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1、1,钢铁工业电能质量高度分析,2,引言,1,主题内容,电能质量限值计算,2,2,2,变频轧机电能质量高度分析,4,4,交流电弧炉电能质量高度分析,3,4,4,配电网高级仿真技术,5,4,结论,6,3,一、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
2、算,电能质量限值计算意义和存在问题,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,3,1,低压电力设备电磁兼容限值,3,3,4,5,1.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。,二、电能质量限值计算,6,1.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
3、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。,二、电能质量限值计算,7,2.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：,二、电能质量限值计算,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,8,3.电力
4、用户内部供电点的电能质量限值,二、电能质量限值计算,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,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：,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,9,3.电力用户内部供电点的电能质量限值,二、电能质量限值计算,要特别强调的
5、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。,10,4.低压电力设备电磁兼容限值,二、电能质量限值计算,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
6、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,测试分析,2,仿真与治理,3,1,12,1.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。,三、变频轧机高次谐波问题高度分析,13,2.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
7、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。,三、变频轧机高次谐波问题高度分析,14,TCM酸轧机馈线测点电压电流波形与频谱,2.测试分析频谱图,三、变频轧机高次谐波问题高度分析,15,2.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）,三、变频轧机高次谐波问题高度分析,16,10kV-HB段母线进线测点电压电流波形与频谱,2.测试分析频谱图,三、变频轧机高次谐波问题高度分析,17,10kV-HB段母线进线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）,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,18,SAL电
8、工钢馈线测点电压电流波形与频谱,2.测试分析频谱图,三、变频轧机高次谐波问题高度分析,19,SAL电工钢馈线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）,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,20,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=6.752f。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
9、。C 仿真内容 输出KI,hh 曲线，h=080,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6.7520.55=3.714f，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。,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,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,治理方案：在10kV-HB段母线上安装电容器组，每相电容4.92f。,三、变频轧机高次
10、谐波问题高度分析,3.仿真与治理治理方案,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,交流电弧炉运行对电能质量的影响分析,2,3,SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析,4,24,1.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（p-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。,四、交流电弧炉电能质量高度分析,25,2.交流电弧炉功率运行曲线交流电弧炉供配电系统单线图,四、交流电弧炉
11、电能质量高度分析,26,2.交流电弧炉功率运行曲线功率计算等值电路,四、交流电弧炉电能质量高度分析,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）。,27,2.交流电弧炉功率运行曲线基本计算公式,四、交流电弧炉电能质量高度分析,短路电流：,电弧电流：,电弧炉功率：,电弧功率：,电弧炉供电效率：,28,2.交流电弧炉功率运行曲线（以某钢厂150吨EAF为例）,四、交流电弧炉电能质量高度分析,29,2.交流电弧炉功率运行曲线（以某钢厂150吨LF为例）,四、交流电弧炉电能质量高度分析,30,3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析电弧炉功率控制,四、交流电弧炉
12、电能质量高度分析,（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。,31,3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析,四、交流电弧炉电能质量高度分析,可控状态下最大有功冲击计算值和测量值比较表,最大有功冲击计
13、算：,可控状态下最大无功冲击计算值和测量值比较表,最大无功冲击计算：,32,3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析,四、交流电弧炉电能质量高度分析,最大负序电流计算值和测量值比较表,最大负序电流计算：,33,3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析,四、交流电弧炉电能质量高度分析,不同公司采用的EAF谐波电流计算汇总表,谐波电流计算：,34,3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析,四、交流电弧炉电能质量高度分析,EAF间谐波分布柱状图：,35,3.交流电弧炉运行对电能质量的影响分析,四、交流电弧炉电能质量高度分析,EAF间谐波特征分析：,间谐波电流主要分布在h=0.13.5范围内；h=0.11.
