【正文】 加裝必要的無功功率補償裝置 ”。 鋼鐵企業(yè)大型沖擊負荷主要是軋鋼機和電 弧爐 。 鋼廠在不加裝無功功率補償裝置時，功率因數(shù)遠遠低于國家的供電要求 。 另外，鋼鐵企業(yè)負荷無功波動劇烈，引起電壓波動和閃變，因此必須加裝無功功率補償裝置 。 鋼鐵企業(yè)中，對電能質(zhì)量影響最明顯的負荷是電弧爐和軋鋼機，對鋼鐵企業(yè)的無功補償和電能質(zhì)量的治理也是主要針對這兩種負荷 。 電弧爐，特別是目前被廣泛應(yīng)用的大型高功率 電弧爐，熔煉期間負荷急劇波動，產(chǎn)生大量諧波和負序電流 。 軋鋼機在咬鋼期間產(chǎn)生 23 倍于額定功率的無功沖擊 ［ 10］ 。 針對這兩種負荷波動快速，幅度大的特點，靜止無功補償器（ SVC）成為鋼鐵企業(yè)無功補償?shù)淖罾硐朐O(shè)備 。 SVC 無功補償裝置可以應(yīng)用在輸配電網(wǎng) 、 長距離傳輸電網(wǎng) 、 風力發(fā)電廠 、 大型工廠特別是鋼鐵企業(yè) 、 電氣化鐵路等 。 以前國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的無功補償設(shè)備的市場大部分被外國公司壟斷，近年來，國內(nèi)企業(yè)隨著 SVC 技術(shù)的發(fā)展，正越來越多地參與到鋼鐵企業(yè)的無功補償項目中來 。 SVC+FC 在萊鋼 1500mm熱軋 中的應(yīng)用分析 萊鋼 l500mm 熱軋帶鋼工程由 10kV 供電，主要負載為粗軋機、精軋機、輔傳動及動力負荷等，其中粗軋機有交交變頻調(diào)速電動機 2 臺，每臺功率 4500 kW，F(xiàn)1～ F3 精軋機有交交變額調(diào)速電動機 3臺，每臺 4000 kW， F4～ F6精軋機有交交變頻調(diào)速電動機 3臺，每臺 3500kW，直流輔助傳動負載共計 1500kW，飛剪直流傳動負載共計 435kW，卷筒、活套等直流傳動負載共計 680kW，其他負荷為交直變變頻驅(qū)動負載，共計約 7300kW。 負載的特點為軋機負載容量大，是電網(wǎng)產(chǎn)生波動的根源，其中尤以初軋機的沖 擊負荷最大 。R1 初軋機和 F1～ F6 精軋機負載均為交交變頻負載，具有旁頻諧波：整流負載按 12脈波整流配置，其特征諧波為 12k177。1 次，諧波含量 5次、 7次較小， 11 次、 13次較大。軋制規(guī)格、品種及工藝情況不同時，其產(chǎn)生的無功和諧波量有很大不同。 根據(jù)萊鋼 l500mm 熱軋帶鋼工程供電系統(tǒng)圖，供電為 10kV 兩段母線供電。 I段母線主要包括 R1 初軋機、 F1～ F6 精軋機主傳動部分，豐要矛盾是無功沖擊、電壓波動及諧波濾波 。Ⅱ 段母線主要包括輔傳動及其他輔助負載，主要矛盾是無功補償。 I 段母線因含有 R1 初軋機、 F1～ F6 精軋機，負 載沖擊很大 。II 段母線為輔助負載，比較平穩(wěn)。因此本方案擬在 I段母線上安裝一套 FC TCR 型 SVC(靜沈陽農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 21 止型動態(tài)無功補償及諧波濾波裝置 )系統(tǒng)，在 II 段母線上安裝一套 FC 濾波裝置。I段母線電網(wǎng)上安裝 SVC 系統(tǒng)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功補償量，功態(tài)響應(yīng)速度快，可以解決主軋機對電網(wǎng)的劇烈沖擊，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，濾除諧波，充分發(fā)揮 SVC 的優(yōu)勢，使 I 段電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在整定值 以上。兩段的綜合效果為動態(tài)無功補償及諧波濾波。 Ⅱ 段母線的主要負載為輔傳動，負載的沖擊很小，安裝套靜態(tài)濾波裝置可以節(jié)約投資，同時又能滿足電網(wǎng)要求。 