电炉SVC优化系统扰动分析



电炉SVC优化系统扰动分析

顾建军

（宝钢股份有限公司能环部，上海200941）

【摘要】针对电炉SVC优化系统进行了扰动分析。扰动分析主要包括系统阻抗波动和电网频率摄动分析。理论和仿真分析结果表明，在系统阻抗波动和电网频率摄动下，混合滤波器的谐波抑制效果仍然要强于无源滤波器，电炉SVC优化系统具有良好的抗干扰性能，滤波性能不会受到内部和外部干扰的影响。

【关键词】SVC；谐波；混合滤波器

1　引言

众所周知，电弧炉是一种剧烈变动的非线性重负荷。其工作时，频繁的电弧变化将给电网带来强烈的无功冲击，使电网产生波形畸变和三相不平衡、引起电压闪变和波动，导致电网电能质量污染。为此，宝钢在1996年引进150 t直流电弧炉系统时，配套了动态无功补偿装置（SVC），以实现无功功率补偿和谐波电流吸收的功能，较好地保证了33 kV系统无功功率平衡、电压稳定和电能质量改善。不过受限于当时的设备设计制造能力和近二十年来的器件老化，33 kV母线处部分谐波电压、谐波电流超出了国家标准（比较明显的是2次谐波电流含量比较大），给系统正常运行带来了一系列问题。

2　优化方案

为解决电炉SVC系统存在的谐波超标问题，可根据文献提出的优化方案[5]，在原有的宝钢装置结构的基础上，引入有源滤波器，将无源滤波器优化为混合型有源滤波器，以此来改善滤波器装置的滤波效果，解决宝钢电炉SVC系统存在的谐波问题。

电炉SVC系统的优化系统拓扑结构如图1所示。其中虚线框内的为优化部分，其余部分均与原系统一致，即原系统中2次滤波器中的电阻被替换为有源滤波器装置。此时的SVC系统结构为两部分，混合滤波器（2次滤波器加APF改造、3、4、5、7次滤波器）和TCR装置两部分。将无源滤波器和有源滤波器相结合构成混合滤波器，兼顾无源滤波器和有源滤波器的各自优点。

其中，TCR是系统原有部分，其主要对系统中的无功功率进行补偿。而混合型有源滤波器的控制方式可有：（1）电流源前馈控制；（2）电流源反馈控制；（3）电压源前馈控制；（4）电流源反馈控制。

由于反馈控制的参数选取上，只有达到APF的增益参数取无穷大时，才能达到理想的滤波效果。而前馈控制中，控制成电流源还是电压源都能得到比较理想的滤波效果。考虑到电流源方案的动态响应时间相当长，不适合动态变化的电弧炉负载，并且电压源的方案在响应时间上，基本可在负载变化后的1个工频周期内，达到理想的滤波效果，因此，可选取电压源前馈控制为电炉SVC优化系统的控制模式。

在电压源前馈控制模式下，根据混合滤波器的工作原理，可以得到33 kV母线谐波电流的表达式：

式中，Ish——母线谐波电流；

ILh——负载谐波电流；

[28][32] 唐世平：《一个新的国际关系归因理论——不确定性的维度及其认知挑战》，《国际安全研究》2014年第2期，第3-41、8页。

Zs——系统阻抗；

ZL——负载阻抗；

Z21——负载阻抗；

K——前馈系数。

3　系统阻抗波动分析

系统阻抗是影响混合滤波器滤波效果的一个重要因素。若前馈系数K满足以下等式（2），33 kV母线谐波电流为零，说明此时混合滤波器完全补偿了系统中的谐波电流。

但在实际情况下，前馈参数K不可能刚好与负载阻抗相等，经常会出现偏差。在前馈参数K出现偏差的情况下，从表达式可以看出如果系统阻抗Zs增大，阻抗比Ish/ILh会变小，滤波效果变好，如果系统阻抗减小，阻抗比会增大，滤波效果变差。

图2的三维立体图以频率、系统阻抗和阻抗比为三个坐标轴，仿真验证了混合滤波器在系统性阻抗发生变化时的滤波效果。在高频部分，随着系统阻抗越大，混合滤波器的滤波效果变好，在低频部分，滤波效果受系统阻抗影响小，变化不明显。

图1　优化系统拓扑结构

图2　注入式并联混合电力滤波器滤波效果三维立体图

图3　无源滤波器的滤波效果三维立体图

4　电网频率摄动

在正常情况下电网频率为50 Hz，当电网频率发生波动时，其变动范围一般是-5%~+5%。也就是电网频率在47.5 Hz~52.5 Hz之间波动。电网频率摄动对混合滤波器的谐波抑制效果会发生影响。

