天鋼精煉爐無(wú)功和諧波補(bǔ)償裝置的改造方案

張娜 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，天津 300301)

天鋼精煉爐無(wú)功和諧波補(bǔ)償裝置的改造方案

張娜 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，天津 300301)

由于天鋼煉鋼廠LF爐原有無(wú)功和諧波補(bǔ)償裝置不能滿足提高功率因數(shù)及改善對(duì)電網(wǎng)諧波污染等要求，因此進(jìn)行了改造。通過(guò)對(duì)幾種無(wú)功和諧波補(bǔ)償裝置的介紹及比較，在2＃LF爐安裝XRVAR系列有源動(dòng)態(tài)無(wú)功和諧波補(bǔ)償裝置，以改善原有設(shè)備問(wèn)題。改造并網(wǎng)后，輸出電壓總諧波畸變率小于3%，輸出電流總諧波畸變率小于4%，功率因數(shù)可達(dá)0.95以上。

精煉爐 功率因數(shù) 諧波 補(bǔ)償 改造

1 引言

天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠共有3座LF精煉爐，1#LF爐現(xiàn)在高壓供電側(cè)安裝無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償裝置。2#、3#LF爐因采用原設(shè)備配套的固定電容補(bǔ)償裝置，投入后出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)，現(xiàn)停用后，功率因數(shù)僅為0.78，達(dá)不到供電部門(mén)要求，而且對(duì)電網(wǎng)造成污染甚至沖擊，必須治理。本文以2#LF爐為例，結(jié)合當(dāng)前相關(guān)的前沿技術(shù)，提出了在2#LF爐用戶側(cè)安裝使用有源動(dòng)態(tài)無(wú)功和諧波補(bǔ)償裝置（SVG)，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行利舊改造的整改方案，解決原有設(shè)備存在問(wèn)題。

2 煉鋼廠2＃LF爐濾波裝置改造方案設(shè)計(jì)

2.1 2#LF爐的爐變參數(shù)

一次額定電壓：35 kV，50 Hz;

爐變?nèi)萘浚?0 MVA（+20%);

LF 爐額定工作點(diǎn)容量：P=22 MW，cos?=0. 78;

短網(wǎng)系統(tǒng)阻抗：≤0.65+j2.4 Ω;

二次額定電壓：425～395 V為恒功率級(jí)，395～325 V為恒電流級(jí);

阻抗電壓：7%;

三相阻抗不平衡系數(shù)：≤4.5%。

2.2 2#LF爐原濾波補(bǔ)償裝置存在問(wèn)題

天鋼煉鋼廠有3座LF精煉爐，為解決功率因數(shù)及抑制諧波污染，在35 kV母線側(cè)各裝有一組H3濾波器，濾波器安裝容量為9 Mvar，但使用效果很不理想，不但沒(méi)有解決功率因數(shù)問(wèn)題，反而使問(wèn)題更加惡化。為解決問(wèn)題，現(xiàn)1#LF爐在22萬(wàn)站高壓供電側(cè)安裝無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償裝置，使問(wèn)題有所緩解。但2#、3#LF爐由于投入濾波設(shè)備后出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)，不符合供電部門(mén)要求，并且多次出現(xiàn)投切電容器過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)電壓造成電容器損壞及電纜頭放電等嚴(yán)重設(shè)備故障，影響LF爐設(shè)備正常使用，因此自2007年開(kāi)始2#、3#LF爐濾波設(shè)備停用。但功率因數(shù)低、諧波污染嚴(yán)重問(wèn)題長(zhǎng)期存在，急需改造。

2.3 治理方案比較

2.3.1 無(wú)源濾波器

傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的一種方法是裝設(shè)無(wú)源濾波器，通常由電容器、電抗器、電阻器并聯(lián)而成。該方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率。2#LF爐原設(shè)備配套安裝的即是這種功率補(bǔ)償裝置（FC)。實(shí)際效果證明，這種濾波裝置存在調(diào)節(jié)不連續(xù)、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，不適于精煉爐這種不能穩(wěn)定運(yùn)行的工況，易過(guò)補(bǔ)產(chǎn)生諧振，工況適應(yīng)力弱。原設(shè)備因采用斷路器投切電容器，多次引起較為嚴(yán)重的沖擊涌流及操作過(guò)電壓，造成電容器承受過(guò)電壓而擊穿。因此未采取繼續(xù)使用原設(shè)備的方案。

