用于谐波补偿和抑制的电弧炉系统的模型和仿真.doc

本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 题 目 用于谐波补偿和抑制的电弧炉系统 的模型和仿真 学生姓名 学 号 专业班级 电气工程及其自动化 班 指导教师 中国石油大学 华东 本科毕业设计 论文 用于谐波补偿和抑制的电弧炉系统的模型和仿真 摘 要 电弧炉作为重要的钢铁冶炼设备之一 直接影响着钢材产品的质量 在能源短缺 资源匮乏的今天 国家大力提倡节能减排 电弧炉的节能与降耗不得不引起社会各界 广泛的重视 而无功补偿和谐波抑制是电弧炉节能降排的有效措施之一 在此之前要 进行交流电弧炉电气运行特性的研究 所以 本文首先建立电弧炉电阻模型 然后再 通过模块将其加到系统的模型中整体仿真运行 经过谐波分析 得出仿真结果和生产 实测结果相近的结论 在此基础上 再以电弧炉系统的谐波畸变率为设计依据 设计 滤波装置和静止无功补偿 SVC 装置 以有效地抑制谐波 改善电网电能质量 最后 验证该方案的合理性 关键词关键词 建模 电弧炉 谐波分析 滤波 无功补偿 中国石油大学 华东 本科毕业设计 论文 The model and Simulation of arc furnace system for harmonic compensation and suppression Abstract As one of the important steel smelting equipment electric arc furnace affects the quality of steel products directly Today the energy shortage lack of resources the national advocate energy saving and emission reduction energy saving and reduction of consumption of electric arc furnace causes the widespread attention of public However reactive power compensation and harmonic suppression is one of the effective measures to energy saving and emission reduction of electric arc furnace Prior to this we should study electrical operation characteristics of AC arc furnace Then apply it to the system model through the module for the whole system simulation through the harmonic analysis come to conclusion that the simulation results are similar to measured results On the basis of it according to total harmonic distortion rate of arc furnace system design the filter device and staic var compensation SVC device to suppress the harmonic wave and improve power quality effectively Finally verify the rationality of this scheme Keywords modeling electric arc furnace harmonic analysis filter SVC 中国石油大学 华东 本科毕业设计 论文 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电弧炉的工作原理 1 1 1 1 基本原理 1 1 1 2 炼钢过程简介 1 1 1 3 电弧炉引起的谐波畸变 2 1 2 谐波问题的提出 3 1 2 1 电网高次谐波的产生 3 1 2 2 谐波对电力系统的各种影响 3 1 3 本文的主要工作 6 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 7 2 1 电弧炉模型的建立 7 2 1 1 建模的假设前提 7 2 1 2 交流电弧模型的建立 7 2 1 3 模型参数的估算 