電爐SVC系統(tǒng)諧波支路阻抗暫態(tài)分析

錢峰，顧建軍

（寶鋼股份公司工程管理部，上海201900）

電爐SVC系統(tǒng)諧波支路阻抗暫態(tài)分析

錢峰，顧建軍

（寶鋼股份公司工程管理部，上海201900）

在介紹電爐SVC系統(tǒng)拓撲原理的基礎上，對系統(tǒng)暫態(tài)原理進行了分析，重點針對系統(tǒng)阻抗特性作了詳細分析。最后進行了仿真實驗驗證。仿真結果證明，系統(tǒng)濾波支路的變化，將對系統(tǒng)母線電壓、電流以及功率因數(shù)造成影響。

SVC；阻抗；諧波；無功

1 前言

眾所周知，電爐是一種利用電弧產(chǎn)生的熱量來熔煉金屬的設備。它的非線性大容量沖擊會給電網(wǎng)帶來無功沖擊、諧波、閃變以及三相不平衡等一系列不利影響。世界各國普遍采用靜止型動態(tài)無功補償裝置（SVC），以消除無功沖擊、濾除高次諧波、平衡三相電網(wǎng)等。為此，對電爐SVC系統(tǒng)的研究顯得非常必要。

目前，國內(nèi)外對SVC建模仿真作了一定程度的深入研究。但縱觀以SVC系統(tǒng)為研究對象的建模仿真分析方法，各國學者比較集中于SVC系統(tǒng)穩(wěn)定模型，對電爐SVC系統(tǒng)暫態(tài)分析則研究較少。

2 系統(tǒng)拓撲原理

寶鋼現(xiàn)有一座150 t直流電弧爐，以廢鋼和鐵水為原料。在整個生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的高次諧波和無功沖擊，為此，引入SVC對直流電弧爐進行無功功率補償和諧波電流吸收，從而實現(xiàn)33 kV系統(tǒng)無功平衡、電壓穩(wěn)定和電能質量改善。

該電爐SVC系統(tǒng)采用了TCR型。系統(tǒng)結構是無源濾波器組和晶閘管控制電抗器TCR并聯(lián)。圖1為電爐SVC系統(tǒng)拓撲圖。TCR的三相采用三角形連接，每一相是由一組反并聯(lián)的晶閘管、電抗器和阻尼電抗器串聯(lián)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)無功功率補償作用。

圖1 電爐SVC系統(tǒng)拓撲

SVC的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴大到容性區(qū)，所以無源濾波器組與動態(tài)控制的TCR一起并聯(lián)，既滿足無功補償、改善功率因數(shù)，又消除諧波的影響。無源濾波器組由低次和高次濾波支路組成。其中低次濾波支路采用C型濾波器，主要作用是濾除2次和3次諧波，同時濾除2次和3次附近的間諧波。高次濾波支路中4次和5次濾波支路為單調(diào)諧支路，主要濾除4次和5次諧波；7次濾波支路采用二階高通濾波器，對7次及以上的高次諧波具有很好的濾波效果。

3 系統(tǒng)暫態(tài)原理分析

SVC系統(tǒng)的暫態(tài)分析主要可分析系統(tǒng)中斷路器突然發(fā)生動作時的SVC系統(tǒng)運行情況。由于斷路器的動作會造成SVC系統(tǒng)電路的拓撲結構變化，而這些變化會對系統(tǒng)的運行情況造成一系列的影響，例如電流電壓的幅值會發(fā)生突變，電流電壓的諧波含量會發(fā)生變化，SVC系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之發(fā)生改變。所以，對SVC系統(tǒng)進行暫態(tài)分析是具有實際意義的。由于斷路器C0、C1和C2的動作可能導致系統(tǒng)并聯(lián)諧振，分析的重點可放在對諧波電流的分析上。

圖2為SVC系統(tǒng)單相等效電路及變形圖。其中低次和高次濾波支路可以等效為Z23、Z457，TCR等效為阻抗ZTCR。系統(tǒng)阻抗等效為ZS。DC EAF表示直流電弧爐負載。在這里不考慮供電電壓VS（即背景諧波）的諧波分量，只考慮電弧爐負載產(chǎn)生的諧波。在SVC系統(tǒng)單相等效電路變形圖中，電弧爐負載諧波電流在低次和高次濾波支路、TCR以及系統(tǒng)母線組成的4條并聯(lián)支路中分流。Z23、Z457、ZS可以直接從電路圖中計算得到，晶閘管控制電抗器TCR相當于可變電感，阻抗值的大小是由電弧爐負載無功電流決定的，電弧爐負載發(fā)生變化時，TCR的等效阻抗也會發(fā)生變化。

圖2 SVC系統(tǒng)單相等效電路及變形

4 系統(tǒng)阻抗特性

在電爐SVC系統(tǒng)中，對于二次C型濾波器，可得阻抗計算公式：

式中：Z2fn是在角頻率ωn=nω1下濾波器的阻抗；

XL2=ωL2，XC21＝1/（ωC1），XC22=1/（ωC22）；

n是諧波次數(shù)；

ω1是額定工頻角頻率。

同樣對于三次C型濾波器，可得到Z3fn。則低次濾波支路阻抗Z23＝Z2fn//Z3fn。

4、5次濾波器為單調(diào)諧濾波器，等式可分別寫為：

7次濾波器為二階高通濾波器，計算公式為：

可得高次濾波支路阻抗Z457=Z4fn//Z5fn//Z7fnZ23。

根據(jù)現(xiàn)場實際的數(shù)值，可計算得到低次和高次濾波支路的阻抗。再根據(jù)計算結果，可得高次濾波支路的阻抗以及SVC系統(tǒng)總阻抗特性如圖3所示。

