摘  要：本文通过对铸造厂负荷供电情况进行现场调查分析，理论和仿真计算。结合实际供电系统的基本原理和电路模型，剖析电能质量特点，分析谐波电流和冲击性无功影响。同时指出基于南京钛能电气有限公司动态无功补偿和谐波抑制方案，提高了现场功率因数，抑制了谐波电流，稳定了系统电压，使得铸造产区电能质量得到了优化。
关键词：电能质量治理装置，冲击性无功，无功补偿，谐波
1、引言
某铸锻公司已有35kV变电站一座，用电设备总容量6115kW，主要用电设备是中频炉、精炼炉。35kV侧已有一套容量为1800kVar的无功补偿装置，用来补偿35kV中频炉所需的无功并滤除11次谐波；10kV用电设备总容量2500kW，主要用电设备是中频炉，已有一套容量为1200kVar的无功补偿装置，用来补偿10kV中频炉所需的无功并滤除11次谐波。由于生产扩建，需要增加1台电弧炉厂和1台精炼炉，以及厂用电部分扩容。由于新增用电负荷容量较大，原有的无功补偿装置不能够满足厂区用电扩容后的无功补偿需求，并且根据新增生产设备电气特点需要增加谐波电流治理装置。
通过对铸造厂区进行现场测试电能质量，结合实际供电系统建立电路模型仿真。分析出该造铸造厂区的电能质量问题主要表现为无功冲击大、变化快，并且厂区谐波电流超过国标允许值，提出了就地安装包含有谐波电流抑制和无偿冲击性无功的电能质量综合治理方案。本方案既能达到谐波抑制、稳定电压，改善功率因素的效果，又有助于减小企业用户电能质量改善项目的投资，具有很高的性价比。
2、系统概况
该铸锻厂区增容扩建项目以35kV电压等级接入，接入方案为：采用35kV电压等级，在现有35kV变电站基础上改扩建，新增一台35/10kV变压器，额定容量为6300kVA，同时10kV母线段新增两台10/0.4kV厂用变压器，额定容量均为1600kVA；35kV母线增加一台35/10kV变压器，额定容量为12500kVA，变压器10kV母线侧增加1台容量为9000kVA的电弧炉炉变和1台容量为4000kVA的精炼炉炉变。新增设备中电弧炉的冲击性无功负荷较大，电弧炉平均功率因数约为0.80。厂区新增生产设备投产后，电能质量治理装置对冲击性无功的快速补偿对稳定系统电压有重要的作用。铸锻厂区35kV变电站系统主接线如图1.所示。

图1：系统一次接线图
3、电能质量分析
3.1电能质量数据
3．1．1新增厂用电负荷电能质量数据
厂区35kV负荷及10kV负荷均已配置了相应容量的无功补偿及谐波治理设备。通过南京钛能电气TDM981智能电力测量与分析系统对铸造厂区现场35kV母线原有负荷进行电能质量数据测试，其测试结果表明现场无功补偿及谐波治理设备满足原有用电负荷的电能质量治理需求，功率因数达到0.91，各次谐波电流值符合国标要求。如图2所示为TDM981现场检测波形。

图2. 铸造厂35kV母线电流、电压波形和功率因数曲线
TDM981智能电力测量与分析系统为集成化的平台，模块化功能设计，具有电能质量智能分析仪、电力仪表、数字式示波器、功率分析仪、波形记录仪等功能模块。可用于电能质量分析与评估、电力参数监测与分析、电动机启停过程及运行状态评估等。测量精度指标完全满足A级标准。
本次扩容项目中10kV母线I段上新增加2台额定容量为1600kVA的厂用电变压器，厂用电负荷稳定且各次谐波电流值低。根据Q/GDW212-2008《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》，配电变压器的无功补偿装置容量可按照变压器容量的20%—40%进行配置。新增两台10/0.4kV变压器所需的无功补偿容量按照变压器额定容量的30%选取。
     (3-1)
式中：为变压器额定容量。
3．1．2电弧炉冲击性无功负荷数据
10kV母线II段新增1台电弧炉，电弧炉平均功率因数约为0.80。电弧炉工作期间伴有较大的冲击性无功负荷。电弧炉供电单线等效回路如图3所示：

