SVC在冶金企业精炼炉的设计与应用

童俊伟，付殿臣，李 磊

（1.杭州余杭新农村建设有限公司，浙江杭州311108；2.杭州钢铁集团有限公司，浙江杭州310022）

SVC在冶金企业精炼炉的设计与应用

童俊伟1，付殿臣2，李 磊2

（1.杭州余杭新农村建设有限公司，浙江杭州311108；2.杭州钢铁集团有限公司，浙江杭州310022）

精炼炉在冶炼过程中会引起电能质量下降，产生大量谐波。以杭钢2台7000 kVA精炼炉为例，对精炼炉产生的谐波电流、功率因数进行分析，确定TCR的容量，基波无功补偿容量，滤波电容器安装容量和相关参数。通过对系统进行动态无功补偿，达到提高功率因数，降低谐波的目的。

谐波治理；无功补偿；滤波器设计；SVC；容量分配

1 引言

在钢铁冶金企业中，主要的炉外精炼手段之一就是采用LF炉，它加快了生产节奏，使整个冶金生产效率得到提高。但是LF炉是大容量的非线性冲击负荷，在其冶炼期间，将会产生大量的谐波，造成电压波动和功率因数下降等电能质量问题，影响用电设备的出力，增加电能损耗，也危害其他电力设备安全运行。目前广泛采用SVC（Static Var Compensator静止型动态无功补偿装置）来提高LF炉冶炼期间的电能质量。

2 SVC介绍

2.1 静止型无功补偿器

SVC是一种可以控制的无功功率补偿装置。把SVC的电容器组接入电网，向电网提供无功。当电网不需要多余无功时，就由与电容器组并联的空心电抗器来吸收无功。

式中，QS——系统无功；

QL——负荷需要无功量；

QC——无功补偿量；

QTCR——并联电抗器吸收的无功量（根据负荷所需无功量实时跟踪变化）。

根据不同的结构原理，SVC主要分为自饱和电抗器型（SSR，Self Saturated Reactor）、晶闸管相控电抗器型（TCR,Thyristor Controlled Reactor）、晶闸管投切电容器型（TSC，Thyristor Switched Capacitor）和具有TCR和TSC的混合型静止无功补偿器。目前应用较为广泛的是TCR型和TSC型SVC，其中TCR型SVC具有可控性好、响应速度快、补偿范围宽等优点。

2.2 TCR型SVC工作原理介绍

TCR型SVC主要由相控电抗器、晶闸管控制系统、水冷系统及并联电容器组成，SVC接线图见图1。其中TCR装置可实现电抗器分相调节的控制，能有效抑制不对称负荷的波动，在LF炉系统中采用比较多。TCR的工作原理简单，通过控制晶闸管的触发导通角来改变电抗器等效电纳的大小，从而实现连续输出无功功率的目的。

晶闸管控制的电抗器等电纳为：

式中，XL——相控电抗器的电抗；

α——晶闸管的触发延迟角。

在α=90°时，晶闸管全导通，电抗器等效电纳达到最大；在α=180°时，晶闸管全关断；当α在90°与180°区间内变化时，TCR的电纳也在0与最大值1/XL之间变化，此时TCR就好像一个连续可调的电感,可以改变吸收无功的大小。加入固定并联电容器组后整个装置的补偿范围就是一个可调的线性无功补偿装置。由于LF炉冶炼过程中产生大量的谐波，因此必须对固定电容器组加装滤波电抗器，使得FC具有补偿功率与滤波的双重功能。

图1 SVC接线图

3 SVC参数计算

3.1 谐波电流分析

表1 注入公共连接点的谐波电流允许值(据GB/T14549-93)A

系统短路容量与基准容量不一致时，根据式（4）进行修正。

式中，Sk1——公共连接点的最小短路容量；

Sk2——基准短路容量；

Inp——第n次谐波电流允许值；

In——短路容量为Sk1时的第n次谐波电流允许值。

第i个用户第n次谐波电流实际允许值Ih：

式中，Ih——修正后的的第n次谐波电流允许值；

Si——第i个用户的用电协议容量；

St——公共连接点的供电设备容量。

表2 α相位叠加系数

在本工程中，Si为2台LF炉的额定容量14 MVA，St为变压器的额定容量20 MVA，系统短路容量为150 MVA，系统母线电压6 kV。对本工程允许分配的谐波电流限制值与LF炉冶炼期间测试的系统谐波电流进行对比，见图2，发现LF炉在冶炼期间的主要特征谐波是3次谐波与5次谐波。其中三次谐波电流超标：I3=44.505 A（允许值36.8 A），I5=26.08 A。

