钢铁工业电能质量 高度分析

1. 钢铁工业电能质量 高度分析 李令冬 安徽大学教育部电能质量工程研究中心 2012年5月

2. 主题内容 引言 1 2 电能质量限值计算 2 2 3 4 变频轧机电能质量高度分析 4 交流电弧炉电能质量高度分析 4 5 配电网高级仿真技术 4 6 结论 4

3. 一、 引言 现代钢铁厂生产的规模化、现代化、高速化及分布式电源接入使其配电系统结构越来越复杂，运行越来越接近极限状态。电网中任一单元失控都可能使系统陷入生存危机状态，给钢铁生产造成重大损失。 本报告将对现代钢铁配电技术中的PQ限值计算、变频轧机的高次谐波放大、电弧炉的无功冲击和间谐波、含分布式电源配电网的高级仿真等重要问题进行高度分析，并给出了解决方案，供相关工程技术人员参考。

4. 二、电能质量限值计算 电能质量限值计算意义和存在问题 1 公用电网与电力用户连接点的电能质量限值 2 电力用户内部供电点的电能质量限值 3 低压电力设备电磁兼容限值 3 4 3

5. 二、电能质量限值计算 1.电能质量（PQ）限值计算的意义和存在问题 电能质量标准通过电能质量限值协调供电公司、电力用户和设备制造商三者之间的利益，使全社会电力成本最低。

6. 二、电能质量限值计算 1.电能质量（PQ）限值计算的意义和存在问题 目前，PQ限值计算中存在如下问题： （1）用公用电网PQ标准计算电力用户内部供电点的PQ限值，增加了电力 用户和电力设备制造商的PQ成本。 （2）混淆了供电质量和用电质量的区别，造成供用电合同责任条款错置。 （3）混淆了电压质量和电流质量的区别，造成PQ控制方案的错误。 （4）对接于同一公共供电点的电力用户等权分配电能质量限值，增加了全 社会的PQ成本。

7. 二、电能质量限值计算 2.公用电网与电力用户连接点的电能质量限值 PQ限值按以下标准计算： GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/T 24337-2009 电能质量 公用电网间谐波

8. 二、电能质量限值计算 3.电力用户内部供电点的电能质量限值 系统频率偏差、电压偏差、波动与闪变、三相不平衡度的限值参照以下标准计算： GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T15543-2008 电能质量 三相电压不平衡 谐波电压和谐波电流按照如下标准计算： GB/Z 17625.4-2000/IEC61000-3-6:1996（TR2） 电磁兼容 限值 中高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估

9. 二、电能质量限值计算 3.电力用户内部供电点的电能质量限值 要特别强调的几个问题： （1）对于电机负荷，供电终端电压偏差应控制在-3%~+2%之间； （2）对于电机负荷，供电终端负序电压应控制在1%以内； （3）对于电弧炉等专线供电的电热负荷，供电终端的电压波动与闪变指标可以 放宽为公用电网PQ标准限值的2倍左右。

10. 二、电能质量限值计算 4.低压电力设备电磁兼容限值 谐波电压和谐波电流按照如下标准计算： GB 17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001 电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A） GB/Z 17625.6-2003/IEC61000-3-4:1998（TR） 电磁兼容 限值 对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限值

11. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 摘要 1 测试分析 2 仿真与治理 3

12. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 1.摘要 （1）现代变频装置由于开关器件工作频率高，会出现50次～100次的高次谐波，几乎所有的大型轧钢都存在此类问题。 （2）轧钢厂10kV配电系统的配电电缆密度高，电缆电容会使50次～100次的高次谐波严重放大，严重影响系统的安全经济运行。 （3）设置高通滤波器可使谐振点移至非特征谐波处，并有效地滤除高次谐波。

13. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 2.测试分析——测试图 IN,h—负载（谐波源）向系统网络的h次谐波电流； IS,h— 系统负载（谐波源）流向系统电源的h次谐波电流； IL1,h—负载（谐波源）流向负载L1的h次谐波电流。 注：IS,h与IN,h同时测量；IS,h与IL1,h不是同时测量。

14. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 2.测试分析——频谱图 TCM酸轧机馈线测点电压电流波形与频谱

15. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 2.测试分析——频谱分析报表 TCM酸轧机馈线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）

16. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 2.测试分析——频谱图 10kV-HB段母线进线测点电压电流波形与频谱

17. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 2.测试分析——频谱分析报表 10kV-HB段母线进线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）

18. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 2.测试分析——频谱图 SAL电工钢馈线测点电压电流波形与频谱

19. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 2.测试分析——频谱分析报表 SAL电工钢馈线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）

20. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 3.仿真与治理——治理前谐波潮流仿真说明 A.电缆电容 10kV-HB段电缆电容基波电流为46.24A，酸轧机组电缆电容基波电流为9.48A，因此从TCM酸轧机馈线测点往系统网络看，系统网络电缆电容基波电流为36.76A。于是，在基波频率时，系统网络电缆工频电容为C1=6.752µf。 B 仿真条件 10kV各段母线独立运行，10kV-HB段母线运行短路容量为410MVA ，各供配电设备及用电设备正常工作，原3、5、7次滤波器投入运行。 C 仿真内容 输出KI,h—h 曲线，h=0～80,电缆电容是工作频率的函数，电缆电容随频率升高而减小，目前供应商还不能提供准确的函数关系，我们只是测量了电缆电容在3300Hz附近电缆电容C与基波时电缆电容C1的定量关系：C=0.55C1。对于本案例，电缆相电容为6.752×0.55=3.714µf，对于低频段，由于容抗远大于系统阻抗，对仿真结果几乎没有影响。

21. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 3.仿真与治理——治理前谐波潮流仿真结果

22. 三、变频轧机高次谐波问题高度分析 3.仿真与治理——治理方案 治理方案：在10kV-HB段母线上安装电容器组，每相电容4.92µf。

23. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 摘要 1 交流电弧炉功率运行曲线 2 2 交流电弧炉运行对电能质量的影响分析 3 SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析 4

24. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 1.摘要 交流电弧炉对电网电能质量影响评估和SVC功能评价是优化交流电弧炉供配电系统设计与运行的重要依据。以下以某钢厂150吨交流电弧炉为例，正确地绘制了交流电弧炉的功率（P-Q）运行曲线和供电效率（ηp-Q）曲线；系统地评估了交流电弧炉对电网电能质量的影响；全面地评价了SVC功能。

25. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 2.交流电弧炉功率运行曲线——交流电弧炉供配电系统单线图

26. ：电弧炉变压器二次侧电压； ：电弧炉33kV进线受端至电弧炉变压 器二次侧输出线末端的阻抗（为进线电缆阻抗、 串联电抗器阻抗和电弧炉变压器阻抗之和）与电源 阻抗之和； ：电弧炉短网阻抗； :电弧阻抗， 和 是电弧电流、短路电流的函数。 四、交流电弧炉电能质量高度分析 2.交流电弧炉功率运行曲线——功率计算等值电路 A点为功率检测点（电弧炉33kV进线受端）， B点为短路点（电弧炉变压器二次侧出线末端）。

27. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 2.交流电弧炉功率运行曲线——基本计算公式 短路电流： 电弧电流： 电弧炉功率： 电弧功率： 电弧炉供电效率：

28. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 2.交流电弧炉功率运行曲线（以某钢厂150吨EAF为例）

29. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 2.交流电弧炉功率运行曲线（以某钢厂150吨LF为例）

30. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析——电弧炉功率控制 （1）电弧炉功率允许工作范围 如上图中的粗框圈定的范围为电弧炉允许工作范围。电弧炉允许工作范围由六条曲线围成：最高电压视在功率曲线、最大允许工作电流、最高运行功率曲线、最低运行功率曲线、允许最大功率因数曲线、允许最小功率因数曲线。 （2）可控状态 对应电弧炉变压器二次侧运行电压的有功功率控制在P-Q运行曲线中允许工作范围内的操作状态。 （3）不可控状态 对应电弧炉变压器二次侧运行电压的有功功率不能控制在P-Q运行曲线中允许工作范围内的操作状态。

31. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析 最大有功冲击计算： 可控状态下最大有功冲击计算值和测量值比较表 最大无功冲击计算： 可控状态下最大无功冲击计算值和测量值比较表

32. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析 最大负序电流计算： 最大负序电流计算值和测量值比较表

33. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析 谐波电流计算： 不同公司采用的EAF谐波电流计算汇总表

34. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析 EAF间谐波分布柱状图：

35. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析 EAF间谐波特征分析： ① 间谐波电流主要分布在h=0.1～3.5范围内； ② h=0.1～1.5范围内的间谐波电流最大，特别是小于1的间谐波电流较大。小于1的间谐波电流会使变压器在高功率运行时出现深度饱和。 ③ h=1.5～2.5范围内的2次谐波电流和间谐波电流幅值比较均等，因此对2次单调谐滤波器，由于间谐波电流被放大而容易过载。而2阶C型高通滤波器，由于其高阻尼而不会出现过载问题，但滤波效果不会太好。 ④ 3次谐波附近的间谐波电流较大，但远小于3次谐波电流，且呈“△”状，系统中可以应用3次单调谐滤波器。

36. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析——SVC系统图

37. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析——改善效果对比 （1）减小了无功冲击 ： （2）减小了最大电压下降，但最大电压变动增大

38. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析——改善效果对比 （3）减小了电压闪变 ： （4）减小了电压偏差

39. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析——改善效果对比 （5）减小了负序电流和负序电压 ：

40. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析——改善效果对比 （6）减小了注入系统的谐波电流 ：

41. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析——经济性能 （1）提高了电弧炉的有功功率输入和供电效率，从而缩短了冶炼时间： （2）提高了33kV进线的功率因数 ： （3）SVC的损耗 ： 测试数据表明，SVC正常运行时，平均的有功功率损耗为1.16MW，

42. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析——TCR调节时间 定义：从EAF无功发生阶跃突变开始，到总馈线无功调整至最大无功冲击的5%时的时间为TCR的调节时间。

43. 四、交流电弧炉电能质量高度分析 4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析——SVC功能综合评价 （1）SVC对供配电系统电能质量改善效果 ： （2）SVC提高了电弧炉供配电系统运行的经济性 ① 提高了33kV总进线的功率因数，由小于0.75提高到1左右，减小了无功损耗； ②平均提高供电效率0.8%； ③ 提高了电弧炉的输入有功功率14%，可以缩短冶炼时间14%以上，减小了炉 体散热损耗，提高了劳动生产率。 （3）SVC性能 TCR无功调节时间小于15ms，SVC损耗为SVC容量的0.64%。

44. 五、配电网高级仿真技术 现代配电网电路模型 1 仿真内容 2 仿真流程 3 仿真应用 3 4 3

45. 五、配电网高级仿真技术 1. 现代配电网电路模型

46. 五、配电网高级仿真技术 1. 现代配电网电路模型

47. 五、配电网高级仿真技术 2. 仿真内容 电压波动仿真 高压传输线送端电压对受端电压的调整率； 高压传输线送端电压对中压母线电压的调整率； 高压传输线送端电压对低压母线电压的调整率。 基波功率潮流仿真 高压送端电压功率角；高压送端功率因数；高压传输线传输效率。 谐波潮流仿真 高压传输线受端对送端的谐波电压串联谐振系数； 高压传输线送端对中压负载的谐波电流并联谐振系数。

48. 五、配电网高级仿真技术 3. 仿真流程

49. 五、配电网高级仿真技术 4. 仿真应用 （以某钢厂配电系统为例） 电压波动仿真 110kV传输线送端电压对受端电压的调整率； 110kV传输线送端电压对10kV母线电压的调整率； 110kV传输线送端电压对0.4kV母线电压的调整率。 基波功率潮流仿真 110kV送端电压功率角； 110kV送端功率因数； 110kV传输线传输效率。 谐波潮流仿真 110kV传输线受端对送端的谐波电压串联谐振系数； 110kV传输线送端对10kV负载的谐波电流并联谐振系数。

50. 五、配电网高级仿真技术 4. 仿真应用——电压波动仿真 大容量的分布式电源接入电网，对电网而言，广义负荷功率为分布式 电源功率与负荷功率之和，由于分布式电源发电功率的快速随机波动性， 使广义负荷功率波动加大，从而引起负载端电压的稳定性。因此为了保证 电压稳定，需要对接入电网的分布式电源容量加以限制，并对接入电网的 广义负载的无功功率加以控制。 电压波动仿真分析可以为分布式电源容量限值的计算及广义负载的无 功功率控制提供依据和方法。