动态无功补偿技术在重工设备制造企业中的应用

2011-02-08闫慧君

电力需求侧管理 2011年3期

高飞，闫慧君

（中冶陕压重工设备有限公司，陕西渭南 711711）

1 工程概况

中冶陕压重工设备有限公司是中国冶金科工集团下重型设备研发制造企业。热加工扩建项目中，新建铸钢车间安装铸钢30 t高阻抗电弧炉1台、40 t精炼炉1台、50 t电弧炉1台和60 t精炼炉1台。公司原有1台10 t电弧炉，1台15 t精炼炉。电炉群由公司110 kV变电站供电。鉴于大型电弧炉运行时会对电网产生重大冲击和谐波，严重影响电网的供电质量，为此，供电部门和公司要求加装动态无功补偿装置（SVC），以解决电弧炉群运行中对电网供电质量的影响。

2 供电情况

中冶陕压重工设备有限公司110 kV变电所由上级变电所提供1条110 kV母线，经2台主变（主变均为63 MVA三线圈电力变压器，且2台主变均投运）分别降至35 kV母线和10 kV母线为该公司供电，1号主变带35 kV母线Ⅰ段，2号主变带35 kV母线Ⅱ段，2段母线经母联开关联络。在35 kV母线上装设2套SVC补偿装置，供电示意图如图1所示。

3 电弧炉运行时对电网电能质量的影响

图1 供电示意图

电弧炉在运行时电流波动极为频繁，有炉料塌落造成的电弧短路产生的冲击电流而引起的，也有近似于周期性的电流波动。这种电流的波动导致供电系统阻抗上电压降落发生波动，从而引起公共电网的电压波动，影响其它用电设备的正常工作。主要表现在：①产生电压闪变；②有功功率和无功功率有较大的突发性波动；③产生污染电网的谐波电流，危及其它用电设备；④很低的基波功率因数，导致供电部门的罚款；⑤较大的电压波动，影响其它用电设备的正常运行，也影响电炉自身电弧的出力，降低生产率。

4 电炉无功补偿装置方案的选择

目前对于电炉无功补偿装置主要有2种方案可供选择，即动态无功补偿（SVC）和静态滤波补偿装置（FC），二者都是补偿无功功率，提高功率因数是其中目的之一。

方案一：按照无功功率补偿原则要求，应该为大用电设备就地补偿，即每台电弧炉各设置1套SVC装置，这样可以稳定设备端电压，提高设备出力，缩短冶炼时间，减少由于无功负荷传输造成的线路损耗和压降，但如果采取该方案就需要4套SVC装置，增加投资约420万元左右（市场询价），而且要在电炉附近寻找4块10m×36m的平面位置，而新建车间区域规划无法满足此要求，另外，SVC设备配置的电压（35 kV）电容器、电抗器等所需的冷却装置要安装在室外，日常运行和安全防护等问题难以满足要求。

方案二：在电炉群附近按照电炉群分组，设置2套SVC装置，可以相互错峰，总容量变化不大，这样就需要2块约14m×36m左右的平面位置，车间区域布置规划中也无法满足，并且因为要增加35 kV配电装置和高压室，需要增加约85万元左右的设备投资费用和10万元左右的土建费用，无功传输线路短，损耗有所减少，但运行管理和安全防护问题仍然存在。

方案三：在110 kV变电站内集中设置2套SVC装置，分别挂接在2段35 kV母线上（电炉专用母线段），除SVC装置、相应的建筑和维护费用外不需要增加其它费用。该方案除了增加最远870m电缆传输无功电流造成的损耗和压降外无其它缺陷，并且能兼顾公司原有2台电炉对电网造成的污染和无功补偿。

综合以上分析并结合公司负荷特点，最终确定采用方案三，在高压35 kV母线上装设2套SVC补偿装置，提高供电质量。35 kV母线Ⅰ段无功功率补偿系统原理图如图2所示。

图2 35 kV母线Ⅰ段无功功率补偿系统原理图

2组SVC可分组独立接入，也可经过母线联络开关并联运行。谐波吸收治理部分主要考虑2次、3次、4次、5次及以上谐波，其中要求3、5次滤波回路具有高通滤波功能，并应能在至少一个已有的滤波回路内（或设置的专用基波补偿回路内）实现电容器按一定容量分组投切，以适应公司不同工况时负荷变化的要求，并使晶闸管控制电抗器（TCR）容量最小。

5 SVC补偿容量的确定

确定SVC补偿容量，应主要考虑以下几个方面。

根据电网及设备的已知条件计算各元件阻抗，然后根据元件阻抗计算电压闪变的波动率；补偿系数的计算；主电抗器容量的计算；补偿用电容器容量的计算；平衡电抗器所需的电容器容量的计算；SVC补偿所需电容器总容量的计算；滤波器的配置等。根据电炉及线路的入网参数，具体计算结果如下。

