天钢精炼炉无功和谐波补偿装置的改造方案

张娜 （天津钢铁集团有限公司炼钢厂，天津 300301)

天钢精炼炉无功和谐波补偿装置的改造方案

张娜 （天津钢铁集团有限公司炼钢厂，天津 300301)

由于天钢炼钢厂LF炉原有无功和谐波补偿装置不能满足提高功率因数及改善对电网谐波污染等要求，因此进行了改造。通过对几种无功和谐波补偿装置的介绍及比较，在2＃LF炉安装XRVAR系列有源动态无功和谐波补偿装置，以改善原有设备问题。改造并网后，输出电压总谐波畸变率小于3%，输出电流总谐波畸变率小于4%，功率因数可达0.95以上。

精炼炉 功率因数 谐波 补偿 改造

1 引言

天津钢铁集团有限公司炼钢厂共有3座LF精炼炉，1#LF炉现在高压供电侧安装无功功率和谐波补偿装置。2#、3#LF炉因采用原设备配套的固定电容补偿装置，投入后出现过补，现停用后，功率因数仅为0.78，达不到供电部门要求，而且对电网造成污染甚至冲击，必须治理。本文以2#LF炉为例，结合当前相关的前沿技术，提出了在2#LF炉用户侧安装使用有源动态无功和谐波补偿装置（SVG)，对原有设备进行利旧改造的整改方案，解决原有设备存在问题。

2 炼钢厂2＃LF炉滤波装置改造方案设计

2.1 2#LF炉的炉变参数

一次额定电压：35 kV，50 Hz;

炉变容量：20 MVA（+20%);

LF 炉额定工作点容量：P=22 MW，cosø=0. 78;

短网系统阻抗：≤0.65+j2.4 Ω;

二次额定电压：425～395 V为恒功率级，395～325 V为恒电流级;

阻抗电压：7%;

三相阻抗不平衡系数：≤4.5%。

2.2 2#LF炉原滤波补偿装置存在问题

天钢炼钢厂有3座LF精炼炉，为解决功率因数及抑制谐波污染，在35 kV母线侧各装有一组H3滤波器，滤波器安装容量为9 Mvar，但使用效果很不理想，不但没有解决功率因数问题，反而使问题更加恶化。为解决问题，现1#LF炉在22万站高压供电侧安装无功功率和谐波补偿装置，使问题有所缓解。但2#、3#LF炉由于投入滤波设备后出现过补，不符合供电部门要求，并且多次出现投切电容器过程中产生过电压造成电容器损坏及电缆头放电等严重设备故障，影响LF炉设备正常使用，因此自2007年开始2#、3#LF炉滤波设备停用。但功率因数低、谐波污染严重问题长期存在，急需改造。

2.3 治理方案比较

2.3.1 无源滤波器

传统的补偿谐波和无功电流的一种方法是装设无源滤波器，通常由电容器、电抗器、电阻器并联而成。该方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率。2#LF炉原设备配套安装的即是这种功率补偿装置（FC)。实际效果证明，这种滤波装置存在调节不连续、响应速度慢等问题，不适于精炼炉这种不能稳定运行的工况，易过补产生谐振，工况适应力弱。原设备因采用断路器投切电容器，多次引起较为严重的冲击涌流及操作过电压，造成电容器承受过电压而击穿。因此未采取继续使用原设备的方案。

2.3.2 SVC装置简介

交流电弧炉、精炼炉、大型轧钢机等负荷均属于动态变化的非线性负荷。这类负荷的有功功率与无功功率随时间作快速变化。由于其非线性和不平衡的用电特性，使供电电网的电压波形发生畸变，引起电压的波动、闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率的波动，而且向系统注入大量的谐波，对电网的供电质量构成了严重的威胁。近年发展起来一种快速调节无功功率的装置，即静止型无功补偿装置（Static Var Compensation，即SVC)，这种装置已成功地应用于冶金、电气化铁路等冲击性负荷的补偿上。这种装置的特点是调节快速、功能多样、工作可靠以及投资和运行费用经济等，相比同步调相机有明显的优点，因而在国内外得到较快的发展与实际应用。SVC具有响应速度较快的特点，但也存在一些问题，例如：在电压低时，无法提供所需的无功支持，应付突发事件的能力较弱，另外，为了抑制谐波，就必须装设滤波器，因此占地面积较大。此外，过多的SVC装置也容易引发系统振荡。

2.3.3 有源动态无功和谐波补偿装置（SVG)简介

XRVAR系列有源动态无功和谐波补偿装置是以IGBT为核心的SVG补偿系统，SVG是柔性交流输电技术的主要装置之一，它是现阶段比较先进的电力系统无功补偿技术。SVG无功补偿装置可以快速连续地提供容性和感性无功功率，实现适当的电压和无功功率控制，从而保障电力系统稳定、高效和优质地运行。在供配电系统中，将SVG装置安装在电弧炉、精炼炉附近，可以明显地改善电能质量。包括：提高功率因数、抑止谐波污染、消除电压闪变和电压波动以及克服三相不平衡等。

