静止无功补偿装置在某钢铁厂中的应用

张辉亮宋 戈李晓明

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

静止无功补偿装置在某钢铁厂中的应用

张辉亮1宋 戈1李晓明2

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

主要研究了钢厂电弧炉等非线性负荷在运行时引起的电能质量问题，并介绍了TCR+FC型SVC静止无功补偿装置在解决此类问题中的应用成果。分析了SVC静止无功补偿装置的工作原理，详细介绍了 SVC静止无功补偿装置的主要组成部分及功能；通过 SVC静止无功补偿装置在某钢铁工程中的可靠运行实例，证明SVC静止无功补偿装置通过调节无功能够提高电能质量。

静止无功补偿装置；晶闸管阀；滤波电容器组；控制系统

随着国民经济的发展和现代化技术的进步，电力网负荷急剧增大，对电网感性无功要求也与日俱增，为保证电力系统的稳定运行，其安全性、可靠性、经济性以及输送电能的质量是最根本的问题。一些大功率负荷的投入、退出，或者系统局部故障等，都会造成系统中有功功率和无功功率的大幅扰动，从而对电网的稳定性和经济性产生影响，特别是可逆式大型轧钢机、炼钢电弧炉等冲击负荷、非线性负荷容量的不断增加，加上普遍应用的电力电子和微电技术，使得电力网发生电压波形畸变，电压波动闪变和三相不平衡等，产生电能质量降低，电网功率因数降低，网络损耗增加等不良影响[1-2]。同时，这些扰动引起的电磁暂态过程所产生的过电流和过电压又往往会危害到有关电器设备的安全。

钢铁厂使用的交流电弧炉炼钢，是对电网产生较大冲击的重要因素之一，由于电炉不断变化的铁磁特性，许多谐波电流会注入电网，同时，炼钢初期工作的不对称，负序电流也更为明显。大量的无功需求和变化，造成了电压的波动和闪变，也使电弧炉本身的炼钢效率大大降低。为了解决这种问题，目前钢铁厂引进了无功功率的吸收和补偿装置，以保证电能质量[3]。

1 常见的无功补偿装置

在工业负荷配电网中，常见的无功补偿装置有MCR（磁控电抗器）型SVC、TCR型SVC以及SVG（静止无功发生器）等，SVC 是Static Var Compensator（静止无功补偿装置）的缩写。表1对这三种常见的无功补偿装置从性能、原理、补偿时间、经济成本等多个方面做了比较。

表1 常见无功补偿装置比较

由表1对比可以看出，TCR型SVC在补偿能力、补偿时间、谐波滤除以及成本等方面均具有其他补偿方式无法比拟的优势，故以下将主要介绍TCR型SVC在钢铁厂中的应用研究。

2 SVC工作原理

SVC可以被看成是一个动态的无功源。根据接入电网的需求，它可以向电网提供无功（容性），也可以吸收电网多余的无功（感性）。把电容器组（通常是滤波器组）接入电网，就可以向电网提供无功。当电网并不需要太多的无功时，这些多余的容性无功，就由一个并联的空心电抗器来吸收。

一般情况下，TCR并不单独工作，它总是与固定电容器组或滤波器组（FC）一起构成一个完整的SVC装置。FC负责向系统提供容性无功，以补偿负荷的无功消耗。通常希望 FC提供的无功略大于负荷实际需要的无功，多出来的一些容性无功就由TCR来吸收，保证电源系统不再向负荷提供任何无功。当负荷无功发生变动的时候，TCR根据一定的控制策略，会及时调整其无功容量，适应负荷无功的变动，始终保持电源系统提供的无功功率为零（功率因数控制），或者保证电源系统供电电压维持在规定的范围内（电压控制）。以上就是TCR型SVC的基本工作原理，其具体的原理说明，如图1所示。

图1说明，在没有SVC装置时，负荷需要的无功Qload全部由电源系统提供Qs。这样，系统功率因数很低，供电效率下降。投入SVC之后，SVC提供的无功 Qsvc，将完全补偿负荷所需的无功。图中，设置了三组 FC和一组 TCR，通常情况下，Qsvc=Qfc-Qtcr。一些详细的控制策略此处不再叙述。

图1 SVC工作原理

3 SVC系统构成与功能

3.1 系统构成

SVC系统的组成如图2所示，其一般由TCR、滤波器（FC）及控制系统组成。通过控制与电抗器串联的两个反并联晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。该系统补偿器响应时间快（小于半周波），灵活性大，而且可以连续调节无功输出。这套系统也存在一定缺点，例如装置本身会产生谐波，但是可以采用增加滤波装置的方式克服。

图2 TCR+FC型SVC系统的组成

3.2 主要设备的功能

1）电抗器

电抗器一般采用线性结构，电抗器是SVC中吸收无功或调节无功的主体。通常要求它有良好的线性特性和稳定性，所以，电抗器是空心的，且周围不能有距离太近的较大金属物体。电抗器一般为干式结构，冷却方式也常常是自然冷却。

在实际的接线中，空心电抗器总是与TCR阀组串联后接成三角形，然后并联接入电网。

2）晶闸管阀

晶闸管阀是SVC无功变化的控制主体。阀体由一定数量的可控硅（或其他电力电子器件）及其附属器件组成，主回路通常接成反并联串。可控硅及其附件作为功率元件，发热量比较大，自然冷却方式一般不适用，故目前市场上的阀组均以水冷却为主，其触发方式则以光电触发为主[4]。