（1）在电炉35 kV母线PCC点，为改善电压闪变所需的无功补偿最大量QTCR=31Mvar。

（2）为提高系统功数因数所需的静态无功补偿量QC=9.15Mvar。

（3）SVC 基波补偿容量 QTCR=31 Mvar，QFC=25Mvar。

（4）滤波器的配置。通过谐波电压、电流波形畸变计算结果表明，谐波电压畸变值已经超过国家规定值，故须设置滤波器。经多个方案比较及计算确定，在35 kV侧装设4组滤波器，基波无功输出为：

H22次单调谐滤波器17.28Mvar；

H33次单调谐滤波器12.48Mvar；

H44次单调谐滤波器7.2Mvar；

H55次单调谐滤波器9.84Mvar。

6 SVC控制系统的组成（以35 kVⅠ段为例）

主要包含以下内容：

（1）TCR部分

有效补偿容量为25Mvar。主要包括：全数字控制系统（包含控制单元、脉冲触发单元），晶闸管阀组，相控电抗器，TCR控制采样用电流互感器，TCR故障自诊断系统。

（2）FC部分

设置H2、H3、H4、H5共4组滤波通道，有效补偿容量为24Mvar。主要包括：滤波电抗器（干式、空芯、铝导体），滤波电容器（安装容量为46.8Mvar），氧化锌避雷器；差流互感器。

SVC控制系统主要由控制单元、触发脉冲单元和功率单元3部分组成。控制单元的作用是采集实时电压、电流信号，经计算处理后发出触发脉冲，同时监控其他主要元件的运行状况；触发脉冲单元形成符合要求的脉冲信号；功率单元主要是在脉冲信号的控制下，实现晶闸管的通断，以调整电抗器电流的基波分量，使电抗器流过预期的补偿电流。

（3）监视部分

中央控制单元不仅对其自身运行情况进行监视（自监视），还能够对SVC系统其它元件的运行状态进行监视。中央控制单元的配置具有对其自检系统的保护功能。

监视系统设置2种保护类型，其一是报警，其二是跳闸。报警主要显示存在的问题，但设备还不至于立即损坏；跳闸保护应动作于SVC减载或立即跳闸停运，此时若不采取这样的措施设备将会损坏。

（4）综合自动化

SVC站综合自动化程度的高低反映SVC技术当前的发展水平，SVC站综合自动化采用全数字化，整体架构均数字化、网络化和信息化，能全面实现SVC站无人值守。

SVC站综合自动化由380 V AC低压动力屏、220 V DC直流屏、继电保护屏、水机控制屏、主监控屏和远方工作站组成，其中，水机控制屏和纯水处理机为机电一体化结构。SVC站综合自动化整体网络架构为计算机分层式，工作站为管理层，子系统智能单元为基础层，管理层和基础层之间以及基础层各智能单元之间均通过控制器局域网（CAN）现场总线实现数据共享通道，CAN总线采用多主方式，实现层间和各智能单元间相互广播通信。

7 电能质量测试

SVC补偿装置经过调试运行后，对装有SVC补偿装置的35 kV母线进行电能质量测试，考察SVC的补偿情况。

①测试方法：谐波测试时间间隔为3 s，采样时间不小于8个工作循环。电压信号取自35 kV母线TV二次侧，电流信号取自1号主变低压侧TA二次侧。②测试点位置：SVC控制柜。③测试仪器：TOPAS1000型谐波分析仪。

测试结果以95%概率大值作为判断合格与否的依据。（95%概率大值是指将测试值从大到小依次排列，舍去5%的大值，取剩余实际值中的最大值）。测试结果经分析比较，各次谐波电流均符合国家标准。其他电能质量指标如表1所示。

表1 其他电能质量指标

经过测试表明，该公司110 kV变电站低压侧的各项电能指标均符合国家标准，指标如下：

月平均功率因数cosφ≥0.92；电压波动d≤1.5%；电压闪变Pst≤0.8；三相电压不平衡度εV≤1.3%；总电压谐波畸变率THDV≤2%。注入系统的谐波电流满足国家标准要求。

8 经济效益分析

无功补偿的经济效益主要体现在节约电能、减少公司开支方面。供电部门对于谐波污要求用电单位谁污染谁治理，否则将根据规定处以设备总用电量电费5%的罚款或禁止设备使用，如果使平均功率因数达到0.93以上，可获得供电部门总电费约1.5%的功率因数提高奖励（减少总电费）。

根据计算，每年公司电炉用电量为1.46亿kWh，35 kV电压等级平均电费为0.401 1元/kWh，则每年电炉用电电费为1.46亿kWh×0.401 1元/kWh=0.6亿元，如按奖励1.5%的电费减收，则每年减免电费金额为0.6亿元×1.5%=90万元，意味着增加动态补偿SVC后每年仅功率因数奖励可为企业减少开支90万元，如果2套SVC装置全部投入使用，大约5年左右就可收回全部投资。