SVC在冶金企業(yè)精煉爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

童俊偉，付殿臣，李 磊

（1.杭州余杭新農(nóng)村建設(shè)有限公司，浙江杭州311108；2.杭州鋼鐵集團(tuán)有限公司，浙江杭州310022）

SVC在冶金企業(yè)精煉爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

童俊偉1，付殿臣2，李 磊2

（1.杭州余杭新農(nóng)村建設(shè)有限公司，浙江杭州311108；2.杭州鋼鐵集團(tuán)有限公司，浙江杭州310022）

精煉爐在冶煉過程中會(huì)引起電能質(zhì)量下降，產(chǎn)生大量諧波。以杭鋼2臺(tái)7000 kVA精煉爐為例，對(duì)精煉爐產(chǎn)生的諧波電流、功率因數(shù)進(jìn)行分析，確定TCR的容量，基波無功補(bǔ)償容量，濾波電容器安裝容量和相關(guān)參數(shù)。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，達(dá)到提高功率因數(shù)，降低諧波的目的。

諧波治理；無功補(bǔ)償；濾波器設(shè)計(jì)；SVC；容量分配

1 引言

在鋼鐵冶金企業(yè)中，主要的爐外精煉手段之一就是采用LF爐，它加快了生產(chǎn)節(jié)奏，使整個(gè)冶金生產(chǎn)效率得到提高。但是LF爐是大容量的非線性沖擊負(fù)荷，在其冶煉期間，將會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，造成電壓波動(dòng)和功率因數(shù)下降等電能質(zhì)量問題，影響用電設(shè)備的出力，增加電能損耗，也危害其他電力設(shè)備安全運(yùn)行。目前廣泛采用SVC（Static Var Compensator靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置）來提高LF爐冶煉期間的電能質(zhì)量。

2 SVC介紹

2.1 靜止型無功補(bǔ)償器

SVC是一種可以控制的無功功率補(bǔ)償裝置。把SVC的電容器組接入電網(wǎng)，向電網(wǎng)提供無功。當(dāng)電網(wǎng)不需要多余無功時(shí)，就由與電容器組并聯(lián)的空心電抗器來吸收無功。

式中，QS——系統(tǒng)無功；

QL——負(fù)荷需要無功量；

QC——無功補(bǔ)償量；

QTCR——并聯(lián)電抗器吸收的無功量（根據(jù)負(fù)荷所需無功量實(shí)時(shí)跟蹤變化）。

根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)原理，SVC主要分為自飽和電抗器型（SSR，Self Saturated Reactor）、晶閘管相控電抗器型（TCR,Thyristor Controlled Reactor）、晶閘管投切電容器型（TSC，Thyristor Switched Capacitor）和具有TCR和TSC的混合型靜止無功補(bǔ)償器。目前應(yīng)用較為廣泛的是TCR型和TSC型SVC，其中TCR型SVC具有可控性好、響應(yīng)速度快、補(bǔ)償范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 TCR型SVC工作原理介紹

TCR型SVC主要由相控電抗器、晶閘管控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及并聯(lián)電容器組成，SVC接線圖見圖1。其中TCR裝置可實(shí)現(xiàn)電抗器分相調(diào)節(jié)的控制，能有效抑制不對(duì)稱負(fù)荷的波動(dòng)，在LF爐系統(tǒng)中采用比較多。TCR的工作原理簡單，通過控制晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通角來改變電抗器等效電納的大小，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出無功功率的目的。

晶閘管控制的電抗器等電納為：

式中，XL——相控電抗器的電抗；

α——晶閘管的觸發(fā)延遲角。

在α=90°時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，電抗器等效電納達(dá)到最大；在α=180°時(shí)，晶閘管全關(guān)斷；當(dāng)α在90°與180°區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，TCR的電納也在0與最大值1/XL之間變化，此時(shí)TCR就好像一個(gè)連續(xù)可調(diào)的電感,可以改變吸收無功的大小。加入固定并聯(lián)電容器組后整個(gè)裝置的補(bǔ)償范圍就是一個(gè)可調(diào)的線性無功補(bǔ)償裝置。由于LF爐冶煉過程中產(chǎn)生大量的諧波，因此必須對(duì)固定電容器組加裝濾波電抗器，使得FC具有補(bǔ)償功率與濾波的雙重功能。

圖1 SVC接線圖

3 SVC參數(shù)計(jì)算

3.1 諧波電流分析

表1 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值(據(jù)GB/T14549-93)A

系統(tǒng)短路容量與基準(zhǔn)容量不一致時(shí)，根據(jù)式（4）進(jìn)行修正。

式中，Sk1——公共連接點(diǎn)的最小短路容量；

Sk2——基準(zhǔn)短路容量；

Inp——第n次諧波電流允許值；

In——短路容量為Sk1時(shí)的第n次諧波電流允許值。

第i個(gè)用戶第n次諧波電流實(shí)際允許值Ih：

式中，Ih——修正后的的第n次諧波電流允許值；

Si——第i個(gè)用戶的用電協(xié)議容量；

St——公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量。

表2 α相位疊加系數(shù)

在本工程中，Si為2臺(tái)LF爐的額定容量14 MVA，St為變壓器的額定容量20 MVA，系統(tǒng)短路容量為150 MVA，系統(tǒng)母線電壓6 kV。對(duì)本工程允許分配的諧波電流限制值與LF爐冶煉期間測試的系統(tǒng)諧波電流進(jìn)行對(duì)比，見圖2，發(fā)現(xiàn)LF爐在冶煉期間的主要特征諧波是3次諧波與5次諧波。其中三次諧波電流超標(biāo)：I3=44.505 A（允許值36.8 A），I5=26.08 A。