图2 SVC系统谐波电流与谐波限值对比图

3.2 TCR及FC补偿容量计算

无功补偿量计算：

式中，ΔQMAX——无功补偿容量；

S——设备额定负荷容量；

φ1——补偿前功率因数角；

φ2——补偿后功率数角；

k——设备过载能力。

一般设计FC的基波补偿容量与TCR的补偿容量一致。

工程上谐波电流滤波通道的容量分配计算方法主要有以下2种：

根据确定的基波无功补偿容量Qh，就可以确定补偿电容器的电容值Ch：

式中，US——系统基波电压值；

ωS——系统频率。

各次滤波通道的谐波电压：

各次滤波通道的额定电压为基波电压与谐波电压之和：

滤波通道的安装容量：

3.3 实际工程计算

已知参数：供电设备容量20 MVA；母线电压6 kV；6 kV母线系统短路容量150 MVA；6 kV母线系统下有两台LF炉，额定负荷容量2×7 MVA；LF炉功率因数0.8，设计补偿后功率因数达到0.95；LF炉的过载能力为1.2倍的额定容量。

根据式（3）计算得ΔQMAX=5671.68 kvar，考虑到留有一定的裕量，FC的基波补偿容量设计为6000 kvar，一般设计FC的基波补偿容量与TCR的补偿容量一致。TCR容量等于FC的基波补偿容量为6000 kvar。

本工程中对3次和5次特征谐波进行滤波，滤波通道的容量分配设计采用式（7），得到3次滤波通道的基波补偿容量为Q3=3783 kvar，5次滤波通道的基波补偿容量为Q5=3783 kvar。根据基波补偿容量及式（8）确定补偿电容器的电容值为C3=782.26 μF，C5=495.11 μF。根据式（9）、（10）求出谐波通道的谐波电压得到UN3=5.5 kV，UN5=4.7 kV，考虑留有一定裕量，实际工程滤波器的额定电压取UN3=5.7 kV，UN5=4.8 kV。根据滤波器的额定电压及式（11）确定3次、5次滤波通道的安装容量分别为QN3=7980 kvar，QN5=3582 kvar。基于以上数据，并对电容器过电压、过电流及容量平衡校验，最终确定电容器的参数。

表3 实际滤波电容器参数

4 SVC投运效果及结论

SVC进行仿真测试，系统母线上的电压、电流波形在SVC投运后，明显得到改善。对2次谐波电流放大也很小。

图3 SVC仿真测试谐波电流对比

表5 SVC投运后谐波电流测试

对比仿真结果图3与实际SVC投运效果表5，经测试6 kV系统侧谐波电流的各项指标均满足国标GB/T14549—93限值要求；1#、2#精炼炉整个生产过程中,6 kV母线的平均累计功率因数达到0.97。其中3次滤波效果较好，2次谐波放大不明显，5次谐波电流仍较大。由于TCR为6脉波△接线，线电流中含有谐波为6k±1次，系统中5次谐波为TCR与LF炉共同产生的谐波，FC设计时未考虑TCR产生的5次谐波，导致实际SVC运行时5次谐波电流较大。

5 结束语

本文结合工程实例，对谐波电流进行分析。提出了关于SVC设备的基波无功补偿容量，滤波电容器安装容量和相关参数的基本理论计算方法，有利于合理地选择TCR与FC无功补偿容量。

[1]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册(上册) [M].北京：冶金工业出版社，1996，458-501.

[2]王兆安，王军等.谐波抑制和无功功率补偿（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2005.10：12-18，140-157.

[3]孙茂强.某特钢工程SVC装置的设计与应用[J].冶金动力，2012.1：10-12.

[4]薛耀华.LF钢包精炼炉的谐波治理[J].电气时代，2012（7）：86-88.

[5]周世民.热轧厂35 kV右母线滤波装置优化[J].宝钢技术，1996（6）:21-23.

[6]田吉花.静止无功补偿器的与仿真[D].中国石油大学，2010.10.

The Design and Application of SVC in Metallurgical Refining Furnaces

TONG Junwei1，FU Dianchen2，LI Lei2
(1.Hangzhou Yuhang New Countryside Construction Co.,Ltd.;2.Hangzhou Iron and Steel Group Co.,Ltd., Hangzhou,Zhejiang 310000,China)

Refining furnaces can cause decline of electricity quality and produce large amount of harmonics during operation.The harmonic current and power factor created by refining furnace were analyzed and the capacity of TCR,capacity of the reactive power compensation of fundamental wave,installation capacity and related parameters of the filter capacitor were determined,taking the two 7000 kVA furnaces of Hangzhou Steel as an example.The objective of increasing the power factor and reducing harmonics has been reached through dynamic reactive compensation of the system.

harmonics treatment;reactive compensation;electrical filter design;SVC; capacity assignment

TM477

B

1006-6764(2015)05-0004-03

2015－02－06

童俊伟（1986－），男，2009年毕业于宁波大学电子信息科学与技术专业，2012年就读浙江大学电气工程硕士（在职），助理工程师，现从事电气电路改造工作。