第35卷第4期電力電容器與無功補(bǔ)償Vol35 No 42014年8月Power Capacitor Reactive Power CompensationAug.2014SVC改造方案分析林琳!,段曉波2,高亞靜(1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,河北保定0710032.河北省電力科學(xué)研究院,河北石家莊050021)摘要:電弧爐(EAF)利用電極之間的弧光產(chǎn)生熱量來熔化金屬,特別是在起弧的瞬間,電流變化為突然變化,波動極為劇烈,最大時可接近短路,最小時為開路,頻繁變化的電流在電網(wǎng)阻抗上形成了電壓降,引起電網(wǎng)電壓的波動,導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化,筆者針對起弧瞬間電壓波動的問題對某變電站現(xiàn)有的SVC系統(tǒng)進(jìn)行了分析,指出了其中的不足之處,并依據(jù)仿真結(jié)果的比較,給出了合理的改進(jìn)方案,最后得到了較為滿意的結(jié)果。關(guān)鍵詞:電弧爐(EAF);電壓突變;無功補(bǔ)償;靜止無功補(bǔ)償(SVC)中圖分類號:TM7611文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:16741757(2014)0402105Analysis on SVC Modification ProgramLIN Lin, DUAN Xiaobo, GAO Yajing(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy SourcesNorth China Electric Power University, Baoding 071003, China2. Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)Abstract: The electric arc furnace(EAF)uses the heat caused by thee arcght between electrodesto melt the metal. Especially at the instant of arc ignition, the current varies abruptly with severefluctuation. The highest fluctuation closes to short circuit, whilst the lowest fluctuation just like opercircuit. Frequent variation of the current would cause voltage drop on the network impedance, resultin the fluctuation of network voltage and lead to deterioration of power quality. In this paper, thet instant of arc ignition on existing svc reactive powercompensation system of certain substation is analyzed, its shortcoming is pointed out and reasonablemodification program is given on the basis of comparison of simulation result. Finally, very satisfactoryresult is obtainedKeywords: electric arc furnace(EAF); voltage abrupt variation; reactive power compensation;static var compensation( SvC0引言大時可接近短路,最小時為開路,頻繁變化的電流在電網(wǎng)阻抗上形成了電壓降,引起電網(wǎng)電壓的電弧爐(EAF)是利用電極之間產(chǎn)生的大量熱波動,導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化,危及發(fā)配電和電能來熔化金屬的一種電爐,當(dāng)電極之間形成電弧力用戶,影響自身的產(chǎn)鋼量,還會使電耗、電極的時,電阻很小接近短路,所以電弧爐在工作時其消耗增大。