14、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。h=1.52.5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。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。,36,4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析SVC系统图,四、交流电弧炉电能质量高度分析,37,4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析改善效果对比,四、交流电弧炉电能质量高度分析,（1）减小了无
15、功冲击：,（2）减小了最大电压下降，但最大电压变动增大,38,4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析改善效果对比,四、交流电弧炉电能质量高度分析,（3）减小了电压闪变：,（4）减小了电压偏差,39,4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析改善效果对比,四、交流电弧炉电能质量高度分析,（5）减小了负序电流和负序电压：,40,4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析改善效果对比,四、交流电弧炉电能质量高度分析,（6）减小了注入系统的谐波电流：,41,4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析经济性能,四、交流电弧炉电能质量高度分析,（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：,
16、（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，,42,4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析TCR调节时间,四、交流电弧炉电能质量高度分析,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。,43,4.SVC对交流电弧炉电能质量的改善分析SVC功能综合评价,四、交流电弧炉电能质量高度分析,（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,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；平均提高供
17、电效率0.8%；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,仿真内容,2,仿真流程,3,1,仿真应用,3,3,4,45,1.现代配电网电路模型,五、配电网高级仿真技术,46,1.现代配电网电路模型,五、配电网高级仿真技术,47,2.仿真内容,五、配电网高级仿真技术,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
18、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。,48,3.仿真流程,五、配电网高级仿真技术,49,4.仿真应用,五、配电网高级仿真技术,（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
19、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,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。,4.仿真应用电压波动仿真,五、配电网高级仿真技术,51,110kV传输线送端电压对受端电压调整率（S=050MVA）,4.仿真应用电压波动仿真,五、配电网高级
20、仿真技术,52,110kV传输线送端电压对受端电压调整率（S=050MVA）,功率因数越高，受端电压受负载功率影响越小。当功率因数为+0.98（超前）时，负载相功率在050MVA范围内变化时，受端电压变化小于1%；当功率因数为-0.98时（逆流），受端电压变化范围大于2%。,4.仿真应用电压波动仿真,五、配电网高级仿真技术,53,110kV传输线送端电压对10kV I段母线电压调整率（，S=050MVA）,4.仿真应用电压波动仿真,五、配电网高级仿真技术,54,110kV传输线送端电压对10kV I段母线电压调整率（，S=050MVA）,功率因数越高，10kV I段电压稳定性受10kV I段母
21、线负载功率影响越小。当负载功率因数为1，则广义负载相功率在015MVA范围内变化时，10kV I段母线电压变化在2%以内。,4.仿真应用电压波动仿真,五、配电网高级仿真技术,55,110kV传输线送端电压对0.4kV I段电压母线电压调整率（S=050MVA）,4.仿真应用电压波动仿真,五、配电网高级仿真技术,56,110kV传输线送端电压对0.4kV I段电压母线电压调整率（S=050MVA）,功率因数越高，0.4kV I段母线电压稳定性受0.4kV I段母线负载功率影响越小。有功功率正向流动时，功率因数控制在+1，或有功功率逆向流动时，功率因数控制在0.98（滞后），则0.4kV母线电压变
