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矢六黄
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1 SVC 在工业领域的应用西安西电电力整流器有限责任公司 2010 年 3 月 XIAN ELECTRIC MANUFACTURING CORP.

2 一 SVC 应用的背景及意义二国内外研究动态三工业领域应用交流电弧炉运行参数估算 SVC 用于电弧炉从系统工程方面作简要说明

3 一 SVC 应用的背景及意义随着我国的经济快速增长, 发展与资源环境的矛盾日趋尖锐, 我国已经高度重视资源节约和环境保护, 十一五规划纲要把节能和减排已作为约束性目标 SVC 无功补偿技术与电力节能降耗有着密切的联系, 除了能够提高负载和系统的功率因数, 还可以减少设备的功率损耗稳定电压提高供电质量, 同时, 对于电网安全稳定运行起着不容忽视的作用

4 二国内外研究动态动态无功补偿技术从传统的带旋转机械的方式到现代的电力电子元件的应用经历了近一个世纪的发展历程, 根据其工作性能和使用效果大体可以分为以下几个阶段 : 同步调相机开关投切电容器晶闸管控制电抗器 (TCR) 型和晶闸管投切电容器 (TSC) 型 SVC 装置静止无功发生器 (STATCOM) 从 20 世纪 70 年代中期开始, 美国的 GE 公司 ABB 公司和 Siemens 公司先后开发出了 TCR 型 SVC 装置, 并开始应用于工业用户和输配电领域我国在 20 世纪 80 年代初期由西电公司等单位联合引进了 ABB 公司的 TCR 型 SVC 动态无功补偿技术, 经过努力,1989 年 8 月 29 日在大冶钢厂投入工业运行

5 此次投运开创了我国 SVC 装置自主生产并应用的新纪元, 并荣获了 1992 年度机械电子工业部科技进步一等奖,1993 年度国家科技进步三等奖进入 90 年代后, 随着电力电子技术的不断发展和控制技术的不断提高, ABB Siemens 日本东芝三菱等大公司的全数字化大容量 TCR 型 SVC 装置进入了实用化阶段, 装置的可靠性和无功补偿的效果得到了显著提升,SVC 在工业领域和输配电领域得到了前所未有的高速发展 1991 年, 在我国, 西电公司首次设计制造了 35kV 直挂式 SVC 装置, 代表着先进的 SVC 技术随着电力电子技术的发展, 无功补偿技术已逐渐走向成熟, 并不断向着解决实际问题的方向进行着技术的进步而在实际情况中, 谐波对电网的影响非常大, 这就需要无功补偿技术与谐波治理结合起来对无功补偿技术的发展方向做出了如下的总结 :

6 由三相共补到分相补偿, 以求达到更理想的补偿效果 ; 由静止补偿发展到动态补偿 ; 智能型自动补偿控制器和配电变压器的运行记录仪相结合 ; 将补偿的功能纳入欧式美式箱变的低压部分 ; 选用自愈式并联电容器, 提高了运行的可靠性, 并延长了使用年限 ; 由单一的无功补偿到同时具有滤波及抑制谐波功能的补偿装置无功补偿及谐波治理技术的广泛应用不但对电网设备的安全稳定运行起着很大的作用, 同样对于电力工业领域节能减排工作有很大帮助, 对于降低线损减少设备及线路附加损耗提高功率因数减少谐波电流等方面都有着极为显著地经济效益

7 三工业领域应用在工业配电中, 经常会遇到有功功率和无功功率大幅度冲击波动的负荷, 从冶金工业中电弧炉炼钢大型轧机运行大型建筑和制造工业中电焊机使用, 交通运输中电气机车运行以至高能物理研究中回旋加速器工作等等这些强烈波动的负荷会将导致配电母线电压的波动, 产生闪变并畸变电压波形和降低负荷的功率因数特别当供电网络的容量不足时, 这种影响更为严重上述类型的波动负荷中最典型的是电弧炉运行交流电弧炉的冶炼过程分为两个阶段, 即熔化期和精炼期, 冶炼周期约为 3~8 小时, 交流电弧炉熔化期约为 0.5~2 小时在熔化期, 相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体, 电弧阻抗不稳定, 有时因电极插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路, 并且依靠电炉变压器和所串电抗器的总电抗来限制短路电流, 使之不超过电炉变压器额定电流的 2~3 倍, 负荷性质为三相不对称的冲击负荷冶炼周期的功率分布如下图所示 :

