靜止無功補償裝置在某鋼鐵廠中的應(yīng)用

張輝亮宋 戈李曉明

（1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

靜止無功補償裝置在某鋼鐵廠中的應(yīng)用

張輝亮1宋 戈1李曉明2

（1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

主要研究了鋼廠電弧爐等非線性負(fù)荷在運行時引起的電能質(zhì)量問題，并介紹了TCR+FC型SVC靜止無功補償裝置在解決此類問題中的應(yīng)用成果。分析了SVC靜止無功補償裝置的工作原理，詳細(xì)介紹了 SVC靜止無功補償裝置的主要組成部分及功能；通過 SVC靜止無功補償裝置在某鋼鐵工程中的可靠運行實例，證明SVC靜止無功補償裝置通過調(diào)節(jié)無功能夠提高電能質(zhì)量。

靜止無功補償裝置；晶閘管閥；濾波電容器組；控制系統(tǒng)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)步，電力網(wǎng)負(fù)荷急劇增大，對電網(wǎng)感性無功要求也與日俱增，為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，其安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及輸送電能的質(zhì)量是最根本的問題。一些大功率負(fù)荷的投入、退出，或者系統(tǒng)局部故障等，都會造成系統(tǒng)中有功功率和無功功率的大幅擾動，從而對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響，特別是可逆式大型軋鋼機(jī)、煉鋼電弧爐等沖擊負(fù)荷、非線性負(fù)荷容量的不斷增加，加上普遍應(yīng)用的電力電子和微電技術(shù)，使得電力網(wǎng)發(fā)生電壓波形畸變，電壓波動閃變和三相不平衡等，產(chǎn)生電能質(zhì)量降低，電網(wǎng)功率因數(shù)降低，網(wǎng)絡(luò)損耗增加等不良影響[1-2]。同時，這些擾動引起的電磁暫態(tài)過程所產(chǎn)生的過電流和過電壓又往往會危害到有關(guān)電器設(shè)備的安全。

鋼鐵廠使用的交流電弧爐煉鋼，是對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊的重要因素之一，由于電爐不斷變化的鐵磁特性，許多諧波電流會注入電網(wǎng)，同時，煉鋼初期工作的不對稱，負(fù)序電流也更為明顯。大量的無功需求和變化，造成了電壓的波動和閃變，也使電弧爐本身的煉鋼效率大大降低。為了解決這種問題，目前鋼鐵廠引進(jìn)了無功功率的吸收和補償裝置，以保證電能質(zhì)量[3]。

1 常見的無功補償裝置

在工業(yè)負(fù)荷配電網(wǎng)中，常見的無功補償裝置有MCR（磁控電抗器）型SVC、TCR型SVC以及SVG（靜止無功發(fā)生器）等，SVC 是Static Var Compensator（靜止無功補償裝置）的縮寫。表1對這三種常見的無功補償裝置從性能、原理、補償時間、經(jīng)濟(jì)成本等多個方面做了比較。

表1 常見無功補償裝置比較

由表1對比可以看出，TCR型SVC在補償能力、補償時間、諧波濾除以及成本等方面均具有其他補償方式無法比擬的優(yōu)勢，故以下將主要介紹TCR型SVC在鋼鐵廠中的應(yīng)用研究。

2 SVC工作原理

SVC可以被看成是一個動態(tài)的無功源。根據(jù)接入電網(wǎng)的需求，它可以向電網(wǎng)提供無功（容性），也可以吸收電網(wǎng)多余的無功（感性）。把電容器組（通常是濾波器組）接入電網(wǎng)，就可以向電網(wǎng)提供無功。當(dāng)電網(wǎng)并不需要太多的無功時，這些多余的容性無功，就由一個并聯(lián)的空心電抗器來吸收。

一般情況下，TCR并不單獨工作，它總是與固定電容器組或濾波器組（FC）一起構(gòu)成一個完整的SVC裝置。FC負(fù)責(zé)向系統(tǒng)提供容性無功，以補償負(fù)荷的無功消耗。通常希望 FC提供的無功略大于負(fù)荷實際需要的無功，多出來的一些容性無功就由TCR來吸收，保證電源系統(tǒng)不再向負(fù)荷提供任何無功。當(dāng)負(fù)荷無功發(fā)生變動的時候，TCR根據(jù)一定的控制策略，會及時調(diào)整其無功容量，適應(yīng)負(fù)荷無功的變動，始終保持電源系統(tǒng)提供的無功功率為零（功率因數(shù)控制），或者保證電源系統(tǒng)供電電壓維持在規(guī)定的范圍內(nèi)（電壓控制）。以上就是TCR型SVC的基本工作原理，其具體的原理說明，如圖1所示。