8 2 2 电弧炉模型的仿真 11 2 2 1 电弧炉模型的搭建 11 2 2 2 电弧炉模型仿真结果 11 2 3 电弧炉系统的模拟仿真 12 2 3 1 Matlab Simulink 的仿真环境介绍 12 2 3 2 电弧炉电气系统模型的仿真 12 2 3 3 仿真结果分析 14 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 17 3 1 常用的滤波和补偿装置 17 3 1 1 静止无功补偿器 SVC 17 3 1 2 无源电力滤波器 PPF 18 3 1 3 电弧炉滤波器 18 3 2 电弧炉滤波器的设计 19 中国石油大学 华东 本科毕业设计 论文 3 2 1 滤波器的设计步骤 19 3 2 2 滤波效果分析 23 第 4 章 结 论 26 致 谢 27 参考文献 28 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 随着工业的不断发展 各个领域对钢材的需求量也日益增大 而电弧炉作为重要 的钢铁冶炼设备 它的对公用电网的影响和如何合理而有效地应用电弧炉也引起了人 们的关注和重视 电弧炉在接入电网后会向电网注入多种高次谐波 对公用电网造成 污染 因而要采取无功补偿和谐波抑制 1 1 电弧炉的工作原理 1 1 1 基本原理 炼钢的时候 电弧炉中产生大量的电弧 这些电弧所发出的热能将钢铁熔化 而 且 对已经发生熔化的铁液再加热 在其熔炼的过程中 若铁料熔清 只有当炉渣覆 盖在铁液表面后 才能继续提升温度 分配化学原料继续冶炼 1 1 2 炼钢过程简介 一般来说 电弧炉的机械部分主要由以下几块组成 炉体金属构件 电极夹持器及电极升降器 炉体倾动器 炉盖提升 旋转装置 电弧炉的构造比较复杂 如果将其简化 它的构成图如下 图 1 1 电弧炉的简化构成图 第 1 章 绪论 2 电弧炉的炼钢过程比较复杂 但是该过程的大概流程是清晰的 它的流程图如下 图 1 2 电弧炉炼钢工艺 1 1 3 电弧炉引起的谐波畸变 电弧炉在起弧时有一定的时间延迟 而且它本身作为一个负荷 具有高度的非线 性 这二者的共同影响导致了谐波的出现 在冶炼的时候 会受到多重因素的作用 弧长经常骤然变化 这便使电压变化也 具有一定的随机性 从而引发比较分散的谐波频率 这些谐波频率基本上散布在 0 1 30Hz 的区间内 尤其在熔解的时候 由于熔渣的持续运动及电弧与电弧间彼此共 同作用的洛伦兹力 会加剧这一现象 而在精炼的时候 虽然电弧的特性比较理想 有些电弧的长度却仍旧有变化 这 些长度的变化由已熔解的金属表层上的波动所导致 由于在炼制的时候 电弧炉的三相电极不能同时接触到炉料 再加上电弧炉本身 的非线性 这些都导致电弧炉一旦被并联进电网 就会对电网和其他负荷产生许多不 太好的影响 包括 发出许多的高次谐波 这里面充斥着所占比例较高的 2 3 4 5 7 次分量 它 们使电压的畸变更复杂 平均畸变率在 8 20 之间 最大时甚至可达到 45 大家都知道 在一个电网中 如果电压变化了 所有并在该电网的用电设备都会 受到 连累 所以 我们可以说 电弧炉会对电网造成环境污染 为了净化电网的公 共环境 很有必要采取一定的技术措施和手段 第 1 章 绪论 3 1 2 谐波问题的提出 1 2 1 电网高次谐波的产生 伴随着交流电的产生 电力系统的电流 电压畸变这一现象就应运而生 如何将 电压和电流的畸变率限制在一个可以为用户和供电方接受的范围一直是电力工作者们 关心的一个难题 而伴随着工业的不断发展 伴随着各种电气控制和电力系统控制的 需要 各种高度非线性设备的额定容量和数量也与日俱增 这引起了社会各界 特别 是电力工作者对这一问题的足够重视 谐波 这个术语最早出现于声学的著作中 那时 它用来描述声学中出现的各种 现象 类似的 针对电气信号 谐波被人们定义为一个频率是实际系统频率 即发电机 发电时产生的电压或电流的频率 的整数倍的信号量 1 产生的谐波不仅影响整个电气运行的环境 而且极有可能影响到距离谐波源较远 的地方 所以 就像许多其他形式的污染一样 电力系统的谐波必须得到有效的预防 和治理 否则 它的影响是很恶劣的 而且是不可估计的 在电力系统谐波最严重时 产生的后果可能是由于大量的感应谐波所引发的电话 通信的劣化 而重要的控制装置和保护设备引发的系统误动作 一些电力设备的过载 状态虽然出现的频率不高 但这些情况却常常带来更加灾难性的影响 因为它们的波 形污染往往是在已付出惨重代价的事故 例如无功补偿装置的损坏 之后才被世人发 现 电力系统中发电机 线路和变压器 旋转电机并不会引起电网中原有电压发生畸 变 因为在正常稳态运行时 它们本身不会产生大量的谐波电流 但是 它们在存在 