Ⅱ 段母 線的功率因數(shù)補償指標設(shè)計為 gt。 SVC+FC 的補償原理 FC TCR 裝置由 3 部分構(gòu)成： FC 濾波器、 TCR 相控電抗器和控制保護系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 FC 濾波器用于無功補償及諧波濾波，該濾波器應(yīng)完成以下兩個任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的容性無功功率、濾除負載及 TCR系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的諧波。 TCR相控電抗器用于平衡系統(tǒng)中由于負載的波動所產(chǎn)生的感性無功功率，該相控電抗器應(yīng)完成以下兩個任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的感性無功功率、穩(wěn)定負載沖擊所產(chǎn)生的電壓波動。控制保護系統(tǒng)包括兩個方面：一方面為整個系統(tǒng)的 保護控制 。另一方面為相控電抗器的調(diào)相控制。 TCR 的基本結(jié)構(gòu)就是由晶閘管構(gòu)成的可控閥體與電抗器串聯(lián)，采用三角形聯(lián)結(jié)。這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當于電感負載的交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)。吸收的諧波電流和無功功率隨著控制角 α 的增大而減小，實現(xiàn)調(diào)節(jié)無功功率的目的。負載的變化由 TCR 所產(chǎn)生的變化無功功率加以平衡，使得兩者之和總是維持為常數(shù)，此常數(shù)感性無功功率被 FC 的容性無功功率相抵消，最終使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在設(shè)定值如 附近。 圖 34 單相 TCR+FC 型 SVC 組成原理圖 無功補償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 22 圖 35 三相 TCR+FC 型 SVC 組成原理圖 圖 36 控制器系統(tǒng)框圖 FC濾波器是在并聯(lián)電容器上串聯(lián)濾波電抗器構(gòu)成的，根據(jù)負載諧波含量的不同組成若干組不同的 LC 補償濾波同路。 FC濾波器所要濾除的諧波，主要來自于兩個方面：一方面是負載所產(chǎn)生的諧波，主要來自于整流設(shè)備，其特征諧波為 5次、 7次、 11 次、 13 次等 。另一方面來自于 TCR 相控電抗器，主要以 3次諧波為主。 TCR 相控電抗器由晶閘管相控閥與電抗器串聯(lián)構(gòu)成，三相接線采用三角形聯(lián)結(jié)，這種接線形式比其他形式接線的電流中諧波含量小。另外，工程實際中，當容量較大時，將電抗器分為等容量的兩部分，串接在晶閘管相控閥的兩端，這樣可以使晶閘管在電抗器損壞時得到額外的保護。 Ⅱ 段母線的 FC 由兩部分構(gòu)成： FC 濾波器和控制系統(tǒng)。 FC 濾波器用于無功補償及諧波濾波，該濾波器應(yīng)完成以下兩個任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的容性無功功率及濾除負載所產(chǎn)生的諧波?？刂葡到y(tǒng)為整個系統(tǒng)提供繼電保護。 沈陽農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 23 FC 濾波器所要濾除的諧波主要來自于負載的整流設(shè)備，其特征諧波為 5次、7次、 11 次、 13次等。但由于 Ⅱ 段母線負載的諧波源較少， 將該濾波器設(shè)計為 5次、 7次高通兩回路濾波器即可滿足電網(wǎng)要求，既能保證有效的諧波濾波，又可以防止與電網(wǎng)的背景諧被產(chǎn)生諧振。 