电弧炉供电电压波动的抑制方案

王 勇 袁 愿

(1.云南电网公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000;2.厦门红相电力设备股份有限公司，福建 厦门 361001)

1 电弧炉对电网的影响

电弧炉是电力系统中一个典型的冲击性负荷，它的运行对电网的电能质量产生着严重的干扰。有必要采用各种手段减轻电弧炉对电网的影响。

电弧炉的工作过程可以分为熔化期、氧化期和还原期三个过程，前两个过程对电网的影响最大。电弧炉对电网的影响主要有:

1)电弧弧长的不规则变化导致无功与有功功率的急剧波动，使电网产生明显的电压波动和闪变。

2)电弧电阻的非线性和瞬变性使电网电压和电流产生高次谐波。

3)熔化期电极频繁短路和开路，电网电压产生严重的负序分量，使供电系统出现严重的三相不平衡。

主要的解决途径有以下几点:

工艺流程，优化电弧炉设计参数;供电设备;无功补偿装置。效果最明显的解决方案。目前电弧炉的无功补偿设备主要是SVC和DSTATCOM。SVC出现较早，应用成熟，而DSTATCOM技术先进，比SVC补偿功能更优，效果更好，具有广阔的发展前景。

2 电弧炉的运行特性分析

电弧炉供电系统单线图见图1，由于电弧伏安曲线的非线性，会引起谐波电流，给计算分析工作带来一定的困难。为使计算分析方便，以下均忽略了谐波对计算方法的影响。

XS为电弧炉连接点至系统的等值阻抗;XF包括:炉变前置电抗器、炉变、短网的电抗;RF为电弧炉的等值电阻，它作随机变动;ES为电源电势;U为电弧炉端点的电压。

图1 电弧炉供电系统单线图

式中IR、IX分别为负载电流的有功和无功分量。

图2 电弧炉的电流圆图

当电炉运行至B点时，电极通过钢水发生短路，如果忽略电阻的影响，此时电炉有最大的无功电流，并有最大的无功功率。

由此可知，若电弧炉正常运行于某点，则该点处的无功电流冲击量为电极短路时的最大无功电流减去该点处的无功电流分量，该点处的无功功率冲击量为电极短路时的最大无功功率减去该点处的无功功率。

3 抑制电压波动方法

DSTATCOM为配电网静止同步补偿器，其本质上是一种基于全控型大功率换流器技术的电压源逆变器 (VSC，Voltage Source Converter)。在实际工程中，可以采取多种措施消除其输出电压中的谐波分量，此时可将它简单视为一个幅值、相位和频率均可任意调节的三相正弦交流电源。DSTATCOM通过联络电抗器或升压变压器与配电网连接，为便于分析，假设DSTATCOM通过纯电感与配网系统连接，见图3。其典型工况可描述如下:

图3 DSTATCOM与配电网连接示意图

当Us＞U时，电流由DSTATCOM经电抗器或变压器漏抗流向配电网，DSTATCOM向配电网注入感性无功功率，相当于同步调相机处于过励磁运行状态。

当Us＜U时，电流由配电网经电抗器或变压器漏抗流向DSTATCOM，DSTATCOM从配电网吸收感性无功功率，相当于同步调相机处于欠励磁运行状态。

当Us=U时，DSTATCOM与配电网之间不存在无功功率交换，相当于同步调相机处于停运状态。

电网中电压波动 (Δu)的原因主要是系统中无功功率的变化。可将电网中电压波动表示为:

式中:SDR为供电系统的短路容量。ΔQ为电网提供的总的无功功率的变化量。

电弧炉在供电系统中时，ΔQ是电弧炉负荷引起的电网中无功功率波动值。由于DSTATCOM能够平滑、连续、双向地调节无功输出，并且响应速度不超过10ms，相对于SVC优势明显。图4是电弧炉供电系统DSTATCOM装置原理图。

图4的工作原理是:将电弧炉随时变化的无功功率信号 (即电弧炉向电网注入的无功电流)检出，用来控制DSTATCOM输出的无功功率，使DSTATCOM输出的无功功率QSTATCOM全部用来补偿电弧炉消耗的无功功率QF，即:

图4 电弧炉供电系统DSTATCOM装置原理图

设供电电网向电弧炉电气系统提供的总的无功功率为QΣ，则由系统的无功功率平衡可知:

由此可知，总的无功功率将维持不变，并且趋近于零，即:

因此电网的无功波动值ΔQ趋近于零，则电网的电压波动也趋近于0，即可维持电网电压的稳定，抑制电压波动。

4 结论

利用DSTATCOM对电弧炉进行动态无功补偿，可以使电弧炉回路构成柔性供电系统，既抑制电网电压波动，使接于同一电网的其他用电设备获得良好的供电质量，又能对炼钢过程起到稳压作用，提高电弧炉变压器的利用率，使熔化功率提高。同时，DSTATCOM相对于SVC在无功特性、响应速度、体积等方面具有诸多优势，并且随着电力电子技术的发展，高压大容量可关断功率器件的价格呈下降趋势。DSTACOM的应用会更加普遍。

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