暂态扰动的情况和在它们正常运行状态范围以外时 将产生大量的谐波分量 电网里面含有许多的谐波源 它们可被划分成两大不同的 阵营 1 含有半导体非线性元件的各种装置 如各种整流器 交 直流变换器 变流装 置等 2 含有铁磁性元件及产生电弧的各种装置 如炼钢用的电弧炉 电气焊设备等 1 2 2 谐波对电力系统的各种影响 1 概述 谐波电流和电压会致使电力系统内部严重的破坏 它们主要 1 降低发电厂发电 变电所变电 输电线路输电和广泛用户用电的效率 第 1 章 绪论 4 2 使各种电气设备的绝缘层绝缘性能降低 加速其老化 减短其寿命 3 引起串联谐振或者并联谐振 引发原有的谐波含量被大幅度地增强 4 极有可能使得继电保护设备产生误动作 从而引发严重的事故 包括设备损 毁和人员伤害 2 谐振 在设计无功补偿电容器时 倘若无功补偿量取的不合适 则可能引发系统中局部 电流发生谐振 这些谐振反过来又会引起过电流 使得无功补偿电容器毁损 3 谐波对旋转电机的影响 1 谐波损耗 对交流旋转电机的作用最恶劣的是高次分量产生的额外损耗 这个额外的损耗存 在于电机的定子铁芯 定子绕组 转子铁芯和转子回路中 由于交流中存在涡流现象 和肌肤效应 交流电机定子及转子导体中的这些附加损耗还要比由直流电阻引发的损 耗大一些 谐波电流流经旋转电机的定子和转子端部绕组时 会在其中建立一个漏磁场 故 电能转化成了磁场能储存在其中 这会增加一部分额外的损耗 在某些情况下 例如在具有斜槽转子的感应电机中 变化的定子磁通和转子磁通 是会产生高频分量 从而引发铁损 2 谐波转矩 谐波电流流经交流电机的定子时 会在其中产生正谐波滑差 即感应电动机作用 此时 在谐波磁场速度的方向上将产生一个轴转矩 所有的正序谐波会对电机旋转轴 的旋转产生促进作用 对应地 负序谐波会产生相反的作用 尽管 在一定的时间周期内 谐波对电机的平均转矩影响极其的小 但谐波在电 机中会产生较大的转矩脉冲这一事实不容置疑 较大的转矩脉冲引起的机械振动会加 速电机的老化 导致电机产生不必要的故障 4 谐波对静止电力设备的影响 1 输电系统 谐波电流一旦流入电网 不仅会增加电流波形的有效值 从而引发附加的输电损 耗 而且谐波电流会使得各个支路中的电阻 电抗发生一定的谐波电压降落 除此之外 在输电的过程中 流经电缆的谐波电压各次分量加强了电缆中的电场 强度 各次谐波含量的大小与其电压的幅值成正比 电缆中的电场强度一旦被增强 第 1 章 绪论 5 电缆的寿命也将被大大缩短 伴随于此的往往还有事故次数的增加和修理费用的剧增 2 变压器 变压器中存在谐波电压 则其磁滞损耗以及涡流损耗会增加 鉴于滤波装置都是 被安装在系统中的交流部分 它不会对整流型变压器产生滤波的效果 所以各次谐波 电压 谐波电流对整流变压器的影响在所难免 谐波会在整流变压器中产生额外的容 量 也会使整流变压器发热 其热点无规律可循 增加了其发生故障的几率 当电力变压器的绕组采用三角形接法时 零序电流的三次谐波分量会在绕组中产 生环流 这些新产生的环流无疑会增加绕组电流 最终使其超过正常工作的额定值 缩短变压器的寿命 引起故障的增多 这一影响是电力工作者在设计电力变压器时应 该特别关心的 也是应该有所考虑的 当变压器二次侧带有非对称性质的负荷时 变压器的磁通路会因为非对称负荷的 电流中可能包含直流分量而发生饱和 而磁路饱和的直接影响就是会使交流的励磁电 流中谐波分量被大大增加 这一点也是不容忽视的 3 电容器组 畸变的电压在流经电容器时 会使电容器的损耗额外增加 电容器组在被并入电 网中工作时 实际流过它们的总无功功率 包括基波 谐波在内的无功功率 不允许 大于其额定的无功功率 电容器在正常工作时就常常会产生的大量热量 而一旦它与电力系统的其它支路 之间发生串联谐振或者并联谐振 则会导致电压和电流骤然增加 伴随着的是产生的 热量骤然增高 这些热量又促使温度骤然升高 当电容器的温度超过其所能耐受的温 度后 则极为可能发生损毁现象 5 谐波破坏系统中各种保护的正常工作 在绝大多数情况下 当系统中的谐波处于小于 20 的水平时 继电器的动作特性 并不会发生大的变化 而且不对其正常工作造成威胁 经过大量的试验及研究表明 于大多数不同类型的继电器而言 其动作受到低于 20 的谐波畸变影响并不明显 但 是近年来 随着大型的电力换流器的大量投入使用 继电器工作的可靠性已经受到了 一定的冲击 必须研制更加精密的保护动作装置 以适应工业社会的需求 由于目前绝大多数继电器的保护功能还是是按照基波电压和电流项的影响来设计 的 若在故障波形中有任何形式的谐波 都会被滤除 或者忽略不计 特别是当机电 第 1 章 绪论 6 式继电器被用作过电流保护投入电网时 由于机电式继电器的机械结构决定了它的大 惯性 