图1 SVC与SVG闪变抑制效果对比图

在SVC技术研究的基础之上，随着GTO、IGCT、IGBT等大功率电力电子器件的发展和应用，静止无功发生器（Static Var Generation，简称SVG)成为最新一代动态无功补偿技术。它具备响应速度较快、吸收无功可连续、产生的高次谐波量非常小、调节范围较广、损耗与噪音小等突出优点，在电能质量与无功补偿研究的领域发挥越来越大的作用。一般而言，SVC的响应时间约20～40 ms，而SVG的响应时间不大于5 ms。对于闪变补偿而言，在无功容量足够的情况下，补偿装置输出无功的响应时间是闪变补偿效果的主要决定因素。从图1可以看出，受响应时间限制，即使增大容量，SVC抑制电压闪变的效果仍存在局限性。而SVG则能够非常有效地抑制电压闪变。

2.3.4 改造方案确定

基于以上3种无功补偿装置的设备条件，结合天钢2#LF炉现场情况，在排除使用无源滤波装置（FC)后，对SVC与SVG两种装置进行了比较，提出了SVG装置的几点优越性。

（1) 由于SVG使用的电抗和电容等无源器件远比SVC少，因此大大缩小装置的体积和占地面积。SVC中的电抗器不仅本身体积大，而且要考虑相互间的安装间隔，整体占地面积非常大。在相同的补偿容量下，SVG的占地面积比SVC减少1/2～2/3。因2#LF炉目前已投产使用，要在原设备安装位置进行利旧改造，不具备安装占地面积较大的SVC设备的条件。

（2) SVC具有阻抗型特性，输出容量受到母线电压影响很大。SVG具有电流源的特性，输出容量受母线电压影响很小。这一优点使SVG用于电压控制时具备很大的优势。

基于以上分析，在2#LF炉采用35 kV静止型无功动态补偿装置（SVG)是可行性改造方案。

3 炼钢厂2＃LF炉滤波装置介绍

3.1 天钢2#LF炉XDSVG-X-35成套装置基本原理

天钢2#LF炉XDSVG-X-35成套装置设计中采用功率电阻和开关串联的方式进行放电，不但可以实现均压，而且在输入开关断开后，可以给直流电容放电，避免人身伤害事故的发生。电子旁路回路采用进口IGBT器件，动作迅速且可靠，保证了功率模块发生故障情况下，控制器可以在1 ms内将故障模块可靠旁路。

功率模块的控制器除了采样回路、保护回路和输出驱动回路外，几乎所有的逻辑和通讯处理均采用大规模FPGA芯片完成，智能化的设计使得硬件设计简单，软件设计灵活，便于以后的功能修改和升级，而且可靠性高，受功率器件的干扰小。模块化的结构设计使得产品紧凑、重量轻且通用性强，在功率模块发生故障时，用户只需要更换模块，就可使故障的处理简单化，为恢复生产赢得了宝贵的时间。模块的外部接口只有2个电压输出端子和2个光纤端子，即使非专业人员也可以更换模块，不易发生错误，使得维护和检修简单化。

SVG的原理如图2所示，从图2中分析其原理就是通过适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收、发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

图2 XDSVG-X-35成套装置电气原理图

3.2 天钢2#LF炉采用的SVG装置组成

天钢2#LF炉采用的SVG装置由4个功率柜、1个控制柜、1个启动柜（利旧设备)和连接电抗器组成，装置的组成见表1。

表1 SVG装置组成

4 结束语

天钢2＃LF炉滤波补偿改造项目自2010年初立项后，2010年底开始施工，2011年4月完成设备安装。目前2#LF炉该项目单机调试已经完成，进入试运行阶段，经过现场测试，控制器响应时间小于1 ms;并网后输出电压总谐波畸变率小于3%;输出电流总谐波畸变率小于4%;功率因数可达0.95以上。由于采用中文显示操作界面，便于操作及查找故障原因，使得维护和检修简单化。

预计该项目投入后将明显地改善供电线路的供电质量，提高电网的无功功率平衡能力，提高系统的静态、动态和暂态的稳定性。天钢在今年还要继续在3#LF炉等设备中推广该技术的应用。

[1]程浩忠，吴浩.电力系统无功电压的稳定性[M].北京：中国电力出版社，1998.

[2]吴竞昌.供电系统谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.

[3]陈强，黎小彬.SVG无功补偿与谐波治理装置的工程应用[J].福建电力与电工出版社，2008，28（4):50-53.

Modification Plan of TISCO LF Reactive Power and Harmonic Compensation

Zhang Na

Modification was carried out because the original reactive power and harmonic compensation for LF of TISCO Steel-making Plant could not meet the requirement of increasing power factor and improving power grid pollution by harmonic.XRVAR series active dynamic reactive power and harmonic compensation was installed at LF 2 to eliminate problems after several such compensation systems were compared.After modification and grid parallel,total harmonic distortion of output voltage was less than 3%,total harmonic distortion of output current less than 4%and power factor over 0.95.

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（收稿 2011－07－18 责编 赵实鸣)

张娜，女，现在天津钢铁集团有限公司炼钢厂设备科从事电气设备管理工作。