SVC在冶金企業精煉爐的設計與應用

童俊偉，付殿臣，李 磊

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

SVC在冶金企業精煉爐的設計與應用

童俊偉1，付殿臣2，李 磊2

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

精煉爐在冶煉過程中會引起電能質量下降，產生大量諧波。以杭鋼2臺7000 kVA精煉爐為例，對精煉爐產生的諧波電流、功率因數進行分析，確定TCR的容量，基波無功補償容量，濾波電容器安裝容量和相關參數。通過對系統進行動態無功補償，達到提高功率因數，降低諧波的目的。

諧波治理；無功補償；濾波器設計；SVC；容量分配

1 引言

在鋼鐵冶金企業中，主要的爐外精煉手段之一就是采用LF爐，它加快了生產節奏，使整個冶金生產效率得到提高。但是LF爐是大容量的非線性沖擊負荷，在其冶煉期間，將會產生大量的諧波，造成電壓波動和功率因數下降等電能質量問題，影響用電設備的出力，增加電能損耗，也危害其他電力設備安全運行。目前廣泛采用SVC（Static Var Compensator靜止型動態無功補償裝置）來提高LF爐冶煉期間的電能質量。

2 SVC介紹

2.1 靜止型無功補償器

SVC是一種可以控制的無功功率補償裝置。把SVC的電容器組接入電網，向電網提供無功。當電網不需要多余無功時，就由與電容器組并聯的空心電抗器來吸收無功。

式中，QS——系統無功；

QL——負荷需要無功量；

QC——無功補償量；

QTCR——并聯電抗器吸收的無功量（根據負荷所需無功量實時跟蹤變化）。

根據不同的結構原理，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償器。目前應用較為廣泛的是TCR型和TSC型SVC，其中TCR型SVC具有可控性好、響應速度快、補償范圍寬等優點。

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、水冷系統及并聯電容器組成，SVC接線圖見圖1。其中TCR裝置可實現電抗器分相調節的控制，能有效抑制不對稱負荷的波動，在LF爐系統中采用比較多。TCR的工作原理簡單，通過控制晶閘管的觸發導通角來改變電抗器等效電納的大小，從而實現連續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——晶閘管的觸發延遲角。

在α=90°時，晶閘管全導通，電抗器等效電納達到最大；在α=180°時，晶閘管全關斷；當α在90°與180°區間內變化時，TCR的電納也在0與最大值1/XL之間變化，此時TCR就好像一個連續可調的電感,可以改變吸收無功的大小。加入固定并聯電容器組后整個裝置的補償范圍就是一個可調的線性無功補償裝置。由于LF爐冶煉過程中產生大量的諧波，因此必須對固定電容器組加裝濾波電抗器，使得FC具有補償功率與濾波的雙重功能。

圖1 SVC接線圖

3 SVC參數計算

3.1 諧波電流分析

表1 注入公共連接點的諧波電流允許值(據GB/T14549-93)A

系統短路容量與基準容量不一致時，根據式（4）進行修正。

式中，Sk1——公共連接點的最小短路容量；

Sk2——基準短路容量；

Inp——第n次諧波電流允許值；

In——短路容量為Sk1時的第n次諧波電流允許值。

第i個用戶第n次諧波電流實際允許值Ih：

式中，Ih——修正后的的第n次諧波電流允許值；

Si——第i個用戶的用電協議容量；

St——公共連接點的供電設備容量。

表2 α相位疊加系數

在本工程中，Si為2臺LF爐的額定容量14 MVA，St為變壓器的額定容量20 MVA，系統短路容量為150 MVA，系統母線電壓6 kV。對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諧波電流進行對比，見圖2，發現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：I3=44.505 A（允許值36.8 A），I5=26.08 A。

圖2 SVC系統諧波電流與諧波限值對比圖

3.2 TCR及FC補償容量計算

無功補償量計算：

式中，ΔQMAX——無功補償容量；

S——設備額定負荷容量；

φ1——補償前功率因數角；

φ2——補償后功率數角；

k——設備過載能力。

一般設計FC的基波補償容量與TCR的補償容量一致。

工程上諧波電流濾波通道的容量分配計算方法主要有以下2種：

根據確定的基波無功補償容量Qh，就可以確定補償電容器的電容值Ch：

式中，US——系統基波電壓值；

ωS——系統頻率。

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 實際工程計算

已知參數：供電設備容量20 MVA；母線電壓6 kV；6 kV母線系統短路容量150 MVA；6 kV母線系統下有兩臺LF爐，額定負荷容量2×7 MVA；LF爐功率因數0.8，設計補償后功率因數達到0.95；LF爐的過載能力為1.2倍的額定容量。

根據式（3）計算得ΔQMAX=5671.68 kvar，考慮到留有一定的裕量，FC的基波補償容量設計為6000 kvar，一般設計FC的基波補償容量與TCR的補償容量一致。TCR容量等于FC的基波補償容量為6000 kvar。

本工程中對3次和5次特征諧波進行濾波，濾波通道的容量分配設計采用式（7），得到3次濾波通道的基波補償容量為Q3=3783 kvar，5次濾波通道的基波補償容量為Q5=3783 kvar。根據基波補償容量及式（8）確定補償電容器的電容值為C3=782.26 μF，C5=495.11 μF。根據式（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，實際工程濾波器的額定電壓取UN3=5.7 kV，UN5=4.8 kV。根據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。基于以上數據，并對電容器過電壓、過電流及容量平衡校驗，最終確定電容器的參數。

表3 實際濾波電容器參數

4 SVC投運效果及結論

SVC進行仿真測試，系統母線上的電壓、電流波形在SVC投運后，明顯得到改善。對2次諧波電流放大也很小。

圖3 SVC仿真測試諧波電流對比

表5 SVC投運后諧波電流測試

對比仿真結果圖3與實際SVC投運效果表5，經測試6 kV系統側諧波電流的各項指標均滿足國標GB/T14549—93限值要求；1#、2#精煉爐整個生產過程中,6 kV母線的平均累計功率因數達到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，系統中5次諧波為TCR與LF爐共同產生的諧波，FC設計時未考慮TCR產生的5次諧波，導致實際SVC運行時5次諧波電流較大。

5 結束語

本文結合工程實例，對諧波電流進行分析。提出了關于SVC設備的基波無功補償容量，濾波電容器安裝容量和相關參數的基本理論計算方法，有利于合理地選擇TCR與FC無功補償容量。

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The Design and Application of SVC in Metallurgical Refining Furnaces

TONG Junwei1，FU 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年畢業于寧波大學電子信息科學與技術專業，2012年就讀浙江大學電氣工程碩士（在職），助理工程師，現從事電氣電路改造工作。