；提高供电系统的动态和静态稳定性，保证供电质量。
4.3LC无源滤波器。
LC滤波器也是无源滤波器，是抑制滤波的一种传统、常用的方法。是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联使用。这种方法即可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。
4.4有源滤波器APF（active power filter）。
有源电力滤波器是一种新型动态无功补偿滤波装置，由自关断电力电子器件构成。与无源滤波器的最大区别在于，它向交流电网注入补偿电流，其幅值与负载注入电网的谐波电流的大小相等，相位差180°，以抵消负载所产生的谐波电流。它由静止功率变流器构成，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性，能有效地解决无源滤波器存在的缺点，是电力系统无功补偿谐波治理的发展方向。
5. 冶金企业的无功补偿及谐波滤波技术
钢铁企业的用电设备，按工艺大致可分为高炉、转炉或电弧炉、初轧、热带连轧、棒线材连轧、冷轧及有色金属电解等，普遍采用直流电动机晶闸管变流器供电或交流电动机变频调速，普遍存在无功冲击大，功率因数低，谐波含量大，电压波动和闪变，电力损耗大，吨钢耗大等问题。为此，普遍对用电设备应用多重化多相变流技术和设置无功补偿及谐波滤波器，对改善电网供电质量、节省电能、提高用电设备出力、降低吨钢耗起到了积极作用。轧机、电弧炉等冶金设备使电网电压发生波动和闪变，三相不平衡，电网功率因数低，线路损耗增加，谐波含量超标，已造成谐波公害，严重危害电力系统的安全运行和电气设备的安全经济运行。因此，解决好电力系统的无功补偿和谐波治理问题对于保证电力系统电能质量及安全运行、降低损耗、提高用电设备出力等具有重要意义。
5.1隔离干扰源，减少谐波侵入。
针对电控系统，我们采取了隔离的方法。所谓隔离干扰，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，便它们不发生电的联系。首先我们将变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立。在变频器的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。其次我们将电动机和变频器之间的电缆全部加穿钢管敷设。
5.2改造电力电子装置，减少谐波含量。
针对除尘风机等大力率用电设备进行了改造，增加辅助控制来减少或消除谐波，主要采用的技术方法有：
（1）在变频器交流输入侧设置交流电抗器，增大整流阻抗使整流重叠角增大，减小高次谐波。
（2）在整流桥和滤波电容之问串联直流电抗器进行滤波，提高功率凼素。
5.3安装电力滤波器，提高滤波性能。
为了降低变频器输出的高频电压强度或改善电磁兼容性能及电机的运行工况条件，净化电网，电力滤波器能有效地抑制谐波的传导干扰。滤波器一方面起到改善电网的平衡度，提高传动系统的性能，维护电机的使用周期，另一方面也保证了电机稳定运行，满足生产的要求。为了抑制谐波，可以选择在电源与变频器输入侧之间加装滤波器。通过仿真和实验数据，，它具有以下主要功能作用：
（1）增大输入阻抗来有效抑制高次谐波电流。
（2）减少电源浪涌对变频器的冲击。
（3）减少三相电源不对称对变频器的影响，提高输入电源的功率因数。
（4）降低进线电流的波形畸变率。也可以选择在变频器输出侧安装滤波器，它具有以下主要功能作用：降低变频器IGBT开关时的电压峰值及du/dt值；减少电缆容性充电电流，增加电缆的临界长度。
6. 结束语
企业已经清楚地认识谐波产生的原因与危害，正确掌握抑制谐波的方法，采取就可以将谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，严格抑制电网污染，提高电源质量。企业解决好电力系统的无功补偿和谐波治理问题对于保证电力系统电能质量及安全运行、降低损耗、提高用电设备出力等具有重要意义。