8 冶炼周期内的电弧炉负荷示意图

9 交流电弧炉运行参数估算交流电弧炉的供电线图如下所示 : 其中 : U 0 无限大电源母线电压 ; PCC 公共连接点 ( 或称公共供电点 ): f b 电弧炉变压器一次侧母线 : T1 钢厂主变压器 ; C 钢厂进线 ; D 电弧炉变压器进线 ; T2 电弧炉变压器 ; F 电弧炉 ; E 短网, 电弧炉变压器二次侧至电弧炉电极的引线 X O =Xs+X L +X T +X F

10 设电弧炉的短路容量为 Sd (MVA),P+jQ 为电弧炉主电路的复功率, 则有 : S U U R U X =, d X , P = Q = X 0 + R X 0 R 不难证明, 当 R 变化时, 电弧炉运行的功率 P Q 按半圆轨迹移 2 U 动, 其直径 OD = S = 0 d 理想的最大短路容量 (R=0) 图中 A 为熔化 d X 0 期的额定运行点, ϕ N 为相应的回路阻抗角,cos =0.7~0.85;B 点为电极三相短路运行点, 此时 RA=0, ϕ d 为短路回路阻抗角,cos =0.1~0.2 ϕ d ϕ N

11 预测计算时, 最大无功变动量 ΔQ max 则有 Δ = CE = OE OC = OB sinϕ OAsinϕ Q max = S d (sin 2 ϕ sin d 2 d ϕ ) N N = OD(sin 2 ϕ d sin 2 ϕ ) N 由于 sinϕ 1 d, 则 ΔQ max S d cos 2 ϕ N 实际上电弧炉在熔化期电极和炉料 ( 或熔化后钢水 ) 接触可以有开路 (R=, 对应于 O 点 ) 和短路 (RA=0,R 0, 对应于 D 点 ) 两种极端状态, 当相继出现这两种状态时则得到 : ΔQ max Sd

12 电弧炉的特点是 : 运行的任何瞬间每相的有功功率和无功功率各不相同, 即电弧炉负荷是三相不对称负荷, 且功率因数很低有功功率和无功功率变化在电炉装料熔化精炼等不同运行阶段差异很大, 且不同型式的电弧炉又有不同的特性由于电弧的不稳定和随机性从而电弧运行过程中有功功率和无功功率变化也是随机和不可控的迄今, 人们尚未能寻求到合理控制这些变化的方法由于电弧的非线性而产生大量的谐波电流, 其频谱也十分宽广虽然增大供电网短路水平, 可以解决上述危害的部分问题, 但实际上又往往非用户能力所及

13 采用相控型的 SVC 装置则可以收到满意的效果 : 平衡电炉三相不平衡的无功功率和使三相不平衡的有功功率平衡化在任何运行瞬间对电炉全部波动范围内的无功功率进行瞬时补偿, 以维持其等效功率因数在用户所希望的水平对无功功率波动可以自动跟踪快速响应, 从而控制急剧的无功波动造成的电压波动和闪变 SVC 本身的电容器可作为谐波滤波器, 充分地吸收电弧炉所产生的谐波电流, 限制非线性工业用户的谐波电流进入电网以及由此而造成电压畸变的水平

14 SVC 用于电弧炉从系统工程方面作简要说明用 SVC 装置进行动态无功补偿, 降低配电母线电压波动和控制闪变 S P Q COSφ 2.0Pu S= 2 2 P +Q (MVA) Xs Xf Ra COSφ P(MW) Q(MVAR) W) (a) (b) 1.0 IN 2.0 IN 图 b 展示出了中型电弧炉运行时有功功率和无功功率随电流变化的典型特征曲线它表明了 :