圖1說明，在沒有SVC裝置時，負(fù)荷需要的無功Qload全部由電源系統(tǒng)提供Qs。這樣，系統(tǒng)功率因數(shù)很低，供電效率下降。投入SVC之后，SVC提供的無功 Qsvc，將完全補償負(fù)荷所需的無功。圖中，設(shè)置了三組 FC和一組 TCR，通常情況下，Qsvc=Qfc-Qtcr。一些詳細(xì)的控制策略此處不再敘述。

圖1 SVC工作原理

3 SVC系統(tǒng)構(gòu)成與功能

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

SVC系統(tǒng)的組成如圖2所示，其一般由TCR、濾波器（FC）及控制系統(tǒng)組成。通過控制與電抗器串聯(lián)的兩個反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，既可以向系統(tǒng)輸送感性無功電流，又可以向系統(tǒng)輸送容性無功電流。該系統(tǒng)補償器響應(yīng)時間快（小于半周波），靈活性大，而且可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功輸出。這套系統(tǒng)也存在一定缺點，例如裝置本身會產(chǎn)生諧波，但是可以采用增加濾波裝置的方式克服。

圖2 TCR+FC型SVC系統(tǒng)的組成

3.2 主要設(shè)備的功能

1）電抗器

電抗器一般采用線性結(jié)構(gòu)，電抗器是SVC中吸收無功或調(diào)節(jié)無功的主體。通常要求它有良好的線性特性和穩(wěn)定性，所以，電抗器是空心的，且周圍不能有距離太近的較大金屬物體。電抗器一般為干式結(jié)構(gòu)，冷卻方式也常常是自然冷卻。

在實際的接線中，空心電抗器總是與TCR閥組串聯(lián)后接成三角形，然后并聯(lián)接入電網(wǎng)。

2）晶閘管閥

晶閘管閥是SVC無功變化的控制主體。閥體由一定數(shù)量的可控硅（或其他電力電子器件）及其附屬器件組成，主回路通常接成反并聯(lián)串?？煽毓杓捌涓郊鳛楣β试?，發(fā)熱量比較大，自然冷卻方式一般不適用，故目前市場上的閥組均以水冷卻為主，其觸發(fā)方式則以光電觸發(fā)為主[4]。

3）水冷卻系統(tǒng)

對閥組的冷卻采用去離子水（純水）來進(jìn)行。水處理系統(tǒng)，通過一臺水泵和陽離子交換樹脂保證送入可控硅閥組的純水循環(huán)并保持較高的水質(zhì)。

水處理系統(tǒng)的外冷卻，主要靠普通循環(huán)工業(yè)水來進(jìn)行。也有靠風(fēng)冷卻裝置來做外冷卻的。

4）濾波電容器組

系統(tǒng)中的濾波支路主要向系統(tǒng)提供足夠的容性無功，并濾除電網(wǎng)的有害諧波。濾波支路通常又以濾波電容器（或并聯(lián)電容器）為主，而濾波電抗器和濾波電阻等則是其附屬部件。這是SVC中的固定（也可能分級投切）容性無功部分。

在實際的工程當(dāng)中，這個 FC部分往往被分成若干個單元組，這些單元組由機(jī)械開關(guān)或另一類可控硅閥組按照實際的電網(wǎng)需求進(jìn)行投切操作。

5）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對 TCR的控制，系統(tǒng)根據(jù)SVC的實際工況，向閥組發(fā)出控制觸發(fā)脈沖，在適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄏ辔唬┯|發(fā)可控硅（相控）。檢測閥組的工況并及時準(zhǔn)確的記錄并顯示出來。對于一些特殊的情況或故障，及時地報警或發(fā)出跳閘指令。完成TCR及FC等設(shè)備的投入或退出。在實際的工程中，對SVC正常投切順序及組合有嚴(yán)格的步驟要求。同時，故障退出也按照一定的步驟來進(jìn)行。完成對SVC各部分的保護(hù)。提供友好的人機(jī)界面，以方便用戶的操作及維護(hù)。