图3. 电弧炉供电单线等效回路
计算冲击性无功首先要计算电网的阻抗，电网的阻抗由下面的式子计算得出：
    （3-2）
式中：ΣX为无穷大系统至电弧炉总阻抗
X1为系统阻抗
X2为线路阻抗
X3为主变阻抗
X4为炉变阻抗
X5为电弧炉短网阻抗
设计中电弧炉工作短路引起的最大无功冲击时，系统阻抗取标幺值小值。
电弧炉最大无功功率变动量：    （3-3）
式中：S短为基准的短路容量，根据用户提供数据，S短为350MVA
取电弧炉平均功率因数0.80
经计算，电弧炉最大冲击负荷如下表1。
 
设备名称 最大有功冲击（MW） 最大无功冲击
（MVar） 冲击负荷变化次数
（r/min）   
电弧炉 9.53 10.12 5 
表1. 电弧炉最大无功冲击量值
3．1．3新增精炼炉性无功负荷数据
10kVII段母线新增1台容量4000kVA精炼炉，精炼炉功率因数取0.80。所需补偿容量为QC3。
      (3-4)
式中：SN为精炼炉变额定容量4000kVA
K1为过载倍数，取1.0
K2为负荷率，取0.9
为补偿前功率因数，取0.80
为补偿前功率因数，取0.95
计算得 无功补偿容量QC3为1200kVar。
3．1．4铸造厂区谐波数据
根据国标GB/T 14549-1993《电能质量 公共电网谐波》中规定和铸造厂区提供的系统运行数据，35kV母线允许注入谐波电流值如表2所示。
 
短路容量 350M 供电容量 80M   
协议容量 20M     
谐波次数 允许谐波电流 谐波次数 允许谐波电流   
2 11.8 7 5.41   
3 5.89 8 2.99   
4 6.06 9 3.22   
5 6.43 10 2.44   
6 4.01 11 4.55 
表2. 35kV母线允许注入谐波电流值
铸造厂区非线性负荷主要为电弧炉、中频炉、精炼炉。方案设计阶段增容设备尚未投运，且无法提供设备谐波电流发生量，因此通过建立一次系统仿真模型分析谐波数据。仿真频谱分析图见图4。

图4. 铸造厂区用电负荷频谱图
电弧炉负载主要谐波电流仿真数据，见表3。
 
谐波次数 2 3 5 7   
谐波电流 62.36 51.96  25.98 10.39 
表3. 电弧炉主要谐波电流值
精炼炉负载主要谐波电流仿真数据，见表4。
 
谐波次数 2 3 5 7   
谐波电流 8.89 10.16  7.62 2.54 
表4. 精炼炉主要谐波电流值
根据国标要求不同谐波源之间应进行叠加，当相位角不确定时，按以下公式进行计算：
    （3-4）
式中：Kh系数按表5选取。
 
h 3 5 7 11 13 9|>13|偶次   
Kh 1.62 1.28 0.72 0.18 0.08 0 
表5. 系数Kh取值表
经仿真数据计算所得35kV新增负荷谐波值见表6。
 