3）水冷却系统

对阀组的冷却采用去离子水（纯水）来进行。水处理系统，通过一台水泵和阳离子交换树脂保证送入可控硅阀组的纯水循环并保持较高的水质。

水处理系统的外冷却，主要靠普通循环工业水来进行。也有靠风冷却装置来做外冷却的。

4）滤波电容器组

系统中的滤波支路主要向系统提供足够的容性无功，并滤除电网的有害谐波。滤波支路通常又以滤波电容器（或并联电容器）为主，而滤波电抗器和滤波电阻等则是其附属部件。这是SVC中的固定（也可能分级投切）容性无功部分。

在实际的工程当中，这个 FC部分往往被分成若干个单元组，这些单元组由机械开关或另一类可控硅阀组按照实际的电网需求进行投切操作。

5）控制系统

控制系统主要实现对 TCR的控制，系统根据SVC的实际工况，向阀组发出控制触发脉冲，在适当的位置（相位）触发可控硅（相控）。检测阀组的工况并及时准确的记录并显示出来。对于一些特殊的情况或故障，及时地报警或发出跳闸指令。完成TCR及FC等设备的投入或退出。在实际的工程中，对SVC正常投切顺序及组合有严格的步骤要求。同时，故障退出也按照一定的步骤来进行。完成对SVC各部分的保护。提供友好的人机界面，以方便用户的操作及维护。

4 某钢铁厂电能现状

经过对某钢铁集团有限公司电能质量的研究，发现该钢铁集团的钢铁厂以往采用的是电容器（FC）补偿方式，但其补偿效果不明显，在运行时对电网的冲击仍非常大，主要原因是电弧炉等非线性负荷会引起电压闪变、波动、功率因数和谐波等电能质量问题。为此制定了专门的SVC解决方案，方案考虑通过快速的系统响应抑制电压闪变，同时使用合理的滤波器设置滤除负荷产生的有害谐波，线性平滑地控制无功功率，稳定功率因数[5-6]。

钢厂负荷情况见表2。

表2 钢厂负荷情况表

5 SVC应用

根据计算，该钢厂项目动态无功容量为100Mvar，在 35kV母线上安装一套动态无功补偿SVC装置，主接线图如图3所示，主要包括：晶闸管控制电抗器（TCR）、2次滤波器组、3次滤波器组、4次滤波器组、5次滤波器组、控制监控系统等组件及相关附件。

1）系统配置

SVC的设计容量为：TCR部分100Mvar，基波补偿容量为104Mvar，分为H2、H3、H4、H5四个通道。H2次滤波器安装容量为48Mvar，补偿容量为25.5Mvar；H3次滤波器安装容量为48Mvar，补偿容量为 32.6Mvar；H4次滤波器安装容量为36Mvar，补偿容量为 23.2Mvar；H5次滤波器安装容量为36Mvar，补偿容量为22.7Mvar。

2）投运后各项指标（表3）

表3 投运后各项指标对比表

6 结论

通过 SVC静止无功补偿装置在此钢厂的应用情况看，以往采用电容器（FC）补偿受冶金业用电

负荷特性频繁变化的影响，经常产生无功过补或欠补状况，经过TCR+FC型SVC的治理后，系统内的炼钢、轧钢负荷功率因数由原来的0.75稳定保持在0.98～1，在更为节约电能的前提下提高了该钢厂的产量，同时在抑制电压畸变、三相不对称及电压闪变等方面效果显著，值得借鉴。

目前，TCR+FC型SVC已在冶金行业得到了广泛的应用，形成了成熟的技术方案。由于其具有响应速度快，吸收无功连续、产生的高次谐波量小、调节范围广、损耗与噪声小等特点，使其成为未来无功补偿技术的发展方向。

[1]郑国华.静止无功补偿装置（SVC）在泉州新塘220kV变电站的应用[J].电工技术, 2010(4): 12-15.

[2]谢小荣.柔性交流电系统的原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[3]夏岩峰.100Mvar SVC在220kV系统中的应用研究[D].北京: 华北电力大学, 2006.

[4]DL/T 1010—2006.高压静止无功补偿装置[S].

[5]孙靖宇.静止无功补偿装置在大型LF炉工程中的应用[J].冶金动力, 2007(1): 1-5, 9.

[6]张定华, 桂卫华, 王卫安, 等.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.

Application of Static Var Compensator in Steel Plant

Zhang Huiliang1Song Ge1Li Xiaoming2
(1.NR Electric Power Electronic Co., Ltd, Changzhou, Jiangsu 213025; 2.NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Mainly studied the steel arc furnace such as power quality problems caused by the nonlinear load at runtime, and introduces the TCR+FC type SVC static reactive power compensation device application results in solving such problems.Analyzed the working principle of SVC static reactive compensation device, detailed introduces the function of the main components; Finally through the SVC static reactive compensation device in a reliable operation in steel engineering example, prove the SVC static reactive power compensation device by regulating function enough to improve power quality.

static var compensator; thyristor vavle; filter capacitor group; control system

张辉亮（1985-），男，陕西咸阳人，常州博瑞电力自动化设备有限公司产品设计部经理，从事电力一次设备方面的研究工作。