圖 37 仿真 波形圖 冶金企業(yè)中靜止無功動態(tài)補償裝置的應(yīng)用 在冶金企業(yè)中，煉鋼電弧爐具有非常滯后的功率因數(shù)和變化頻繁的不平衡負荷。無功電流波動幅度大和不穩(wěn) 定造成了系統(tǒng)中電壓的波動，若生活用電也接在同一電網(wǎng)上，系統(tǒng)電壓波動將會造成燈光閃爍并對電視機和其它用電設(shè)備產(chǎn)生干擾。 造成電弧電流隨機波動的主要因素有 :1）金屬熔液和爐渣的流動。 2）弧隙電離程度的變化。 3）電極的顫動 .4）在電磁力作用下電弧路徑的變動等?；￠L的不規(guī)則變化，引起電網(wǎng)電壓相應(yīng)的波動。當斷弧時，取自電網(wǎng)的有效功率等于零；而當電極同爐料短路時，爐子主電路消耗的無功功率最大。在熔化期，由于每相電弧長度的變化在時間上不一致，所以造成三相負荷不對稱。此外，電弧本身弧壓與弧流的非線性也將產(chǎn)生出高次 諧波電流，返回到電網(wǎng)中去，導致電網(wǎng)電壓波形畸變、中性點位移。而電弧爐采用靜止無功補償裝置就能克服上述問題，因為它能隨時提供電弧爐所需的瞬變無功功率，從而穩(wěn)定其供電系統(tǒng)。另外它給煉鋼工業(yè)本身也帶來了很大的效益，因為，供電電壓的穩(wěn)定使電爐變壓器得到最有效的利用，并能提供穩(wěn)定的熔化功率；消除無功電流的流動，可降低線路和變電所變壓器的損耗。系統(tǒng)功率因數(shù)也會得到顯著的改善。這些效益既減少電弧爐煉鋼設(shè)備的投資，也減少了它的運行費用。 電弧爐用靜補裝置及其容量的選擇方法 電壓波動 (Δu)的原因是由 于無功功率的變化 (ΔQ)。即 無功補償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 24 %10 0???? sDRQu 321 (31) 由此看來，利用無功發(fā)生裝置，就可補償電網(wǎng)電壓波動。由于晶閘管維護容易、可靠性高，并可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，所以無功補償裝置的最佳方案是利用晶閘管控制電抗器電流，它與補償電容器并聯(lián)。圖 32 示出靜補裝置系統(tǒng)原理圖和無功功率變化示意圖。其工作原理是將電弧爐隨時變化的無功功率信號檢出，用來控制電抗器的無功功率，使 QF＋ QL=常數(shù) (32)式中： QF為電弧爐發(fā)生的無功功率； QL為晶閘管控制電抗器的無功功率。另外由于補償電容器的無功功率QC=QF＋ QL，所以整個靜補裝置取自電網(wǎng)的總無功功率 QΣ維持不變，并力圖使之趨近于零，即 QΣ=QF＋ QL－ QC=0（ 33） 總的無功功率維持不變，并且補償后，趨近于零，則電壓波動也趨近于零了。補償電容器實際上被分成三、五、七次和高通濾波器。 (a) 靜止補償系統(tǒng)原理圖 （ b） 無功補償變化示意 圖 圖 38 靜止無功補償原理圖 沈陽農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 25 毋庸置疑，正確地選擇靜補裝置的容量，能減輕電弧爐電氣設(shè)備（電爐變壓器、高壓斷路器、電力電容器等）的負擔；能提高爐襯和電極的使用壽命，并可使前級供電變壓器的容量減少約 20％，因此可以說，靜補裝置不僅能頗有成效地改善供電質(zhì)量，而且還能提高冶金企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟指標。 為了正確地選擇靜補裝置的容量，必須具體地分析電弧爐供電線路和擬定靜補裝置的技術(shù)條件。這些條件是 1）靜補裝置保證電爐供電母線上的電能質(zhì)量達到國家電熱規(guī)范所規(guī)定的質(zhì)量指標。 2） 靜補裝置保證電爐供電母線上的功率因數(shù)平均值達到供電系統(tǒng)或國家電熱規(guī)范所規(guī)定的數(shù)值。 