谐波次数 2 3 5 7   
35kV侧谐波电流（A） 12.51 17.28 8.97 3.30 
表6. 35kV新增负荷谐波值
铸造厂区扩容后2次、3次、5次谐波电流超出国标要求范围。
4、解决方案
4.1  10kV母线I段装设动态无功补偿装置
10kV母线I段上新增加2台厂用电变压器，功率因数稳定，各次谐波电流值低。本方案在10kV母线Ⅰ段侧安装一套额定容量为1000kVar的TPPF动态无功补偿装置，装置响应时间200ms。TPPF动态无功补偿装置设计为分2组自动投切，每组容量500kVar，内置串联5%的电抗器参数值。
4.2  10kV母线II段装设动态无功补偿装置
10kV母线II段新增1台电弧炉和1台精炼炉。根据3.1.3数据分析，精炼炉无功补偿容量要求为1200kVar。
由于电弧炉冲击性无功量值大，需要快速补偿以保证系统电压稳定性。采用查表法从图5中可得：

图5. 改善率、补偿率、动态补偿响应时间关系曲线
35kV母线电压波动要求改善率为48%，要求动态无功补偿系统响应时间t≤5ms，无功补偿度要求为 C=56%；当t在5~10ms时段时，无功补偿度要求达到C=71%。即要求本方案装设的动态无功补偿装置能够在5ms内快速投切容量QC1达到冲击性无功Qmax的56%量值，即达到5.67MVar。
根据响应时间要求，常规的动态无功补偿装置已经不能达到现场电能质量治理目标，因此本方案配置了1套采用IGBT为功率电路器件的TSVG动态无功发生装置。TSVG动态无功发生装置响应时间5ms，且装置具备可多重选择指定谐波次数的谐波滤除功能，满足铸造厂区电能质量治理需求。
综合10kV母线II段负荷电能质量数据，同时考虑一定的过载能力，TSVG动态无功发生装置容量选取为12000kVar。
4.3补偿效果
动态无功补偿和谐波抑制综合治理方案在铸造产区投入运行后，采用TDR973电能质量监测装置进行电能质量数据监测。监测数据表明，补偿效果良好，到达预期效果。35kV母线PCC点功率因素为0.95，电压THD为2.34%，电流THD为4.44%。图6为补偿后的电流、电压波形图和频谱图。TDR973电能质量监测装置选择1对1配置，监测35kV进线的电能质量指标。TDR973电能质量监测装置可同时实现8个三相回路高精度测量与分析。装置具有谐波、闪变、波动等电能质量指标越限报警功能，实时记录包括最大值、最小值和平均值等信息；装置的大容量存储空间并采用国际标准的数据格式，满足电力系统用户对数据存储的要求。

图6. 方案实施运行后电流、电压波形及频谱图
5、效益分析
（1）无功功率的减小，减小电流和视在功率，从而相对提高变压器及其他电气设备容量和导线容量。
（2）滤除谐波电流，避免传统电容器投入过程中发生的谐波电流放大和谐振现象，使得传统的无功补偿设备能够正常运行，避免了电容器损坏和投切不正常情况的发生，保证电气设备正常运行和生产安全。
（3）无功补偿和谐波滤除后，使总负荷电流减小，从而降低设备及线路的损耗。
（4）就地安装无功补偿及谐波治理装置方案实施后，预计可为铸造厂区节省用电成本的5%左右。
6、结语
采用南京钛能电气有限公司动态无功补偿装置治理方案，提高了铸造厂区的功率因数，抑制了电网谐波电流及电压波动，消除了因电能质量问题给生产设备造成的损坏，延长了设备的使用寿命；降低了厂内线路损耗和变压器损耗。整个方案的实施具备良好的技术经济效益。
参考文献
[1]  张直平. 城市电网谐波手册. 北京: 中国电力出版社, 2001.
[2] 《电力系统谐波》 吴竞昌、孙树勤、宋文南、曲涛等编著
[3] 《电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计》 （奥）George J.Wakileh 著 2011
[4]  杨君、王兆安、刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京：机械工业出版社,1999
作者简介：
刘明辉（1976-），男，高级工程师，长期从事电力自动化、电能质量控制技术方面的研发、管理工作，现任南京钛能电气研究所所长。
陈良伟（1975-），男，工程师，主要从事大功率电力电子技术与电能质量控制技术研究。