电力电子设备TCR型SVC装置在钢厂新型LF炉中的应用

2021-04-14湖南华菱湘潭钢铁有限公司秦立刚北京科锐博润电力电子有限公司王荣斌

电力设备管理 2021年3期

湖南华菱湘潭钢铁有限公司刘彰秦立刚北京科锐博润电力电子有限公司王荣斌

当前中国每年产生的钢铁废料约2亿吨，为减少能耗和污染排放，国内冶金企业正在大力开展优化炼钢工序、提高废钢比的研究改造工作。利用LF 炉的电弧热源和钢液余温融化废钢，实现LF 炉加废钢冶炼精炼，相对传统LF 炉是一种新的工艺和技术，可以降低炼钢工序生产成本，提高企业经济效益[1-3]。目前我国针对传统LF 炉的电能质量评估和治理经验比较成熟及完善，但针对加废钢冶炼的新型LF 炉的电能质量评估及治理方案的经验非常少。本文针对湖南某钢铁企业棒材厂新增的2台新型LF 炉进行了电能质量评估、配套治理解决方案（TCR 型SVC）的设计、以及运行后治理效果仿真分析等，进行研究说明。

1 设计依据

项目概况：湖南某钢铁企业棒材厂为提高钢水产能并降低吨钢成本，对现有两台LF 炉进行升级改造，由两台18MVA 传统LF 炉升级为两台25MVA 新型LF 炉。由于新型LF 炉产生更恶劣的谐波、电压波动及闪变、负序等问题，需重新研究设计治理解决方案；220kV 主变参数：额定容量150/150/75MVA，额定电压220/36.75/10.5kV，短路阻抗高－中13.6%、高－低38.4%、中－低22.9%，联结组别Ynyn0d11；LF 炉变压器参数：额定容量25MVA，一次电压35kV，二次电压240～390V，分接开关级数13级，短网阻抗≤0.65+j2.45mΩ。

新型LF 炉是利用自身电弧热源和钢液余温融化废钢进行冶炼，相比传统LF 炉的工艺特点如下：炉变容量都是25MVA；加废料多（可加入废钢量10%～20%）、传统LF 炉加废料少（每次只加1%的有色金属）；加料后温降大；电炉温升速度快；倒渣、埋弧次数多。根据测试数据，新型LF 炉与传统LF炉产生的电能质量对比分析如表1～2，此外其电压波动（%）分别为4.85、3.71，电压闪变分别为1.68、0.86，三相电压不平衡度分别为1.11、0.57，功率因数分别为0.78、0.82。

表1 谐波电流

表2 谐波电压

图1 TCR 型SVC 原理示意图

治理方案设计的配置原则。当新型LF 炉正常生产时，引起35kV 母线电压波动为7.31%、闪变为1.81，三相电压不平衡达到1.66%，远超过了国标限值，所以必须采取动态无功补偿装置进行针对性的治理，且由于新型LF 炉较传统LF 炉产生的电能质量更恶劣，因此需设计有针对性的调节控制策略，使其治理效果满足新型LF 炉电能质量治理的要求。本文中针对新型LF 炉的电能质量治理采用TCR 型SVC 的设计方案，采用了传统LC滤波补偿技术与TCR 型动态无功补偿技术，既解决了高次谐波问题和无功功率问题，又解决了无功功率快速大幅波动导致的电压波动、闪变和三相不平衡问题。

2 SVC 方案设计

2.1 SVC 装置容量设计

按提高功率因数进行容量计算。无功补偿计算如式（1），据此计算，过载率取1.2，功率因数提高至0.95所需无功补偿容量为22.16MVar。

按改善电压波动进行容量计算。两台新型精炼炉产生的最大无功功率为52.8MVar,引起35kV母线最大电压波动为7.32%，电压波动限值为3%，则所需的SVC 补偿容量为Q=（7.32%-3%）×721=31.15MVar。考虑一定的补偿裕度，最终SVC 的动态补偿容量为0～35MVar，能够满足治理目标的需求。

2.2 TCR 支路参数设计

根据系统额定电压、频率、TCR 额定容量、触发角等计算出相控电抗器参数,TCR 支路的主要技术参数如下：额定电压35kV，额定容量35MVar，晶闸管5STP 03D6500、22串/相，触发角度105～165°，触发方式为光电触发，冷却方式为水-风冷却，额定电感2×112.664mH，安装方式为每相两台、上下安装。

2.3 滤波器支路设计

基于SVC 补偿容量为35MVar 及滤波仿真分析，滤波器最终采用2次、3次、4次、5次四条支路,支路设计如下：2次滤波器采用“C”型滤波器，达到拓宽频带，增加阻尼和减少电阻基波功率损耗的效果；3次滤波器采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果；4次滤波器采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果；5次滤波器采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果。

表3 SVC 装置各滤波器支路的设计参数

2.4 SVC 控制系统及控制策略

2.4.1 控制系统模型

本文针对新型LF 炉的工艺特点以及产生的电能质量问题，采用基于瞬时无功功率理论的算法来检测无功功率，根据对称分量法，将不平衡三相电流瞬时值分解为正序分量组、负序分量组和零序分量，计算系统的瞬时无功功率值，满足本项目无功快速连续动作的要求[4]。SVC 控制系统主要包括无功测量、电压有效值测量、TCR 触发角求取、触发脉冲生成和功能性控制器等。本文主要给出基本的控制环节的仿真模型。

无功测量：瞬时无功测量值如式（2），三相总无功功率Qmeas由式（2）计算得到图2。TCR 控制本质为相分别控制，则需总等效导纳平分于各相，如下式计算：B=Qmeas/3U2。

图2 控制模型图

图3 电压有效值测量

TCR 触发角求取。TCR 装置相当于一个可调电纳。其等效电纳与触发角α 的关系为式（3），参考导纳B 选择对应控制器输出的等效导纳，如无功控制的等效导纳Bq 和电压调节控制的等效导纳Bv，由参考导纳B 经过计算和查表得出晶闸管的触发角α。

触发脉冲生成。对35kV 侧的线电压进行PLL锁相，得到6个依次相差60度的锯齿脉冲波，与输出的触发角进行比较得到TCR 的6个晶闸管的触发脉冲。

2.4.2 控制策略及仿真分析

根据控制指令进行无功输出的控制目标对TCR控制，相当于开环动态无功控制。整个控制流程如图4所示，其中的Qmeas即为无功输出指令Qref，无功参考值偏置设置为0。由于两TCR 输出均衡，则各输出一半功率，即图4中计算得到总需功率乘以两TCR 均分系数。对TCR 的动态无功输出仿真，达到检验TCR 的控制效果。仿真中，0.5s 时投入一个5次谐波支路，其中一相TCR 的角内电流波形、角外电流波形如图5所示。