2.3.2 SVC裝置簡(jiǎn)介

交流電弧爐、精煉爐、大型軋鋼機(jī)等負(fù)荷均屬于動(dòng)態(tài)變化的非線性負(fù)荷。這類負(fù)荷的有功功率與無(wú)功功率隨時(shí)間作快速變化。由于其非線性和不平衡的用電特性，使供電電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，引起電壓的波動(dòng)、閃變以及三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率的波動(dòng)，而且向系統(tǒng)注入大量的諧波，對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。近年發(fā)展起來(lái)一種快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率的裝置，即靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensation，即SVC)，這種裝置已成功地應(yīng)用于冶金、電氣化鐵路等沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償上。這種裝置的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)快速、功能多樣、工作可靠以及投資和運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)等，相比同步調(diào)相機(jī)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因而在國(guó)內(nèi)外得到較快的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用。SVC具有響應(yīng)速度較快的特點(diǎn)，但也存在一些問(wèn)題，例如：在電壓低時(shí)，無(wú)法提供所需的無(wú)功支持，應(yīng)付突發(fā)事件的能力較弱，另外，為了抑制諧波，就必須裝設(shè)濾波器，因此占地面積較大。此外，過(guò)多的SVC裝置也容易引發(fā)系統(tǒng)振蕩。

2.3.3 有源動(dòng)態(tài)無(wú)功和諧波補(bǔ)償裝置（SVG)簡(jiǎn)介

XRVAR系列有源動(dòng)態(tài)無(wú)功和諧波補(bǔ)償裝置是以IGBT為核心的SVG補(bǔ)償系統(tǒng)，SVG是柔性交流輸電技術(shù)的主要裝置之一，它是現(xiàn)階段比較先進(jìn)的電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置可以快速連續(xù)地提供容性和感性無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷汉蜔o(wú)功功率控制，從而保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效和優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行。在供配電系統(tǒng)中，將SVG裝置安裝在電弧爐、精煉爐附近，可以明顯地改善電能質(zhì)量。包括：提高功率因數(shù)、抑止諧波污染、消除電壓閃變和電壓波動(dòng)以及克服三相不平衡等。

圖1 SVC與SVG閃變抑制效果對(duì)比圖

在SVC技術(shù)研究的基礎(chǔ)之上，隨著GTO、IGCT、IGBT等大功率電力電子器件的發(fā)展和應(yīng)用，靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generation，簡(jiǎn)稱SVG)成為最新一代動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。它具備響應(yīng)速度較快、吸收無(wú)功可連續(xù)、產(chǎn)生的高次諧波量非常小、調(diào)節(jié)范圍較廣、損耗與噪音小等突出優(yōu)點(diǎn)，在電能質(zhì)量與無(wú)功補(bǔ)償研究的領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。一般而言，SVC的響應(yīng)時(shí)間約20～40 ms，而SVG的響應(yīng)時(shí)間不大于5 ms。對(duì)于閃變補(bǔ)償而言，在無(wú)功容量足夠的情況下，補(bǔ)償裝置輸出無(wú)功的響應(yīng)時(shí)間是閃變補(bǔ)償效果的主要決定因素。從圖1可以看出，受響應(yīng)時(shí)間限制，即使增大容量，SVC抑制電壓閃變的效果仍存在局限性。而SVG則能夠非常有效地抑制電壓閃變。

2.3.4 改造方案確定

基于以上3種無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)備條件，結(jié)合天鋼2#LF爐現(xiàn)場(chǎng)情況，在排除使用無(wú)源濾波裝置（FC)后，對(duì)SVC與SVG兩種裝置進(jìn)行了比較，提出了SVG裝置的幾點(diǎn)優(yōu)越性。

（1) 由于SVG使用的電抗和電容等無(wú)源器件遠(yuǎn)比SVC少，因此大大縮小裝置的體積和占地面積。SVC中的電抗器不僅本身體積大，而且要考慮相互間的安裝間隔，整體占地面積非常大。在相同的補(bǔ)償容量下，SVG的占地面積比SVC減少1/2～2/3。因2#LF爐目前已投產(chǎn)使用，要在原設(shè)備安裝位置進(jìn)行利舊改造，不具備安裝占地面積較大的SVC設(shè)備的條件。