当电网频率发生变化时Z21、ZL、Zs也会随着发生变化。所以Ish/ILh也会发生变化，对滤波效果产生影响。

为了便于分析，将电网频率摄动对无源滤波器和混合滤波器谐波抑制效果的影响进行对比。

下面是电网频率摄动对无源滤波器抑制效果的影响。图4（1）是低次谐波情况下电网频率摄动对无源滤波器抑制效果，谐波次数小于10。图4（2）是对于高次谐波情况下电网频率摄动对无源滤波器抑制效果，谐波次数是从10到20。曲线2是电网频率为50 Hz时Ish/ILh在不同谐波次数下的变化情况，曲线1表示电网频率为47.5 Hz的情况，而曲线3表示电网频率为52.5 Hz的情况。Ish表示系统电流各次谐波幅值，ILh表示负载电流谐波幅值。ILh的值越小说明谐波抑制效果越好，Ish/ILh的值为0说明负载电流的谐波得到完全滤除。

可以看出电网频率改变，使Ish/ILh变化曲线发生偏移，在低频部分偏移比较明显，频率越高偏移变小，在频率高的部分偏移不明显。电网频率增加，Ish/ILh变化曲线向左移动，说明调谐点向低频移动。电网频率减少时，Ish/ILh变化曲线向右移，说明调谐点向高频移动。在调谐点处的谐波抑制效果明显变差。特别对于4次和5次单调谐支路，电网频率发生很小偏差，4次和5次谐波的滤波效果就发生很大变化，比如4次单调谐支路在正常情况下可以完全滤除4次谐波，Ish/ILh为0，而在电网频率偏移2 Hz时，Ish/ILh增加到0.25左右。

图4　电网频率摄动对无源滤波器抑制效果的影响

下面是电网频率摄动对混合滤波器谐波抑制效果的影响。图5（1）是低次谐波情况下电网频率摄动对无源滤波器抑制效果，谐波次数小于10。图5（2）是对于高次谐波情况下电网频率摄动对混合滤波器抑制效果，谐波次数是从10到20。曲线2是电网频率为50 Hz时Ish/ILh在不同谐波次数下的变化情况，曲线1表示电网频率为47.5 Hz的情况，而曲线3表示电网频率为52.5 Hz的情况。

可以看出电网频率改变，使Ish/ILh变化曲线发生偏移，在低频部分的偏移比较明显。从图5可以看出电网频率增加，Ish/ILh变化曲线向左移动，说明调谐点向低频移动。而电网频率减少时，Ish/ILh变化曲线向右移，说明调谐点向高频移动。在调谐点处的谐波抑制效果变差。4次和5次谐波的滤波效果变化比较明显，比如4次单调谐支路在正常情况下可以完全滤除4次谐波，Ish/ILh为0，而在电网频率偏移2 Hz时，Ish/ILh增加到0.002左右。与无源滤波器0.25的变化幅度相比，0.002幅值很小，说明混合滤波器相比无源滤波器，极大地减小了电网频率摄动对系统谐波抑制效果的影响，具有良好的抗干扰性能。

5　结论

系统阻抗是影响混合滤波器滤波效果的一个重要因素。在系统阻抗发生变化时，混合滤波器高频部分随着系统阻抗变得越大，而滤波效果变得越好，低频部分则影响小，变化不明显。无缘滤波器的变化情况与混合滤波器相似，但对于高次谐波，随着系统阻抗变化，出现了许多尖峰和凸起。在这些尖峰和凸起处滤波效果比较差。所以在这方面，混合滤波器要优于无源滤波器。同样根据分析，当电网频率发生波动时，相比无源滤波器，混合滤波器极大地减少了电网频率摄动对系统谐波抑制效果的影响，具有良好的抗干扰性能。总之，电炉SVC优化系统具有良好的抗干扰性能，滤波性能不会受到外部干扰的影响。

[参考文献]

[1]张定华，桂卫华，王卫安，刘连根.大型电弧炉无功补偿与谐波抑制的综合补偿系统[J].电网技术. 2008，32（12）：23-29.

[2]胡立强，晁勤，吐尔逊.静止无功补偿器在电力系统无功补偿中的仿真[J].低压电器. 2007(19)：39-42.

[3]方忠民，赵延明.基于SVC的电弧炉谐波抑制研究[J].中国仪器仪表. 2008（2）：62-65.

[4]陈恺，王如玫.电力系统谐波治理与有源滤波器[J].华东电力. 2008，36（8）：55-58.

[5]顾建军.基于APF的SVC优化系统实验研究[J].电气应用. 2014，33（4）：34-37.

Perturbation Analysis of Electric Furnace SVC Optimization System

GU Jianjun

(Energy and Environment Protection Dept. of Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 200941, China)

【Abstract】Perturbation analysis was carried out for electric furnace SVC optimization system, mainly including analysis of the system impedance fluctuation and power grid frequency perturbation. Results of theoretical and simulative analysis showed that under system impedance fluctuation and power grid frequency perturbation, the harmonic suppression effect of composite filter was still better than that of passive filter, the electric furnace SVC optimization system had good disturbance resistance and the wave filtering performance would not be affected by internal and external disturbance.

【Keywords】SVC; harmonics; composite filter

作者简介：顾建军（1975-），男，2004年毕业于哈尔滨工业大学电力电子与电力传动专业，博士生学历，高级工程师，现主要从事供配电系统和电气设备研究工作。

收稿日期：2015－09－21

【文章编号】1006-6764(2015)12-0001-03

【文献标识码】B

【中图分类号】TN713