所以它们对高次的谐波灵敏度显得尤其的低 鉴于这一原理 谐波的大量存在是一定会影响保护装置的动作的 它会使得继电 器的灵敏性 选择性 速动性发生不同程度的改变 引起误动和拒动现象 距离继电器首先对电网线路中的基波阻抗进行测量 以此为依据 而后才考虑是 否动作 谐波频率的出现 给距离继电器的测量带来了重要的影响 特别是线路中存 在故障时 产生的谐波电流 尤其是 3 次谐波 会导致距离继电器发生相当大的误差 当故障电流流经高电阻率的大地时 此时大地阻抗占据故障电流回路的主要部分 这种情况下 常出现高次谐波量 继电器发生误动作的可能性大大增加 6 谐波对广大用户的电器产生不利影响 荧光灯 汞弧灯 在带有电容器的部分镇流器中 如果带电后含有的谐波分量的 频率与电容器及镇流器和它们所在回路的电感的固有谐振频率相等 则会引起荧光灯 和汞弧灯发热过量 引起损坏 1 计算机 计算机可以接受一定的谐波畸变 这些供设计者都有所考虑 但也 有一定的极限值 要求供电的电能质量必须满足一定的要求 其谐波畸变率必须小于 一定的限值 否则 计算机在通电后 它的数据处理系统供电回路可能会崩溃 引起 误差和故障 甚至损毁 2 电视 电视的图像大小和其亮度强弱受到电压峰值的谐波影响 谐波含量过 多 势必影响到观众的视觉和听觉体验 1 3 本文的主要工作 本文主要研究了电弧炉系统的模型和仿真 并采取谐波补偿和抑制的措施 首先 查找相关文献 根据文献中所提供的模型公式 建立电弧炉电阻的数学模型 再用 matlab 编写电弧时变电阻模型 仿真得出一个周期内的电弧电阻变化曲线 然后把该 电阻模型放入 Subsystems 里面 添加 3 个 Subsystems 代表三相电弧 把它们融入整个 系统中 使得整个系统默认这个时变电阻 最后再整体仿真运行 可以分别得到电弧 炉的电流波形和电压波形 根据得到电弧炉的电流 电压波形 通过用傅里叶模块分 析 得出电流电压的各次谐波含量 最后以电弧炉系统的谐波畸变率为设计依据 设 计滤波装置和静止无功补偿 SVC 装置 期望达到有效地抑制谐波 改善电网电能 第 1 章 绪论 7 质量的目的 并且验证该方案是否合理 2 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 8 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 2 1 电弧炉模型的建立 由于多种确定的 不确定的因素的影响 电弧的特性是相当复杂的 欲得出具有 普遍意义的电弧模型是很有难度的 但仅就电弧炉系统的电气分析来说 我们想研究 的也只是电弧炉这种时变非线性负荷对电力系统的种种影响 所以 不需考虑一切的 非电气的因素 只要找出一种外特性与电弧炉的外特性相仿的元件 就可以用这种元 件在宏观上反映电弧炉对电力系统的影响 2 1 1 建模的假设前提 1 弧径不变假设 由文献所提供的资料可知 三相交流电弧炉弧径的波动很小 在工程上可视为无 变化 不计其影响 所以 我们暂且假设弧柱和半径都不随 t 变化 2 弧柱 T 均匀分布假设 于稳定的电弧而言 如果考虑到辐射的影响 电弧的能量守恒方程可写作公式 2 1 2 1 2 1 0 tr ddT Ee r drdr 这里暂且认为弧柱的温度一样 T 3 准中性假设 在电磁场的研究中 若所研究的区域的长度 l 波长 则该磁场可认为是近似稳 定的 3 交流电弧的频率 f 为 50Hz 而弧柱的长度 L 远小于其波长 满足稳定电磁 场的条件 所以 完全可以假设交流电弧依旧满足 准中性 即 E 只随时间 t 变化 而 不随空间 x 变化 2 1 2 交流电弧模型的建立 看图 2 1 知 温度 T 在 上下的范围游走 这种趋势如图 2 1 所示 0i TT 图 2 1 电弧电流 i 与温度 T 的关系 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 9 所以 可以写出电弧温度 T 的表达式 2 2 10 0 1 cos 2 2 TT TTtD 式中 弧柱的 1 T max T 弧柱的 0 T min T 激励源的角频率 电弧 i 滞后于激励源的角度值 若假设激励源为 0 的正弦型电压源 则电弧炉电阻模型 R t 可以写为 0 2 3 0 10 21 cos 2 TTTtD R tCLe 这里面 A 体现了对 R t 的作用 0 T B 体现了对 R t 的作用 T C 体现了弧柱气体热惯性的作用 D 的影响使得滞后在电弧电流 i 0 之后的某处 4 max R t 2 1 3 模型参数的估算 在交流电弧炉整个的供电系统里 电源 短网变压器 线路电阻 R 线路电抗 X 电弧炉变压器等相关的电参数都很容易确定 因为它们拥有一套较为成熟和精确的 