靜止無功補償裝置在某鋼鐵廠中的應用

張輝亮宋 戈李曉明

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，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用

張輝亮1宋 戈1李曉明2

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，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荷在運行時引起的電能質量問題，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用成果。分析了SVC靜止無功補償裝置的工作原理，詳細介紹了 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節無功能夠提高電能質量。

靜止無功補償裝置；晶閘管閥；濾波電容器組；控制系統

隨著國民經濟的發展和現代化技術的進步，電力網負荷急劇增大，對電網感性無功要求也與日俱增，為保證電力系統的穩定運行，其安全性、可靠性、經濟性以及輸送電能的質量是最根本的問題。一些大功率負荷的投入、退出，或者系統局部故障等，都會造成系統中有功功率和無功功率的大幅擾動，從而對電網的穩定性和經濟性產生影響，特別是可逆式大型軋鋼機、煉鋼電弧爐等沖擊負荷、非線性負荷容量的不斷增加，加上普遍應用的電力電子和微電技術，使得電力網發生電壓波形畸變，電壓波動閃變和三相不平衡等，產生電能質量降低，電網功率因數降低，網絡損耗增加等不良影響[1-2]。同時，這些擾動引起的電磁暫態過程所產生的過電流和過電壓又往往會危害到有關電器設備的安全。

鋼鐵廠使用的交流電弧爐煉鋼，是對電網產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，同時，煉鋼初期工作的不對稱，負序電流也更為明顯。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，目前鋼鐵廠引進了無功功率的吸收和補償裝置，以保證電能質量[3]。

1 常見的無功補償裝置

在工業負荷配電網中，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、經濟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勢，故以下將主要介紹TCR型SVC在鋼鐵廠中的應用研究。

2 SVC工作原理

SVC可以被看成是一個動態的無功源。根據接入電網的需求，它可以向電網提供無功（容性），也可以吸收電網多余的無功（感性）。把電容器組（通常是濾波器組）接入電網，就可以向電網提供無功。當電網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）一起構成一個完整的SVC裝置。FC負責向系統提供容性無功，以補償負荷的無功消耗。通常希望 FC提供的無功略大于負荷實際需要的無功，多出來的一些容性無功就由TCR來吸收，保證電源系統不再向負荷提供任何無功。當負荷無功發生變動的時候，TCR根據一定的控制策略，會及時調整其無功容量，適應負荷無功的變動，始終保持電源系統提供的無功功率為零（功率因數控制），或者保證電源系統供電電壓維持在規定的范圍內（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，負荷需要的無功Qload全部由電源系統提供Qs。這樣，系統功率因數很低，供電效率下降。投入SVC之后，SVC提供的無功 Qsvc，將完全補償負荷所需的無功。圖中，設置了三組 FC和一組 TCR，通常情況下，Qsvc=Qfc-Qtcr。一些詳細的控制策略此處不再敘述。

圖1 SVC工作原理

3 SVC系統構成與功能

3.1 系統構成

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

圖2 TCR+FC型SVC系統的組成

3.2 主要設備的功能

1）電抗器

電抗器一般采用線性結構，電抗器是SVC中吸收無功或調節無功的主體。通常要求它有良好的線性特性和穩定性，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構，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閥組串聯后接成三角形，然后并聯接入電網。

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串。可控硅及其附件作為功率元件，發熱量比較大，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，其觸發方式則以光電觸發為主[4]。

3）水冷卻系統

對閥組的冷卻采用去離子水（純水）來進行。水處理系統，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并保持較高的水質。

水處理系統的外冷卻，主要靠普通循環工業水來進行。也有靠風冷卻裝置來做外冷卻的。

4）濾波電容器組

系統中的濾波支路主要向系統提供足夠的容性無功，并濾除電網的有害諧波。濾波支路通常又以濾波電容器（或并聯電容器）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。

在實際的工程當中，這個 FC部分往往被分成若干個單元組，這些單元組由機械開關或另一類可控硅閥組按照實際的電網需求進行投切操作。

5）控制系統

控制系統主要實現對 TCR的控制，系統根據SVC的實際工況，向閥組發出控制觸發脈沖，在適當的位置（相位）觸發可控硅（相控）。檢測閥組的工況并及時準確的記錄并顯示出來。對于一些特殊的情況或故障，及時地報警或發出跳閘指令。完成TCR及FC等設備的投入或退出。在實際的工程中，對SVC正常投切順序及組合有嚴格的步驟要求。同時，故障退出也按照一定的步驟來進行。完成對SVC各部分的保護。提供友好的人機界面，以方便用戶的操作及維護。

4 某鋼鐵廠電能現狀

經過對某鋼鐵集團有限公司電能質量的研究，發現該鋼鐵集團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，在運行時對電網的沖擊仍非常大，主要原因是電弧爐等非線性負荷會引起電壓閃變、波動、功率因數和諧波等電能質量問題。為此制定了專門的SVC解決方案，方案考慮通過快速的系統響應抑制電壓閃變，同時使用合理的濾波器設置濾除負荷產生的有害諧波，線性平滑地控制無功功率，穩定功率因數[5-6]。

鋼廠負荷情況見表2。

表2 鋼廠負荷情況表

5 SVC應用

根據計算，該鋼廠項目動態無功容量為100Mvar，在 35kV母線上安裝一套動態無功補償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、控制監控系統等組件及相關附件。

1）系統配置

SVC的設計容量為：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（表3）

表3 投運后各項指標對比表

6 結論

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

負荷特性頻繁變化的影響，經常產生無功過補或欠補狀況，經過TCR+FC型SVC的治理后，系統內的煉鋼、軋鋼負荷功率因數由原來的0.75穩定保持在0.98～1，在更為節約電能的前提下提高了該鋼廠的產量，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已在冶金行業得到了廣泛的應用，形成了成熟的技術方案。由于其具有響應速度快，吸收無功連續、產生的高次諧波量小、調節范圍廣、損耗與噪聲小等特點，使其成為未來無功補償技術的發展方向。

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

[2]謝小榮.柔性交流電系統的原理與應用[M].北京:清華大學出版社, 2006.

[3]夏巖峰.100Mvar SVC在220kV系統中的應用研究[D].北京: 華北電力大學, 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爐工程中的應用[J].冶金動力, 2007(1): 1-5, 9.

[6]張定華, 桂衛華, 王衛安, 等.大型電弧爐無功補償與諧波抑制的綜合補償系統[J].電網技術, 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備有限公司產品設計部經理，從事電力一次設備方面的研究工作。