（2) SVC具有阻抗型特性，輸出容量受到母線電壓影響很大。SVG具有電流源的特性，輸出容量受母線電壓影響很小。這一優(yōu)點(diǎn)使SVG用于電壓控制時(shí)具備很大的優(yōu)勢(shì)。

基于以上分析，在2#LF爐采用35 kV靜止型無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（SVG)是可行性改造方案。

3 煉鋼廠2＃LF爐濾波裝置介紹

3.1 天鋼2#LF爐XDSVG-X-35成套裝置基本原理

天鋼2#LF爐XDSVG-X-35成套裝置設(shè)計(jì)中采用功率電阻和開(kāi)關(guān)串聯(lián)的方式進(jìn)行放電，不但可以實(shí)現(xiàn)均壓，而且在輸入開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，可以給直流電容放電，避免人身傷害事故的發(fā)生。電子旁路回路采用進(jìn)口IGBT器件，動(dòng)作迅速且可靠，保證了功率模塊發(fā)生故障情況下，控制器可以在1 ms內(nèi)將故障模塊可靠旁路。

功率模塊的控制器除了采樣回路、保護(hù)回路和輸出驅(qū)動(dòng)回路外，幾乎所有的邏輯和通訊處理均采用大規(guī)模FPGA芯片完成，智能化的設(shè)計(jì)使得硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)靈活，便于以后的功能修改和升級(jí)，而且可靠性高，受功率器件的干擾小。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品緊湊、重量輕且通用性強(qiáng)，在功率模塊發(fā)生故障時(shí)，用戶只需要更換模塊，就可使故障的處理簡(jiǎn)單化，為恢復(fù)生產(chǎn)贏得了寶貴的時(shí)間。模塊的外部接口只有2個(gè)電壓輸出端子和2個(gè)光纖端子，即使非專業(yè)人員也可以更換模塊，不易發(fā)生錯(cuò)誤，使得維護(hù)和檢修簡(jiǎn)單化。

SVG的原理如圖2所示，從圖2中分析其原理就是通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收、發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖2 XDSVG-X-35成套裝置電氣原理圖

3.2 天鋼2#LF爐采用的SVG裝置組成

天鋼2#LF爐采用的SVG裝置由4個(gè)功率柜、1個(gè)控制柜、1個(gè)啟動(dòng)柜（利舊設(shè)備)和連接電抗器組成，裝置的組成見(jiàn)表1。

表1 SVG裝置組成

4 結(jié)束語(yǔ)

天鋼2＃LF爐濾波補(bǔ)償改造項(xiàng)目自2010年初立項(xiàng)后，2010年底開(kāi)始施工，2011年4月完成設(shè)備安裝。目前2#LF爐該項(xiàng)目單機(jī)調(diào)試已經(jīng)完成，進(jìn)入試運(yùn)行階段，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，控制器響應(yīng)時(shí)間小于1 ms;并網(wǎng)后輸出電壓總諧波畸變率小于3%;輸出電流總諧波畸變率小于4%;功率因數(shù)可達(dá)0.95以上。由于采用中文顯示操作界面，便于操作及查找故障原因，使得維護(hù)和檢修簡(jiǎn)單化。

預(yù)計(jì)該項(xiàng)目投入后將明顯地改善供電線路的供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的無(wú)功功率平衡能力，提高系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和暫態(tài)的穩(wěn)定性。天鋼在今年還要繼續(xù)在3#LF爐等設(shè)備中推廣該技術(shù)的應(yīng)用。

[1]程浩忠，吳浩.電力系統(tǒng)無(wú)功電壓的穩(wěn)定性[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998.

[2]吳競(jìng)昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998.

[3]陳強(qiáng)，黎小彬.SVG無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理裝置的工程應(yīng)用[J].福建電力與電工出版社，2008，28（4):50-53.

Modification Plan of TISCO LF Reactive Power and Harmonic Compensation

Zhang Na

Modification was carried out because the original reactive power and harmonic compensation for LF of TISCO Steel-making Plant could not meet the requirement of increasing power factor and improving power grid pollution by harmonic.XRVAR series active dynamic reactive power and harmonic compensation was installed at LF 2 to eliminate problems after several such compensation systems were compared.After modification and grid parallel,total harmonic distortion of output voltage was less than 3%,total harmonic distortion of output current less than 4%and power factor over 0.95.

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（收稿 2011－07－18 責(zé)編 趙實(shí)鳴)

張娜，女，現(xiàn)在天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠設(shè)備科從事電氣設(shè)備管理工作。