通常鋼廠企業(yè)采用SVC裝置進(jìn)行無功功率因數(shù)低、無功負(fù)荷大且急劇變動特別是在補(bǔ)償,但完計需更行詳細(xì)的分析起弧的瞬間,電流變化為突然變化,波動劇烈,最與比較,才中國煤化工子針對某變電CNMHG收稿日期:201403-312014年第4期電力電容器與無功補(bǔ)償?shù)?5卷站中現(xiàn)有SVC補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行分析,指出其中的不2問題的提出與分析足之處,并加以改進(jìn),最終達(dá)到理想的效果。EAF在起弧的瞬間,電流驟然增加,從0開1某110kV變電站系統(tǒng)概述始上升到接近短路時的電流值,電流的不穩(wěn)定造某110kV變電站經(jīng)過輸電線路向2臺電成更大電壓波動,線路阻抗在起弧的瞬間與維持弧爐供電,35kV安裝有TCR型SVC補(bǔ)償裝置,電弧階段有所不同,導(dǎo)致線路上的壓降也不同該站同時給另一化工廠供電,供電單線圖如圖1起弧瞬間的電壓波動更加嚴(yán)重。從傅里葉變換的所示。角度來看,這種突變電流的頻譜為連續(xù)寬帶頻①x…yT電爐變譜,如果電流的變化時間為0,則頻譜為無限寬的l10kV110/35k頻譜,如果電流變化時間為T,則頻譜幅度隨著頻PCCT電爐變電弧爐率的升高而降低,電流的變化率越低,頻譜幅度精煉爐隨著頻率升高的衰減就越快。需要強(qiáng)調(diào)的是,這里電流變化對應(yīng)的是連續(xù)頻譜,而絕不是100Hz、圖1電弧爐供電單線圖Fig. 1 Single line diagram powered by EAF150Hz、200Hz等50Hz整倍數(shù)的諧波,傳統(tǒng)上圖1中:X為35kV系統(tǒng)的等效電抗;Xa為認(rèn)為諧波電流以23、4、5等為主是一個錯覺,這從變電站出口到35kV開關(guān)站的輸電線路等效是因為諧波分析儀只能顯示50Hz整數(shù)倍的頻電抗;X3為電弧爐限流電抗器的電抗。其中,35kV率成分。的PC連接點側(cè)最大短路容量和最小短路容量根據(jù)以上分析,要解決電壓突變的問題,需分別為500MVA和286MVA,11035kV主變的要減小電流變化量和電流變化率,現(xiàn)有系統(tǒng)中為額定容量為90MVA,阻抗電壓為1171%,EAF了減小電流變化率增加了電弧供電線路的電感和精煉爐變壓器的容量分別為60MA和15MVA,量,因為電感量越大,限制電流突變的能力越強(qiáng)EAF串聯(lián)的限流電抗器容量為11MVA。系統(tǒng)在減小電流變化量的方法是在電弧爐的上游處安35kV處安裝SVC進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)償裝電容,用電容儲存的能量補(bǔ)充起弧時需要的巨SVC容性無功功率為72Mvar,感性無功功率為大電流。圖1中的X3起到了限制電流突變的作66Mvar,SvC投入后系統(tǒng)功率因數(shù)為098。SVC用,SVC起到了補(bǔ)償電容的作用。但是目前的系濾波支路設(shè)置為2,3,4,5次支路,各支路的容量統(tǒng)還不夠完善,存在以下問題見表1,其中2次為高通支路,濾波器各類型電路1)電容支路為調(diào)諧性的,僅能提供調(diào)諧頻率圖如2所示。上的能量補(bǔ)充,而在起弧時電流的頻譜為寬帶頻表1濾波時各支路補(bǔ)償容量譜,因此調(diào)諧的窄頻帶補(bǔ)償電路不能滿足補(bǔ)償?shù)腡ab. 1 Compensation of each filtering branch要求濾波支路2)X2現(xiàn)在的安裝位置雖然限制了電弧爐的補(bǔ)償容量Mvar17.1211468818.37721889突變電流,但同時也阻塞了電容為電弧爐提供電流的通路;3)svc裝置不能夠解決電弧爐的起弧瞬間的電壓波動問題。3改進(jìn)方案的仿真分析31改進(jìn)措施(a)單調(diào)諧濾波器(b)二階高通濾波器(c)C型高通濾波器根據(jù)V中國煤化工施:圖2濾波器電路圖1)SVCCNMHG高通支路,但Fig. 2 Filter circuit需要進(jìn)行濾波效果分析,比較分析高通和調(diào)諧對2014年第4期靜補(bǔ)與串補(bǔ)·林琳,等SVC改造方案分析(總第153期)諧波的濾波效果,經(jīng)過仿真計算得出較好的方案。2)將XB安裝到SVC的前端綜合濾波效果000和電弧爐起弧階段電壓下降的問題,通過仿真分析得出比較合適的方案。