利用虛擬仿真技術對鋼鐵企業電弧爐運行電能質量優化進行分析的系統設計

葉文芊，紀 捷，丁祖軍，張慧萍，沈 騫

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223001）

1 虛擬仿真技術原理介紹

利用軟件技術模擬現實電力系統，也就是利用虛擬仿真技術對現實問題進行分析是一種時下對現實問題進行分析解決的流行途徑。

針對目前電能質量優化實驗電壓高、周期長、體積大、實驗難的問題，本文建議采用信息化手段和虛擬仿真技術，通過軟件虛擬設備對高壓設備的運行進行電能質量優化，解決了實驗危險系數大、有安全隱患的問題。通過提前組件好所有核心模型，讓學生直接進行電能優化實驗的核心步驟，集中力量進行組件設計、優化選擇、學習探究，利用虛擬仿真設備將必備組件在網絡平臺上實現，讓系統可以被自由設計、靈活搭配，解決了實驗設備體積大、實驗室難以建設、無法組織的問題。本文設計的電力質量虛擬仿真系統不僅可以根據電能優化質量基本規律對諧波進行去除，提高功率因數，還可以對目標系統進行性能探索，解決了實驗難的問題。

2 虛擬仿真系統架構設計

在已經構建的包括電弧爐、電弧爐變壓器、SVC、配電房等模型的實際場景中，根據每個模型的基本原理介紹和參數設計的公式，在相應的對話框中輸入相關參數，觀察補償前后的電壓電流波形和功率因數等數據，最后評價本次虛擬仿真實驗的效果。系統操作流程如圖1 所示。

圖1 電能質量優化虛擬實驗操作流程圖

3 仿真設計流程

根據前面各個環節中的SVC 關鍵參數探索和設計，仿真環節中可以按照TCR→2 次濾波支路→3 次濾波支路→4次濾波支路→5 次濾波支路投入的次序，分別考察每個支路投入后對諧波抑制以及功率因數的影響，并結合GB 14549—2008 中規定的35 kV 配電網對于各次諧波標準，如表1 所示，評估SVC 參數設計的合理性，根據本實驗的評價標準，要求補償后功率因數范圍0.92～0.98，電流THD 小于10%。

表1 GB 14549—2008 中35 kV 配電網諧波標準

3.1 非正弦交流系統功率因數、總諧波畸變率計算

交流側功率因數和電流總諧波畸變率是電能質量的關鍵參數，非正弦交流系統中電流波形中含有豐富的諧波成分，計算功率因數需要考慮諧波電流對整個輸入電流的貢獻，再根據有功功率和視在功率比值計算；電流總諧波畸變率可以按照總諧波電流有效值和基波電流有效值比值計算。

3.2 無功補償策略

高壓系統中通常采用并聯電容的無功補償方案，目前主要分為靜態補償和動態補償，靜態補償投入的容性無功是固定的，動態補償是通過晶閘管投切電容器實現。本項目采用諧振支路在實現濾波同時，實現無功功率靜態補償。

3.3 晶閘管投切電抗器TCR

SVC 系統中的FC 支路實現濾波以及靜態無功補償，但是隨著負載無功的動態變化，FC 支路不能動態跟蹤負載無功需求，因此要TCR 和FC 協同工作，負載感性無功動態變化時，通過TCR 的觸發角控制實現動態無功補償。負載中的諧波電流需要通過并聯的諧振支路抑制，避免直接注入配電網，引起電網諧波污染，其基本原理是應用LC 串聯諧振實現諧振支路對特定頻率的諧波電流呈現低阻抗，實現諧波抑制。

3.4 SVC 參數和功率因數規律探究

SVC 設計參數較多，精準設計困難，實際虛擬仿真實驗中采用先規律探究，在選擇參數的實驗模式，既讓學生探索了濾波電容電壓、容值、觸發角等參數對功率因數變化規律，又能降低SVC 參數設計難度，提升學習效率。

3.5 線性電路的阻抗串并聯計算

SVC 系統本質是在負載上并聯了多個諧振支路和TCR支路，最終對功率因數和THD 影響可以根據系統等效電路中的阻抗串并聯計算，得到輸入側的相關參數，并考察SVC參數設計的合理性。

4 利用虛擬仿真技術進行電能質量分析優勢總結

本虛擬仿真系統針對配電網輸出功率的劇烈變化，在變壓器一次側添加功率雙向補償裝置，保持需求輸入功率的恒定性。其次，考慮變更服務對象時系統諧波次數的變化，增加自主變更結構環節，使得系統更貼近實際，應用范圍更為廣闊，仿真方案設計思路體現了配電系統電能優化實驗的可靠性、自主性和探究性特色。本系統基于鋼鐵企業配電網中電能質量優化的系統研究，獲取了以鋼鐵企業為典型用戶的大量真實運行數據及波形，因此虛擬仿真試驗數據來源真實可靠；系統可以開展濾波支路電容、電感設計，也涉及TCR支路電感參數及觸發角自主設計；虛擬仿真實驗采用先進行規律探究、再開展參數設計、最后進行效果驗證。本系統最終理論可以進行變參數、新方案的設計優化，圍繞優化目標，多次反復參數調整，并通過虛擬仿真進行可視化表達，對于相關電能優化實驗和設計有較強的指導意義。