SVC在冶金企业中的应用(第2)

ＳＶＣ在冶金企业中的应用李国军（鞍钢集团朝阳鞍凌钢铁有限公司能源动力厂邮编：122000）高辉（鞍钢工程技术有限公司邮编：114003）摘要以鞍钢股份2150热连渣生产线为例，简要介绍了冶金企业中轧机与电弧炉负荷特征引起的问题，并提出解决轧机、电弧炉等负荷带来的问题方案。关键词轧机电弧炉问题方案正文一、冶金企业中的轧机与电弧炉负荷特征描述轧机电动机多数采用可控硅变流器供电，负荷容量较大。并且一般是重复冲击性的，负荷的变化具有一定的周期性，负荷的变化速度快、变化幅值大。以鞍钢股份2150热连轧生产线为例：热连轧电气设备的安装容量为160兆瓦，计算负荷的有功功率为88兆瓦，无功功率为34兆乏，冲击功率为79兆瓦。与轧机负荷一样电弧炉负荷具有负荷容量大的特点。而与轧机负荷不同的是电弧炉负荷变化没有规律，由于电弧炉在融化期间电极经常短路，电弧不稳定造成电流波动剧烈，而且电流严重失真。因此与轧机比起来，电弧炉给电力系统带来的影响更加严重。二、轧机与电弧炉负荷引起的问题一般来讲，轧机和电弧炉引起的问题主要包括：电压闪变、电流与电压谐波、功率因数低下、不对称、频率波动等。这些方面的问题主要会引起以下几个方面的危害：1、电压波动与闪变造成电压质量下降，严重影响其他用户的用电质量与安全。2、电压与电流谐波引起电力系统谐振，产生过电压、过电流导致设备绝缘击穿、损坏与烧毁。一般而言，轧机负载的谐波以奇次谐波为主，电弧炉负载的谐波则奇次谐波和偶次谐波都比较严重。3、电压和电流谐波的存在还容易导致计算机和保护装置失灵，测量装置误差增大，对弱电系统产生较大的干扰。4、功率因数低下造成线损增加，线路传输能力下降；不对称也是如此，使得系统的传输能力大幅下降。5、由于无功的剧烈变化，容易引起自身用电系统乃至电网的电压不稳定，而有功的剧烈变化则容易导致频率波动剧烈，系统失去功角平衡。6、电压降低还降低了轧机或电弧炉的有效输出功率。至于频率波动的问题，只有通过增加系统容量来实现，而其他问题如电压闪变、电压低下、功率因数低下、不对称、电流与电压谐波等问题都可以在一套设备中加以解决，这一设备就是新型高压动态无功补偿设备。可见这一设备对轧机和电弧炉的运行以及相关电网的安全可靠运行具有十分重要的意义。三、电网对轧机与电弧炉负荷的限制条件正是因为轧机与电弧炉负荷对电网的严重影响，以及对电网安全经济运行的极端重要性，电网对此类负荷的入网提出了相应的要求。鞍钢股份2150热连轧生产线为例，电网提出主要的要求包括：10KV母线电压降最大值：±2%功率因数：0.95电压波形总畸变率：4%对谐波电流，国家也规定了相应的标准，对于各个电压等级对谐波的规定是不同的，要求各次谐波的电流值小于表1中规定的值。表1、66kV谐波电流允许值谐波次数2345678910电流允许值16138.1135.49.34.14.33.3谐波次数111213141516171819电流允许值5.92.752.32.62.03.81.83.4四、解决轧机、电弧炉等负荷带来的问题的几种方案为了实现对电压闪变、电压低下、功率因数低下、不对称、电流与电压谐波等问题的治理，目前一般采用ASVG/APF，SVC以及新型SVC等三种方案。一般来说，由于ASVG/APF采用了有源的方案，不再需要电容作为补偿使用，而且开关元件均为可关断的高频开关器件如GTO、IGCT等，所以ASVG/APF的方案具有设备体积小、响应速度快、无谐波污染、对电网呈现电流源特性（电网电压对设备容量，尤其是无功容量的影响呈线性关系）等优点，是当今最先进的无功补偿与谐波治理装置。但是由于设备复杂程度高、稳定性差，开关器件可靠性低下、价格昂贵等原因，这种方案性价比较低，基本不具备工业现场运行的条件[1]。所以，在冶金行业，解决轧机和电弧炉带来的各种问题，主要的方案还是SVC和新型SVC这两种方案。众所周知，单纯无功的补偿是很容易通过并联电容器实现的，而在需要治理谐波时，真正实用的滤波方案还是无源滤波，因此在同时需要这两种功能的场合，它们被合二为一，组成FC网络。