工程算法 或是很容易通过其铭牌上的其它参数算出或工程测量得出 所以 电弧炉 电气部分研究的关键之一是如何确定电弧炉电阻 R t 中的各个参数 由于需要大量的 现场实测数据为技术支持 才能准确地确定出电弧模型 R t 中的各个参数 但是限于 测试手段的不允许和基本资料的不全 暂时还不可能准确地确定出电弧炉模型 R t 中的所有参数 故只能以一种工程近似的角度来大概的计算出 R t 中的每个相关量 1 估算 一般地 电弧炉内的电弧是在一个大气压的大背景下于在空气中燃烧的 所以 我们把空气在一个大气压下的当成逼近的条件 我们取 T 18000 TkT 根据式 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 10 2 4 1 2 1 n Kk k n k k y Tx T x T 算出 2 估算 10 T T A 的估算 0 T 在 6000TK 的时候 电导率 已经趋近于零 鉴于我们把电弧弧柱的范围认定为 处在等离子区的范围 所以 就当作 6000TK 在物理学中 存在一种把7000K当 成弧柱边界的定义弧柱 R 的方法 所以 于稳定状态时 而且在 7000TK 的条件下 近似当成是没有电流 i 流经电弧弧柱 于交流电弧而言 电弧电流 i 到达零点之后的某 段时间 t 内 弧柱内电流 i 趋近于零 它此时的温度 T 大幅度地降落 所以 我们可以 认为 由于电弧电流零休效应的作用 弧柱的温度 T 可以下降至7000K上下 由于在 现实的仿真过程中不得不受 PC 机仿真运算速度所牵制 0 T 基本上波动于 70008000KK 左右的水平 B 的估算 1 T 文献 4 提供给我们平均电导与电流 i 的图表关系 如图 2 2 所示 图 2 2 和 I 的对应关系 依据图 2 2 采取图解法 可计算出当时 所以 4000IA 11 70mcm 可以采用电炉变压器的值作为粗略计算 譬如 已知电炉变压器的 1 16340TK I 2N I 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 11 6000A 时 由 2N I 2 5 1 1 1 11 ln 2 T I TI 求出 当 12000A 时 1 18149TK 2N I 1 22387TK 3 的估算 D 在电弧炉电阻模型的参数中 表示因为热惯性而使得弧柱温度 T 的改变滞后于D 电弧电流 i 的角度 当电流较小时 的区值范围在的区间 但是流过电D2030 弧炉的电流 i 相当地大 弧柱温度 T 很高 电离的程度相当完全 所以的取值宜小 D 些 在大量的上机运算的基础上 我们不难得出宜取在左右较准确的结D1015 论 4 的确定 CL 令 采取如下步骤计算 己知短网的各个参数和电弧炉的平均功率因 0 CCL 0 C 数 0 8 可以算出一个等效电阻 Rcos 2 6 2 2 cos Rr RrL 式 2 6 式中 L是已经去耦合化简后的单相等值电感 一相等值电感 r为短网和电弧炉变压器的单相等值电阻 通过以上公式不难解出 RLctgr 令 0 1 T RR t dt T 如此一来 即为电弧电阻的平均值R 2 7 0 1 cos 2 0 11 T A BtD LctgrCdt Te 由于上面的公式没有解析解 所以只能采取估算的方法 不妨把周期等分成 N T 份 一般取 N 60 所以 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 12 2 8 0 1 cos 2 1 1 N A BtD i NLctgr C e 最终计算得出 0 C 4 1 8 10 2 2 电弧炉模型的仿真 2 2 1 电弧炉模型的搭建 图 2 3 电弧炉模型图 2 2 2 电弧炉模型仿真结果 图 2 4 电弧炉模型电阻 R 的仿真图 电弧炉电阻 R 的仿真图中反应的量和现场测量的量是相符的 所以 可以确定这 个电弧炉电阻的可靠性和使用价值 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 13 2 3 电弧炉系统的模拟仿真 在 2 1 电弧炉模型的建立的基础上 在确定了该模型是可以采取的之后 就可以将 该时变非线性电阻封装成一个子系统 加入供电系统的大模拟环境中进行我们所关心 的一些电气方面的研究 比如谐波和后续的无功补偿的研究 2 3 1 Matlab Simulink 的仿真环境介绍 本节运用 Matlab Simulink 环境中的 Simpowersystem 模块来构成电弧炉电气系统的 仿真模型 该模型中 各部分元器件的取值与实际情况中各对应部分的参数一致 除 了标有 标幺值 要求的极个别参数 