通過以上的改進(jìn),可以預(yù)期電壓波動的情況2030將會得到改善,對于改善的效果可以采用以下的0.981.001.021.041061081.101.121.141.16方法進(jìn)行仿真分析。首先仿真分析SⅤC全部采用高通濾波器時在不同的安裝位置對電壓波動的圖4SvC放在X3后端(電弧爐處),1.0s負(fù)載突變,SⅤC動作抑制效果,然后分析SVC采用2次高通和3次、Fig 4 SvC action and located at back of XI(EAF4次、5次調(diào)諧濾波卩的形式在不同位置的電壓connection point), 1.0 s load abrupt variation波動情況,對比兩種情況從而得出最佳安裝位置。圖5為SVC放在公共連接點PCC處,0975s根據(jù)圖1所示的電弧爐供電系統(tǒng)建立仿真負(fù)載突變后的電壓變化波形,電壓經(jīng)過125ms模型,由三相電源經(jīng)過變壓器給電弧爐負(fù)載供后在11s處趨于穩(wěn)定,在0.975-10s之間電壓波電,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,使斷路器閉合接入大功率動最大,波形最高點值為4152kV,波形最低點值負(fù)載,以此模擬電弧爐起弧的瞬間情況,同時為-3928kV;圖6為SVC放在X后端,0.975sSVC補(bǔ)償裝置動作,然后分析不同情況下圖1中負(fù)載突變后的電壓變化波形,經(jīng)過75ms后在PCC點的電壓變化情況。1.05s處趨于穩(wěn)定,在0.975~1s之間電壓波動較3.2SC采用高通濾波器大,波形最高值和最小值分別為2325kV和圖3為SvC采用高通濾波器,放在X前端1831kV。PCC連接點處,1.0s接入大功率的負(fù)載,此時電壓過0,同時SvC投人后的電壓變化波形。0000400.981.001021041061.081.101.121.141.16圖5SvC放在x3前端(PCC連接點處),0975s負(fù)載突變,SⅤC動作(三相圖3SvC放在Xa3前端(PCC連接點處),1.0s負(fù)載突Fig 5 SVC action and located at front of Xu3(PCC變,SⅤC動作connection point), 0.975 s load abrupt variationFig3 SVC action and located at front of X,(PCConnection point), 1.0 s load abrupt variation從圖3可知,SVC放在公共連接點處,在1s時負(fù)載發(fā)生突變,經(jīng)過140ms后在114s處趨20于穩(wěn)定,在1~114s之間存在電壓波動,電壓最大值為41.79kV,負(fù)相最大值為-3916kV900.951.001.051.101.151.20圖4為SVC放在X3后端電弧爐處,大功率時間/s負(fù)載投入后PCC點的電壓變化圖形。從圖4可圖6SVC放在x后端(電弧爐處),075s負(fù)載突變,以看出,SVC放在X3后端,電壓經(jīng)過80ms后SC動作(三相)Fig 6 SVC action and located at back of XI(EAF在1.08s處趨于穩(wěn)定,在1-1.08s之間電壓波中國煤化工v動,正相波動最大點電壓值為17.825kV,負(fù)相波圖3~6CNMHG,分別在電動最大電壓值為-23.135kV壓過零和峰值時投入,不同安裝位置的電壓波形。232014年第4期電力電容器與無功補(bǔ)償?shù)?5卷從圖3-6中可以看出,SVC放在負(fù)載端時,不同1.02s之間電壓波動較大,電壓波動正向最大時間合閘的負(fù)載突變對電網(wǎng)電壓造成的影響相和負(fù)向最大分別為24.95kV和-250kV。對較小,而電壓從波動至穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間也較快,說明X3起到了阻止電源電流突變的作用,增加了電弧爐從電網(wǎng)直接吸取電流的難度,增強(qiáng)了電容補(bǔ)償裝置的功能,減小了電網(wǎng)電壓的波動。-1033SVC采用調(diào)諧濾波器圖7中調(diào)諧濾波器放在PCC連接點處,0.940.960.981.001.021.041.061.081.101.12時間s0975s負(fù)載突變時,電壓經(jīng)過125ms后在11s圖8SVC放在X3后端(負(fù)載處),0.975s負(fù)載突變,處趨于穩(wěn)定,098-1.04s電壓波動較大,波形正SC動作(三相)向最大和負(fù)向最大分別為3490kV和-3670kV。