下面討論如圖 2 所示的煉鋼電弧爐的典型供電線路，這是二組供電線路，每組由二臺大型電弧爐組成，各組之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān) K1接通。當 K1斷開時，電爐變壓器連接處（ B 點）的短路容量 )( 1 1TkAB SUSS ?? ? ?(34) 式中： SA為 A 點供電系統(tǒng)的短路容量； ST為供電變壓器額定容量； UK為供電變壓器短路電壓。 一臺電弧爐短路時的短路容量 SL可由下式確定 ： 11 )( ?? ?????? ???? LBTkAl SkSUSS(35) 式中： k 為電弧爐三相短路電流倍數(shù)，高功率電弧爐為 ～ ，普通功率為～ ； SLB 為電爐變壓器額定容量。 式（ 5）給出了系統(tǒng)短路容量和電弧爐短路容量之間的關(guān)系。那么，多大容量的電弧爐可以接到多大容量的電網(wǎng)上去呢？ 無功補償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 26 圖 39 煉鋼電弧爐的供電圖 圖 310 電弧爐允許接到點電上的限制曲線 首先，美國 AIEE委員會提出了煉鋼電弧爐允許接到電網(wǎng)上的限制曲線 1和 1′，見圖 328。該二曲線是根據(jù)全美電力公司試驗發(fā)表的互降常數(shù) xmn 得出的，即 xmn=SLB/SDR (36) 式中： Sdr 為在觀測點的系統(tǒng)短路容量。 如 果 Xmn 值位于曲線 1 下面，則電弧爐允許接入系統(tǒng)，不需要采取電壓波動補償措施。如果 Xmn 值位于曲線 1′上方，電弧爐不允許接入電網(wǎng)，或者采取電沈陽農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 27 壓波動補償措施后，方可接入電網(wǎng)。如果 Xmn 值在曲線 1 和 1′之間時，是否需要采取電壓波動補償措施，取決于供電系統(tǒng)對電壓質(zhì)量的要求程度，送電后，一旦發(fā)生不允許的現(xiàn)象時，可在用戶側(cè)采取電壓波動補償措施。在許多國家里，電壓波動允許值小于 Xmn 值，因此通常均采用 xmn=SLB/SDR作為電弧爐被允許接到電網(wǎng)上的技術(shù)條件。由圖 3 可以看出，對于 1000kVA 的電弧爐變壓器而言，當系統(tǒng)短 路容量 SDR 大于電弧爐變壓器容量的 100 倍時，電弧爐可以無條件地接入到電網(wǎng)中去，如果上述條件得不到滿足，即 Xmn 值位于圖 3 曲線 1′上方或者 1 和 1′之間時，則需裝設(shè)靜補裝置。 第二種方法是國際電熱委員會提出的高功率、超高功率電弧爐被允許接到電網(wǎng)上的限制曲線，見圖 311。由圖 311 可以看出，電弧爐被允許接到電網(wǎng)上的條件決定于電爐變壓器容量以及電極短路容量與系統(tǒng)短路容量之比。在一般情況下，電極短路容量對臨界母線上短路容量的比值不超過 時，允許電弧爐接到電網(wǎng)上去。 圖 311 電弧爐接到接電 網(wǎng)上的限制曲線 圖中： SJD和 SDR分別為電極短路容量和系統(tǒng)短路容量。 關(guān)于 30t 超高功率電弧爐短路容量及所需靜補償容量的設(shè)定 案例簡介 廣東某鋼廠 30t 超高功率電弧爐短路容量及其所需靜補裝置容量。已知 110Kv/35Kv 等級電網(wǎng)，已知母線短路容量為 1000MvA，變壓器的額定容量為 65MvA， Uk=。 圖 312 實例分析示意圖 MvASBl 20? 根據(jù)公式， B 點短路容量為 無功補償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 28 )( 1 1TkAB SUSS ?? ? ? = ?????? ?? ?65)1 0 0 0( 1 1 = 一臺電 路的短路容量為 11 )( ?? ?????? ???? LBTkAl SkSUSS = ?????? ?? ?? ?11 )20*(65)1000( 1