以有效地仿真电弧炉实际的各个电气特性 在 Simulink 中 操作十分方便 快捷 无需编写反映模型和供电环境繁杂的程序 仅仅将要用到的各个电气部件从库中拖出 拖至新建的 MODEL 中 正确连接 设置 必要的仿真参数 点击 START 即可进行仿真 还可用许多专用的分析模块 譬如我们 要用的 SimPowerSystems 分析模块 对仿真模型进行分析 2 3 2 电弧炉电气系统模型的仿真 电弧炉的实际供电系统的简化图如图 2 5 5 所示 110kv 的电源电压经过降压变压 器转换成 10KV 然后又由一段架空线联入炼钢厂 钢厂内的主要负荷仅为电弧炉 其 余负荷的容量与电弧炉相比很小 所以 为了简化和明确我们所要研究的问题 我们 可以不计其它小负载的作用 仅仅考虑电弧炉对电网的作用 可知 在系统短路容量最大的时候 X 0 0285 在系统短路容量最小的时候 X 0 0352 架空线 约 3km 铝线 LJ95 电阻 r 1 25 电抗 X 3 829 电缆 电缆的长度在 10 千米左右 根据电力系统分析的一般方法 我们可知 6 10KV 电压水平的三芯电缆的电抗值 X 0 8 km 故 X 0 8 升压变压器 rF 0 002 XF 0 0061 电弧炉变压器 rF 0 00061 XF 0 00711 电弧 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 14 之前我们已经确定了电弧炉模型参数 鉴于是 3 吨的电弧炉 本文取 To 8000K T1 17000K D B 1 9rad cos 0 8 C 8 736x10 4 图 2 5 电弧炉供电系统示意图 本文在 Simulink 中连接的整体的 电弧炉供电系统的模型结构 就是像图 2 6 展 现的一样 图 2 6 整体的电弧炉供电系统模型结构 上图中 3 个 subsystem 子系统模块分别模拟了现实情况中的三相电弧 每一相电 弧的仿真模块如图 2 7 所示 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 15 图 2 7 交流电弧时变电阻模型仿真图 2 3 3 仿真结果分析 电弧炉 单相 模型电流 i 的波形如图 2 8 所示 图2 8 电弧炉电流仿真波形 电弧炉的电压波形 就像图 2 9 展示的一样 图2 9 电弧炉电压波形 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 16 电弧炉电流i的FFT谐波分析 如图2 10所示 图2 10 电弧炉电流FFT谐波分析结果 电弧炉变压器一次侧的单相电流 i 的波形 如图 2 11 所示 图2 11 电弧炉变压器一次侧单相电流波形 电弧炉变压器一次侧的单相电流 i 的 FFT 分析 如图 2 12 所示 第 2 章 电弧炉的建模与系统仿真 17 图2 12 电弧炉变压器一次侧单相电流FFT分析 由图 2 9 可知 电弧炉电流所含的 3 5 7 9 次谐波分量较多 这会导致电网电 压的畸变 由图 2 11 可知 电弧炉变压器一次侧也受到谐波的恶劣作用 电流的多种分量中 2 3 4 5 7 次谐波比较明显 根据 93 年新修订的国家标准 母线处 3 次电流含量已经超过了国家标准 仿真波 形的 FFT 分析和实测的结果一致 这说明仿真模型还是很给力的 可以用它来进一步 地探寻和讨论电弧炉并在电网后引发的各种后果 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 18 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 随着工业经济的快速化发展 大量的非线性负荷涌入电网 这就造成了公用电网 的环境受到污染 日益增高的谐波畸变率已经严重地影响到了电网的电能质量 为了 维护电网的公共环境 国家颁布了 电能质量 公用电网谐波 GT T14549 标准 自此 以来 各部门 各地区拥有了统一的法则 必须遵守 这也为公用电网的谐波管理提 供了依据 为了使公用电网的电能质量得到保证 防止超标的谐波分量对供 用电双 方的电气装置产生危害 必须预先评估即将接入的非线性负荷 若其注入的谐波电流 已经超过了国家标准 同时校核系统谐振的条件 则需采用滤波及无功补偿等调控方 案 从第二章的波形和 FFT 波形分析可知 电弧炉谐波含量已经超出了国家标准 这 将会对电网和设备造成不利影响 因此必须对电弧炉系统进行谐波抑制 3 1 常用的滤波和补偿装置 3 1 1 静止无功补偿器 SVC 在输电系统的正常运行方式条件下 或者最小运行方式条件下 静止无功补偿器 SVC 的投入使用 可以有效地改善电压控制稳定性和系统稳定性 