Fig 8 SVC action( three phase)and located at back ofXI(EAF connection point, 0.975 s load abruptvariation從以上分析結(jié)果可知,SVC安裝在XB下游,10采用調(diào)諧形式的濾波器結(jié)構(gòu)時,波形趨于穩(wěn)定的時間較短,電壓波動的偏差較小,結(jié)果較為理想。3.4SvC濾波效果模擬仿真sVC采用高通濾波和調(diào)諧濾波對諧波的0.940.960.981.001.021.041.061.081.101.12時間s抑制效果有所不同,為了對比不同結(jié)構(gòu)濾波器的圖7SC放在X3前端(PCC連接點處),0975s負(fù)載諧波抑制效果,仿真分析可統(tǒng)一采用諧波源為單突變,SⅤC動作(三相)位1的電流源模型,將2,3,4,5等各次諧波電流Fig 7 SVC action( three phase)and located at front ofXI3(PCC connection point ), 0.975 s load abrupt均設(shè)定為1。補(bǔ)償裝置的3次,4次和5次濾波器variation均改為高通濾波器,電容器參數(shù)不變,高通濾波圖8中調(diào)諧濾波器放在X3下游處,電壓器參數(shù)見表2,仿真時不同結(jié)構(gòu)的濾波器后進(jìn)入經(jīng)過75ms后在1.05s處趨于穩(wěn)定,在0.975~系統(tǒng)的諧波電流的大小m見表3表2濾波器參數(shù)Tab. 2 Parameters of filter參數(shù)2次高通3次高通4次高通5次高通電容器組CnC3IC電容值/μF13358844.5291358124527717898596621848472828電容額定電壓/kV3x8.83x7.56.83×6.86.53×65基波容抗/A23.82871484234377031217.78553.3541456943707電感值/mH56.639基波電抗A2382823.4371778514.569濾波電抗器基波品質(zhì)因數(shù)電阻器電阻4×1200x12002×1200電阻器額定連續(xù)功率/kW4x2×252×25電容器額定電流/A320382446表3不同濾波器形式和不同安裝位置比較分析Tab 3 Comparative analysis of different filter types and different filter locationsSvC濾波器各次諧波電流位置形式2次5次7次8次調(diào)游在x下游03030203409av口中國煤化工0高通在X下游0.03710.24660.304600.6543高通在X上游0.06290.0081CNMHG 0.6330調(diào)諧在X下游0.1564001140.01160.0038005820081900953060722014年第4期·靜補(bǔ)與串補(bǔ)·林琳,等SVC改造方案分析(總第153期)均改為高通濾波器后,2次諧波的濾波效果sation based on low voltage intermediate frequency很好;3、4、5次諧波很差,由于調(diào)諧濾波器的調(diào)諧tive stove[J]. Low Voltage Apparatus, 2007(9)點非常接近345次,系統(tǒng)阻抗為13.64×0.31449,而濾波器的電阻為049數(shù)量級,諧波電流6]王兆安張明勛電力電子設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用手冊[M]大部分進(jìn)入了濾波器。綜合考慮SVC對諧波抑制北京;機(jī)械工業(yè)出版社,2009[7]劉進(jìn)軍,王兆安.LC濾波的單相橋式整流電路網(wǎng)側(cè)諧效果和負(fù)載變化對電壓波動的影響,方案中采用波分析[J].電力電子技術(shù),1996(2):5-9調(diào)諧濾波器,調(diào)諧濾波器安裝在X3的下游,即電LIU Jinjun, WANG Zhaoan. Harmonic analysis of LC弧爐負(fù)載的前端。filtered single phase bridge ectifier[J]. 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