從圖3的阻抗特性曲線可以明顯看出高次濾波支路在4、5和7次諧波處呈現(xiàn)低阻抗，具有明顯的諧波抑制效果。從SVC系統(tǒng)的總阻抗特性曲線上可以看出SVC系統(tǒng)在2、3、4、5次和7次諧波處呈現(xiàn)低阻抗，而且在3次和4次之間、4次和5次之間出現(xiàn)尖峰，會造成該尖峰處對應的諧波電流被放大。

圖3 高次濾波支路阻抗以及SVC系統(tǒng)總阻抗特性

當電爐SVC系統(tǒng)正常運行時，高次濾波支路發(fā)生故障，斷路器C2動作，將4、5、7次次支路從SVC系統(tǒng)中切除。由于濾波支路吸收容性無功功率，它的切除會使系統(tǒng)的無功功率發(fā)生變化，而系統(tǒng)總的無功功率性質是容性還是感性，決定于負載的無功功率情況。

圖4 斷路器C2動作前后系統(tǒng)總阻抗特征曲線對比

在圖4中，曲線①和②分別表示斷路器C2動作前、后的系統(tǒng)總阻抗特征?？梢钥闯鰞烧卟顒e很大，主要表現(xiàn)在由于高次濾波支路的切除，在4、5、7次諧波處的系統(tǒng)阻抗值增加，濾波效果明顯變差。同時在3、4次諧波之間和4、5次諧波之間的阻抗尖峰有效地得到了消除。母線電壓電流的諧波含量增加，特別是4、5、7次諧波。

5 支路暫態(tài)仿真分析

為驗證前述理論分析，可對系統(tǒng)進行仿真實驗并對結果進行分析。SVC系統(tǒng)的仿真分析，包括以下三個部分：系統(tǒng)母線電壓的分析、系統(tǒng)母線電流的分析和功率因數(shù)情況的分析。

在負載是直流電弧爐時，0.4 s時斷路器C2發(fā)生動作，切除4、5、7次濾波支路。圖5是C2動作前后母線電流頻譜對比。從分析圖可以看出，4、5、7次濾波支路切除以后，系統(tǒng)母線電流的幅值由1392 A增加到1656 A，增加了大約20%。系統(tǒng)母線電流的5次和7次諧波以及更高次諧波的諧波含量明顯增加，這是由于4、5、7次濾波支路的作用是濾除4、5和7次諧波以及高次諧波。一旦切除4、5、7次濾波支路，則母線電流中的4、5和7次諧波以及高次諧波無法濾除，導致母線電流諧波含量增加。

C2動作前后母線電壓頻譜分析對比如圖6所示。從對比可知，4、5、7次濾波支路切除以后，系統(tǒng)母線電壓的幅值變化不大，由26.86 kV減小到25.44 kV，減小大約5.3%。母線電壓的4、5、7次諧波以及高次諧波的含量明顯增加。

圖5 C2動作前后33 kV母線電流頻譜對比

圖7 為SVC系統(tǒng)功率因數(shù)變化曲線。系統(tǒng)功率因數(shù)在0.4 s以前一直保持在接近1。0.4 s以后，功率因數(shù)突然下降為0.8。

圖6 C2動作前后33 kV母線電壓頻譜對比

圖7 SVC系統(tǒng)功率因數(shù)變化曲線

綜上所述，SVC系統(tǒng)在運行過程中切除4、5、7次濾波支路后，母線電流諧波含量會出現(xiàn)明顯增加，電壓諧波含量也會增加，系統(tǒng)功率因數(shù)明顯下降。所以4、5、7次濾波支路的切除對母線電壓和電流以及系統(tǒng)功率因數(shù)都會造成影響。

6 結論

從系統(tǒng)特性入手，可對寶鋼電爐SVC系統(tǒng)進行系統(tǒng)暫態(tài)仿真分析。暫態(tài)分析主要是分析當SVC系統(tǒng)中高次濾波支路故障時SVC系統(tǒng)的運行情況。最后的暫態(tài)分析結果表明：由于4、5、7次濾波支路的切除，在4、5、7次諧波處的系統(tǒng)阻抗值增加，濾波效果明顯變差。同時在3次、4次之間、4次、5次之間和5次、6次之間的阻抗尖峰有效得到了消除。母線電壓電流的諧波含量特別是4、5、7次諧波增加。同時對33 kV母線系統(tǒng)功率因數(shù)也會造成影響。

[1]張定華，桂衛(wèi)華，王衛(wèi)安，劉連根.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，2008，32(12)：23-29.

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Transient State Analysis of Harmonic Branch Impedance of Electric Furnace SVC system

QIAN Feng，GU Jianjun
(Engineering Management Department,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

Based on the topology principle of the electric furnace SVC(static var compensator)system,the transient theory of the system is analyzed.The impedance character of the system is emphasized.The simulation verification experiments are made.The results show that variation of harmonic wave branch of the system would make an impact on the bus voltage,current and power factor of the system.

SVC;impedance;harmonic wave;reactive power

TM714.3

B

1006-6764(2013)07-0004-03

2013-03-06

錢峰（1966-），男，畢業(yè)于電力系統(tǒng)及自動化專業(yè)，工商管理碩士，電氣高級工程師，現(xiàn)從事工程技術管理工作。