在配电系统中 静止无功补偿器的投入使用 可以有效地控制电压波动 闪变及提高功率因数 除此 之外 静止无功补偿器也常被应用在给电弧炉供电的场合中 绝大多数的静止无功补偿器 SVC 运用晶闸管控制电抗器 以此来起到连续地 控制无功补偿量的目的 SVC 运行时 会有谐波电流流经由晶闸管所控制的电抗器 这是因为晶闸管时刻控制着电抗器 并不允许它全周期导通 如果晶闸管的导通角发 生了变化 谐波电流的幅值大小也会随之变化 对单独的 TCR 来说 流经它的谐波成 分包含所有的奇次谐波 对平衡的 三相结构的 TCR 来说 奇次谐波的 3n n 为整数 次分量可被有效地消除 在 TCR 处并联谐波滤波器是较为常用的方案 这些滤波器由调谐式电容器组连接 而成 可将 TCR 所产生的谐波有效地消除 加装谐波滤波器时 应相应地增加滤波器 组的容量 因为 TCR 本身也产生了一定的谐波 这部分谐波不容忽视 在输电系统中 常常采用 5 次 7 次的调谐滤波器 以及高通滤波器 在连接电弧 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 19 炉等非线性负荷的配电系统中 常常采用带电阻的 3 次谐波滤波器 以此来有效抑制 电弧炉在运行时谐波的放大 将 SVC 如此设计的其中一个重要作用是 可以保证这些 滤波器在 TCR 运行时也能稳定投用 3 1 2 无源电力滤波器 PPF 当在已经改变了电容器组的结构 使用了谐波预防等措施 仍旧不能使得某处的 谐波畸变得到有效地控制时 我们可以采用将并联型无源滤波器装设在配电系统客户 侧的方案 一般地 系统中哪里谐波电流注入情况最严重 就在那里并联装设无源滤 波器效果最明显 无源滤波器主要被用来滤除较低次的谐波分量 在服务于工业 商 业负荷的供电系统中 5 次谐波是最主要的谐波分量 在住宅供电系统中 3 次谐波 一般占主要地位 当供电系统中消耗了大量无功 需要无功补偿和电压调整时 采用无源滤波器再 合适不过了 它一般由一个或多个调谐滤波器构成 每个调谐滤波器又都是由电阻 电容及电抗以其合适的参数组合后串接而成 它们调谐在某个特定的谐波频率 其中 单调谐 双调谐 低通型 高通型及 C 型滤波器是几种最常见的结构形式 滤波器可有效地滤去特定次的谐波 这是基于在理论上 处于调谐频率时的滤波 器支路阻抗很小 仅为其串联电阻值 电感 电抗发生了谐振 因此可将特定的谐波 分量旁路 引出系统 由于调谐电抗器的两端发生了电压叠加现象 它必须要适应这 一变化 因此 要求滤波电容器组要拥有较正常额定电压 Un 更高的耐压容量 这一点 与无功补偿电容器组不同 通常 在靠近产生谐波的负荷侧装设无源滤波器是最好的选择 若整个系统都充 斥着大大小小的谐波源 则滤波器装设在接近馈线末端的位置较好 这样可以减小整 个馈线中的谐波畸变程度 3 1 3 电弧炉滤波器 电弧炉是一个很大的时变非线性负荷 它在运行时 功率因数仅能达到 0 7 0 85 滞后 左右 为了提高其功率因数 需要有效的无功补偿 在这种情况下 通常运用滤波电容器组实现 滤波器组不仅可使电路中的功率因数得到提高 而且还 能滤去电弧炉产生的各次谐波 亦能滤去为抑制电压闪变而安装的静态无功补偿器 TCR 发出的谐波 总的效果是 不仅提高了功率因数 而且降低了电压 电流畸 变 只有掌握了电弧炉运行时发出谐波的数据资料 才能设计滤波器 在多数工程应 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 20 用中 根据主要谐波的数量 设计相应个数量的滤波器 针对性滤波 每个特定的滤 波器按照其对应次谐波电流的量值大小分配总的无功补偿量 各个滤波器调谐的频率 和需要的滤波器数量大都是根据设备运行的要求来设计的 3 2 电弧炉滤波器的设计 3 2 1 滤波器的设计步骤 1 滤波方案的选择 使用滤波器的目的即抑制各次谐波 补偿功率因数 首先 要保证投入滤波装置 后谐波电流 电压畸变应满足国家标准 其次 对各个满足技术要求的工程方案在安 装运行成本上多比较 多动脑筋 选择这里头最实惠的 运用无源滤波方式实现谐波治理是比较经济的选择 虽然它并不能进行动态跟踪 而且补偿特性受到电网阻抗的影响较大 但它具有结构简单 运行可靠的特点 是不 错的方案 无源滤波器有许多种 用的最多 最广泛的有 单调谐滤波器 双调谐滤波器 二阶高通滤波器 高通滤波器 它们都是由最基本的电气元件组成 形式各异 就像下图展示的一样 图 3 1 单调谐滤波器 优点 滤波作用显著 结构不繁杂 缺点 消耗的电能较多 不过 如果品质因数 Q 增高 损耗将减少 图 3 2 双调谐滤波器 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 