圖2 SVC系統(tǒng)諧波電流與諧波限值對(duì)比圖

3.2 TCR及FC補(bǔ)償容量計(jì)算

無功補(bǔ)償量計(jì)算：

式中，ΔQMAX——無功補(bǔ)償容量；

S——設(shè)備額定負(fù)荷容量；

φ1——補(bǔ)償前功率因數(shù)角；

φ2——補(bǔ)償后功率數(shù)角；

k——設(shè)備過載能力。

一般設(shè)計(jì)FC的基波補(bǔ)償容量與TCR的補(bǔ)償容量一致。

工程上諧波電流濾波通道的容量分配計(jì)算方法主要有以下2種：

根據(jù)確定的基波無功補(bǔ)償容量Qh，就可以確定補(bǔ)償電容器的電容值Ch：

式中，US——系統(tǒng)基波電壓值；

ωS——系統(tǒng)頻率。

各次濾波通道的諧波電壓：

各次濾波通道的額定電壓為基波電壓與諧波電壓之和：

濾波通道的安裝容量：

3.3 實(shí)際工程計(jì)算

已知參數(shù)：供電設(shè)備容量20 MVA；母線電壓6 kV；6 kV母線系統(tǒng)短路容量150 MVA；6 kV母線系統(tǒng)下有兩臺(tái)LF爐，額定負(fù)荷容量2×7 MVA；LF爐功率因數(shù)0.8，設(shè)計(jì)補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)到0.95；LF爐的過載能力為1.2倍的額定容量。

根據(jù)式（3）計(jì)算得ΔQMAX=5671.68 kvar，考慮到留有一定的裕量，F(xiàn)C的基波補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)為6000 kvar，一般設(shè)計(jì)FC的基波補(bǔ)償容量與TCR的補(bǔ)償容量一致。TCR容量等于FC的基波補(bǔ)償容量為6000 kvar。

本工程中對(duì)3次和5次特征諧波進(jìn)行濾波，濾波通道的容量分配設(shè)計(jì)采用式（7），得到3次濾波通道的基波補(bǔ)償容量為Q3=3783 kvar，5次濾波通道的基波補(bǔ)償容量為Q5=3783 kvar。根據(jù)基波補(bǔ)償容量及式（8）確定補(bǔ)償電容器的電容值為C3=782.26 μF，C5=495.11 μF。根據(jù)式（9）、（10）求出諧波通道的諧波電壓得到UN3=5.5 kV，UN5=4.7 kV，考慮留有一定裕量，實(shí)際工程濾波器的額定電壓取UN3=5.7 kV，UN5=4.8 kV。根據(jù)濾波器的額定電壓及式（11）確定3次、5次濾波通道的安裝容量分別為QN3=7980 kvar，QN5=3582 kvar。基于以上數(shù)據(jù)，并對(duì)電容器過電壓、過電流及容量平衡校驗(yàn)，最終確定電容器的參數(shù)。

表3 實(shí)際濾波電容器參數(shù)

4 SVC投運(yùn)效果及結(jié)論

SVC進(jìn)行仿真測試，系統(tǒng)母線上的電壓、電流波形在SVC投運(yùn)后，明顯得到改善。對(duì)2次諧波電流放大也很小。

圖3 SVC仿真測試諧波電流對(duì)比

表5 SVC投運(yùn)后諧波電流測試

對(duì)比仿真結(jié)果圖3與實(shí)際SVC投運(yùn)效果表5，經(jīng)測試6 kV系統(tǒng)側(cè)諧波電流的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國標(biāo)GB/T14549—93限值要求；1#、2#精煉爐整個(gè)生產(chǎn)過程中,6 kV母線的平均累計(jì)功率因數(shù)達(dá)到0.97。其中3次濾波效果較好，2次諧波放大不明顯，5次諧波電流仍較大。由于TCR為6脈波△接線，線電流中含有諧波為6k±1次，系統(tǒng)中5次諧波為TCR與LF爐共同產(chǎn)生的諧波，F(xiàn)C設(shè)計(jì)時(shí)未考慮TCR產(chǎn)生的5次諧波，導(dǎo)致實(shí)際SVC運(yùn)行時(shí)5次諧波電流較大。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)諧波電流進(jìn)行分析。提出了關(guān)于SVC設(shè)備的基波無功補(bǔ)償容量，濾波電容器安裝容量和相關(guān)參數(shù)的基本理論計(jì)算方法，有利于合理地選擇TCR與FC無功補(bǔ)償容量。

[1]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè)) [M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996，458-501.

[2]王兆安，王軍等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.10：12-18，140-157.

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[6]田吉花.靜止無功補(bǔ)償器的與仿真[D].中國石油大學(xué)，2010.10.

The Design and Application of SVC in Metallurgical Refining Furnaces

TONG Junwei1，F(xiàn)U Dianchen2，LI Lei2
(1.Hangzhou Yuhang New Countryside Construction Co.,Ltd.;2.Hangzhou Iron and Steel Group Co.,Ltd., Hangzhou,Zhejiang 310000,China)

Refining furnaces can cause decline of electricity quality and produce large amount of harmonics during operation.The harmonic current and power factor created by refining furnace were analyzed and the capacity of TCR,capacity of the reactive power compensation of fundamental wave,installation capacity and related parameters of the filter capacitor were determined,taking the two 7000 kVA furnaces of Hangzhou Steel as an example.The objective of increasing the power factor and reducing harmonics has been reached through dynamic reactive compensation of the system.

harmonics treatment;reactive compensation;electrical filter design;SVC; capacity assignment

TM477

B

1006-6764(2015)05-0004-03

2015－02－06

童俊偉（1986－），男，2009年畢業(yè)于寧波大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，2012年就讀浙江大學(xué)電氣工程碩士（在職），助理工程師，現(xiàn)從事電氣電路改造工作。