4 某鋼鐵廠電能現(xiàn)狀

經(jīng)過對某鋼鐵集團(tuán)有限公司電能質(zhì)量的研究，發(fā)現(xiàn)該鋼鐵集團(tuán)的鋼鐵廠以往采用的是電容器（FC）補償方式，但其補償效果不明顯，在運行時對電網(wǎng)的沖擊仍非常大，主要原因是電弧爐等非線性負(fù)荷會引起電壓閃變、波動、功率因數(shù)和諧波等電能質(zhì)量問題。為此制定了專門的SVC解決方案，方案考慮通過快速的系統(tǒng)響應(yīng)抑制電壓閃變，同時使用合理的濾波器設(shè)置濾除負(fù)荷產(chǎn)生的有害諧波，線性平滑地控制無功功率，穩(wěn)定功率因數(shù)[5-6]。

鋼廠負(fù)荷情況見表2。

表2 鋼廠負(fù)荷情況表

5 SVC應(yīng)用

根據(jù)計算，該鋼廠項目動態(tài)無功容量為100Mvar，在 35kV母線上安裝一套動態(tài)無功補償SVC裝置，主接線圖如圖3所示，主要包括：晶閘管控制電抗器（TCR）、2次濾波器組、3次濾波器組、4次濾波器組、5次濾波器組、控制監(jiān)控系統(tǒng)等組件及相關(guān)附件。

1）系統(tǒng)配置

SVC的設(shè)計容量為：TCR部分100Mvar，基波補償容量為104Mvar，分為H2、H3、H4、H5四個通道。H2次濾波器安裝容量為48Mvar，補償容量為25.5Mvar；H3次濾波器安裝容量為48Mvar，補償容量為 32.6Mvar；H4次濾波器安裝容量為36Mvar，補償容量為 23.2Mvar；H5次濾波器安裝容量為36Mvar，補償容量為22.7Mvar。

2）投運后各項指標(biāo)（表3）

表3 投運后各項指標(biāo)對比表

6 結(jié)論

通過 SVC靜止無功補償裝置在此鋼廠的應(yīng)用情況看，以往采用電容器（FC）補償受冶金業(yè)用電

負(fù)荷特性頻繁變化的影響，經(jīng)常產(chǎn)生無功過補或欠補狀況，經(jīng)過TCR+FC型SVC的治理后，系統(tǒng)內(nèi)的煉鋼、軋鋼負(fù)荷功率因數(shù)由原來的0.75穩(wěn)定保持在0.98～1，在更為節(jié)約電能的前提下提高了該鋼廠的產(chǎn)量，同時在抑制電壓畸變、三相不對稱及電壓閃變等方面效果顯著，值得借鑒。

目前，TCR+FC型SVC已在冶金行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，形成了成熟的技術(shù)方案。由于其具有響應(yīng)速度快，吸收無功連續(xù)、產(chǎn)生的高次諧波量小、調(diào)節(jié)范圍廣、損耗與噪聲小等特點，使其成為未來無功補償技術(shù)的發(fā)展方向。

[1]鄭國華.靜止無功補償裝置（SVC）在泉州新塘220kV變電站的應(yīng)用[J].電工技術(shù), 2010(4): 12-15.

[2]謝小榮.柔性交流電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2006.

[3]夏巖峰.100Mvar SVC在220kV系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].北京: 華北電力大學(xué), 2006.

[4]DL/T 1010—2006.高壓靜止無功補償裝置[S].

[5]孫靖宇.靜止無功補償裝置在大型LF爐工程中的應(yīng)用[J].冶金動力, 2007(1): 1-5, 9.

[6]張定華, 桂衛(wèi)華, 王衛(wèi)安, 等.大型電弧爐無功補償與諧波抑制的綜合補償系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(12): 23-29.

Application of Static Var Compensator in Steel Plant

Zhang Huiliang1Song Ge1Li Xiaoming2
(1.NR Electric Power Electronic Co., Ltd, Changzhou, Jiangsu 213025; 2.NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Mainly studied the steel arc furnace such as power quality problems caused by the nonlinear load at runtime, and introduces the TCR+FC type SVC static reactive power compensation device application results in solving such problems.Analyzed the working principle of SVC static reactive compensation device, detailed introduces the function of the main components; Finally through the SVC static reactive compensation device in a reliable operation in steel engineering example, prove the SVC static reactive power compensation device by regulating function enough to improve power quality.

static var compensator; thyristor vavle; filter capacitor group; control system

張輝亮（1985-），男，陜西咸陽人，常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司產(chǎn)品設(shè)計部經(jīng)理，從事電力一次設(shè)備方面的研究工作。