21 Q 50 时 基波损耗降低 20 50 比较节能 图 3 3 二阶高通滤波器 优点 消耗的电能最少 最节能 缺点 结构复杂 运行成本高 图 3 4 高通滤波器 常用作抑制某次 及其以上次的谐波 常被用作电弧炉滤波的组合方案有如下两类 1 单调谐滤波器 2 5 组 2 单调谐滤波器 二阶宽频带滤波器 第一类组合虽然能损耗偏大 无法满意滤除高次谐波 但简单 可靠 在高次谐 波含量较低时 只要设计合理 能达到满意的滤波和补偿效果 第二类组合的特点是 对高次谐波滤波明显 设计起来也不难 它们各具优势 运用于不同的工程实际中 图 3 5 电弧炉变压器一次侧 Ih 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 22 通过 FFT 分析可知 电弧炉变压器一次侧的 2 3 次谐波电流比较严重 高次谐波 含量很少 不能达到 GB T14549 93 电能质量 公用电网谐波 标准 所以 综合考虑 最终选择仅用两组单调谐滤波器而不装设高通滤波器 2 参数确定 1 安装装置后 应该达到的效果 SVC 1 功率因数 注意不能补偿过了 cos0 95 2 流进电网的谐波电流 Ih 10kv 母线处的谐波电压 Uh 必须满足 GB T14549 93 中的技术规定 即电弧炉变压器一次侧 10kv 母线电压 Uh 的谐波百分比应小于表 3 1 所示的极限值 电弧炉变压器一次侧 10kv 母线处的电流总畸变率应该低于 5 6 i THD 表 3 1 10kv 母线谐波电压允许值 总畸变率奇次百分含量偶次百分含量 4 0 3 2 1 6 2 滤波器组的无功补偿总量的确定 C Q 依据基波无功补偿的技术指标 cos 必须补偿到 0 95 以上 且不能过补偿 根 据大量的生产测量数据知 电弧炉的功率因数在大约 0 8 上下的水平 根据资料数据知 3 吨的电弧炉的视在功率 S 为 0 09MVA 所以 可以使用电弧炉的有功功率与系数 L P 相乘 以此来计算电弧炉所需补偿的无功 L K L Q 系数是每千瓦负荷需要的补偿量 L K 0 42 11 tan cos0 80 tan cos0 95 L K 0 42 90000 0 8 30240 LLL QKP 对于 1800kVA 的电弧炉变压器 其负荷无功损耗为 ZT Q 350000 22 ZTTT QPQSX 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 23 其空载无功损耗为 WT Q 120000 0WTT QSI 可见 滤波器组的基波无功补偿总量不能超过 C Q 500240 CLZTWT QQQQ 3 无功功率的分配 通常 为了使得各次滤波器的 C 所承受的电压大致相等 多采用以下的公式 以 此来合理的分配无功补偿量 3 1 n c nc m In QQ Im 式中 是指滤波器组总共需要补偿的无功 c Q 是指次滤波器需要补偿的无功 7 c n Q n 带入数据 算出 var 3 100048 C Q 4 计算单调谐滤波器中 值 RCL 首先 根据各个滤波器分配的无功量求出电容 C C n Q 单调谐滤波器调谐在次谐波频率时 其中的电容 C 和电抗 L 的关系为 n n f 3 2 1 1 1 nL nC 鉴于系统的谐波电压会被限制在一个很小的数值内 即可忽略不计 则视为电弧 炉变压器一次侧电压仅仅含有基波分量 所以 滤波器中除了有次谐波电流 h U 1 Un 通过外 还有导致的一次电流分量流过 fn I 1 U 1 f I 3 3 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 f U n ICU n L C 则滤波器的补偿容量 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补偿 24 3 4 2 2 1 1 1 1 1 2 1 C nf n QQUICU n 可确定电容器的电容C 3 5 2 2 1 1 1 1 C n Q n C U 然后 可以根据谐振频率求出电感 n fL 3 6 2 1 1 L nC 设为滤波器的品质因数 则q 3 7 1 1 1 fnfnfn L nL C q RnCRR 工程实际中 一般取值 30 60 这里 我们折中 都取 45 8 q 不难计算出 R 的值为 3 8 1 fn nL R q 将数据带入公式 3 5 3 6 3 8 得出 6 3 2 8 10CF 3 0 4LH 3 8 38R 3 2 2 滤波效果分析 滤波前后电弧炉变压器一次侧 10kv 母线处的电流波形 如图 3 6 所示 第 3 章 交流电弧炉系统的滤波和无功补