15 视在功率随电弧电流增大而线性增大无功功率随电弧电流增大而上升有功功率随电弧电流增大开始是上升的, 随后则下降功率因数随电弧电流增大而下降功率波动造成配电母线电压波动, 可以用下图来说明, 图中 X N 是电网的等值阻抗,R N 是电网的等值电阻对于电弧炉电流的任意波动量 I, 可以做出波动电流 I 与其他产生的波动电压 u 向量图 : XN U RN U1 IXN U IRN I U U2 U1 U2 φ (a) (b)

16 相应的近似方程为 : R X 电压波动 Δu = ΔI X ( Sinϕ + cosϕ) N N 式中 =, 通常供电网的 R N <<X N, 在导入母线 U 2 的短路容量 S K 后获方程 : Δu u 1 ΔQ = S k X N 此式清晰的表明配电母线电压波动 Δu百分值与负荷的无功波动量成正比 ΔQ, 而与母线的短路容量 S K 成反比过高的电压波动, 不仅影响冶炼质量而且会导致邻近用电设备发生闪变, 为了实现电弧炉闪变的控制和动态无功功率补偿,SVC 装置的使用是最佳方案

17 用 SVC 装置来平衡电弧炉中的不平衡负荷电网运行规程对连续运行中的负序电流规定, 一般负序电流不许超过额定电流的 10% 而电压不平衡度则为 0.5% 左右应用 SVC 时, 可以方便地实现单相控制, 按各相需求的无功功率快速补偿调节, 实现三相无功功率平衡同时, 它还可以通过 steinmets 方法来实现不平衡的三相有功负荷平衡比用 SVC 装置来改善电炉负荷的功率因数前已述及, 电弧炉运行的大部分时间, 都是处于低功率因数范围内如果靠供电网或电厂提供无功功率, 必然造成网络阻抗上的附加损耗, 降低发电机运行功率因数, 甚至导致用户供电变压器过负荷, 无论从经济性和技术性来看都是不可取的, 最有效的方法就是在电弧炉用户负荷点处装设无功功率补偿设备

18 SVC 装置对降低进入电网的谐波电流和限制谐波电压畸变的作用电弧炉伏安特性的非线性, 使得电弧炉运行过程, 特别是熔化期, 出现高值的谐波电流根据国外某些电弧炉的实测统计, 电弧炉谐波分量百分比值如表 1 表 1 电弧炉的谐波百分量 ( 以基波额定电流为基准 ) 谐波次数平均百分值 % 最大值这里, 还必须提到, 在轧机等用可控硅做整流传动供电的系统中, 也同样存在谐波电流的问题表 2 给出不同脉波数的可控整流装置相应的谐波百分值

19 表 2 不同脉波数的整流装置理论上谐波含量变流器脉波数谐波谱及含量 % 值 ( 以基波为基准 ) / / / / / / / / / / 24 / / / / / / 因此, 对于大型电弧炉和大型可控硅交流装置, 可以说是电力网中的大型谐波源随着这类设备的广泛应用, 谐波问题日益严重, 已成为交流电力网的公害之一其危害表现为如下几方面 :

20 谐波电流会在供电网阻抗上产生谐波电压降, 它使供电母线电压严重畸变, 如果其它用户与此供电网相连, 低劣的电能质量就会危及其它用户, 这对电子设备和控制系统的用户是绝对不允许的上述非线性用户谐波源将大量谐波电流送入电网, 会造成发电机, 电动机, 电容器等很多设备产生附加损耗和过负荷, 不但降低这些设备的效率, 甚至危及它们的安全由于电网运行总是不断变化的, 其等值阻抗也不断变化, 谐波源的存在意味着电网中存在谐振的危险, 谐振所产生的很高的过电压和过电流会危及一大片区域的电气设备的安全谐波电流进入电网后, 它可以通过输电线传输到遥远的地区, 在沿线路传送时, 它将对附近的通讯线路产生音频通信干扰十分明显, 谐波的处理已不是同步调相机力所能及的问题, 通常相控型 SVC 装置的电容器组可以提供无功功率兼作滤波器组, 通过正确的设计, 完全可以将谐波危害指标限制在规定水平内, 并避免与电网之间发生危险的谐波现象

21 谢谢!

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