22、化在2.5%以内。,4.仿真应用电压波动仿真,五、配电网高级仿真技术,57,负载功率波动越大，功率因数越低，电压波动越严重。对于同样的功率波动和功率因数，电压等级越低，电压波动越严重。,4.仿真应用电压波动仿真,五、配电网高级仿真技术,58,分布式电源接入电网，分布式电源输出功率的随机波动性使传输线所带的广义负载功率波动增大，影响电网潮流分布的合理性：即使传输线受端功率因数接近1且稳定，送端功率因数有时依然很低且波动较大；有时传输线传输效率低且波动较大；传输线送端电压功率角也随受端所带的广义负载波动而变化。以上问题需对分布式电源容量和负荷特性进行优化控制，使功率潮流分布合理。功率潮流仿真分析可
23、以为分布式电源并网系统的功率潮流优化控制提供依据和计算方法。,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,59,110kV传输线送端电压功率角,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,60,110kV传输线送端电压功率角,结论：无论功率因数多大，广义负载相功率在050MVA内变化时，110kV送端电压的功率角都在7以内，满足功率稳定传输条件。,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,61,110kV传输线送端功率因数,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,62,110kV传输线送端功率因数,负载功率因数为1时，且广义负载相功率大于10MW时
24、，送端功率因数大于0.95。否则，送端功率因数小于0.95。,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,63,110kV传输线效率,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,64,110kV传输线效率,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,65,110kV传输线效率,功率因数越大，传输线效率越高；当负载相功率小于1.33MVA时，无论有功是正向流动还是逆向流动，传输线效率都随着广义负载相功率的减小而迅速下降。,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,66,当传送功率在150MVA以内时，无论是否逆流，送端电压功率角都在以内。当传送功率在15
25、MVA150MVA以内，当受端功率因数在（滞后）时，送端功率因数均在（滞后）之间；当传送功率小于15MVA，受端功率因数在（滞后）时，送端功率因数随传送功率下降而迅速下降；当受端功率因数超前时，无论逆流与否，送端功率因数都很低。当功率由送端向受端传送或逆流时，若功率因数大于在以内，传送功率大于4MVA，有功传输效率在98%以上；当传送功率小于4MVA，无论功率因数多大或是否逆流，有功传输效率很低，且随着传输功率减小而迅速下降。,4.仿真应用基波功率潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,67,当高压传输线路较长，充电功率较大时，由于分布式电源输出功率波动性较大，致使广义负载功率波动较大，会引起高压传
26、输线受端对送端谐波电压的串联谐振放大和高压传输线送端谐波电流对中低压侧谐波电流的并联谐振放大，为了减小分布式电源产生的谐波电流对电网的干扰和背景谐波电压对负载的影响，需要对广义负载特性和传输线特性进行控制。谐波潮流仿真分析可以为控制广义负载特性和传输线特性提供依据。,4.仿真应用谐波潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,68,110kV传输线受端对送端谐波电压串联谐振仿真（以5次谐波电压为例）,广义负载功率因数超前补偿，5次谐波电压在110kV受端放大严重。,4.仿真应用谐波潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,69,110kV传输线送端对10kV I段负载谐波电流并联谐波仿真（以5次谐波电流为例）,
27、10kV I段母线广义负载功率因数超前补偿，5次谐波电流在110kV送端放大严重。,4.仿真应用谐波潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,70,在大规模分布式电源并网系统中，各电压等级线路的功率因数应在0.950.98之间，决不允许无功过补偿，无功过补偿将会引起谐波电流的并联谐振和谐波电压的串联谐振。,4.仿真应用谐波潮流仿真,五、配电网高级仿真技术,71,提高受端广义负载的最小容量是提高输电线路运行经济性能（提高输电线路效率和送端功率因数）的根本方法。背景谐波电压的串联谐振和负载谐波电流的并联谐振与系统网络阻抗参数关系较大，与分布式电源并网容量关系较小，广义负载功率因数超前补偿将使谐波问题更加严
28、重。提高并稳定分布式电源并网点负载功率因数是减小电网电压波动，提高电网电压稳定性的根本方法。,4.仿真应用仿真结论,五、配电网高级仿真技术,72,六、结论,本报告对现代钢铁配电系统比较突出的一些PQ问题，结合实际案例进行了分析研究，主要结论如下：（1）钢铁厂与公用电网连接点的PQ限值按照公用电网的PQ标准计算，钢铁厂内部PQ限值参照电磁兼容标准和公用电网PQ标准计算。（2）变频轧机产生的50次100次的高次谐波及配电电缆电容对其的放大已严重影响钢铁厂的安全经济运行，应予以充分重视。（3）交流电弧炉最突出的电能质量问题是无功冲击、负序电流、谐波与间谐波等问题。其中最值得关注的是通过有功控制减小无功冲击1/3左右。（4）分布式电源接入现代钢铁配电网加大了峰谷差，使其运行更加复杂。配电网高级运行仿真的结果告诉我们：现代钢铁配电网对无功控制要求更高，同时对有功控制提出了新的要求。,73,谢 谢!,