而电压闪变的治理、无功变化的动态补偿以及不对称的治理也都需要通过动态无功补偿装置来实现。自80年代以来，传统SVC经过长足的发展，成为主要的动态无功补偿装置，解决了大量的动态无功补偿问题。它以响应速度快，技术相对成熟以及高压SCR器件可靠性高于GTO、IGCT等为人所熟知，但是，即使是经过了20来年的发展，还是无法克服几个装置本身所固有的缺陷：1、硅塔可靠性低。由于硅塔由单只SCR串联而成，任何一只SCR损坏都会造成硅塔整体损坏，因此，传统SVC的可靠性等级始终无法达到理想的水平。2、谐波污染大。传统的SVC装置带给系统的另外一个问题就是引入了大量的谐波，因此即使系统自身不存在谐波，也需要安装滤波装置，增加了造价与占地面积。3、体积庞大。由于采用得是空心电抗器，而且滤波装置容量大，硅塔的安装需要专门的厂房，而且硅塔需要水冷装置，诸多原因导致传统SVC的占地面积非常庞大[2]。随着控制技术的不断发展和对电抗器工艺与结构的突破性改进，在克服了传统饱和电抗器响应速度慢、损耗大、噪音大、谐波大等缺点之后，一种基于磁阀式饱和电抗器的新型SVC装置在具备了响应速度快的特点的同时，克服了传统SVC的上述诸多缺陷。正因如此，美国电科院于2002年向本国企业推荐这种新型SVC为传统SVC的替代产品。与传统SVC相比，这种新型SVC最主要的特征就是SCR安装在控制回路而不直接安装在主回中，SCR所需要承受的电压仅为主回路的1%左右，正因如此，新型SVC具有极高的可靠性。归结起来，新型的SVC装置具有以下显著特点：1、极高的可靠性。2、较低的谐波含量，三相角接系统的电流THD小于5%，符合国家规定的相关标准。3、体积小，可调电抗器部分体积仅为传统TCR的1/5左右。4、响应速度快，可以达到20ms左右。五、新型SVC装置介绍新型SVC的系统(图5.2)构成与传统SVC(图5.1)相同，由FC和可调电抗器两部分组成。区别在于，在传统SVC里，可调电抗器为TCR，而在新型的SVC里，可调电抗器为PTCR。PTCR的渊源来自磁放大器以及传统的饱和电抗器，但是由于他们的响应速度慢、损耗大、噪音大、谐波大等缺点，长期以来没有得到广泛的应用，“磁阀”概念的提出，大大改善了饱和电抗器在损耗、噪音以及谐波等方面的性能，使得饱和电抗器的性能得到了突破性的改进。而控制技术与电力电子在饱和电抗器中的创新应用，使得传统饱和电抗器响应速度慢的缺点得到了根本性的改进而响应速度的改进大大扩展了饱和电抗器在动态无功补偿领域应用。正是饱和电抗器在动态无功补偿领域的应用，改变了动态无功补偿技术的格局，使得一种可靠性更高、基本谐波污染小、体积更小、对环境适应能力更强的动态无功补偿装置在技术上成为可能[3]。图5.1SVC原理图图5.2新型SVC原理图传统饱和电抗器是通过改变直流激磁进而改变铁心的饱和程度，从而达到平滑调节无功输出的目的的。磁阀式饱和电抗器(图5.3)与传统饱和电抗器的主要差别在于：（1）、铁心中具有小截面段，即所谓的“磁阀”；（2）、励磁采用自耦方式，降低成本，并使得超高压应用成为可能。图5.3磁阀式可控电抗器原理图可以看出，电抗器由一个四柱铁心和绕组组成，中间两个铁心柱为工作铁心，Nk为控制绕组，N为工作绕组。由于可控硅接于控制绕组上，其电压很低，约为系统额定电压的1%左右，从而大大提高了运行可靠性。通过控制可控硅的导通角，可以控制ik1和ik2的大小，从而控制工作铁心的饱和度，就可以平滑的调节电抗器的容量。从图中，还可以看出，磁阀式饱和电抗器具有自耦励磁功能，省去了单独的直流控制电源。磁阀式饱和电抗器的另一特点是小截面铁心处于极限饱和状态。而其他铁心则处于不饱和状态，降低了有功损耗，降低了谐波含量[3]。六、新型动态无功补偿装置的使用效果在冶金企业中安装新型动态无功补偿装置，解决轧机或电弧炉等负载带来的问题，其使用结果可以分为两方面。一方面是对公共电网而言，主要解决了以下几个方面的问题。1、克服因为无功冲击造成的电压降低与电压闪变，系统电压降低1%，工业企业产量将会降低0.5%，因此，具有重要的社会与经济效益。2、提高功率因数，提高线路传输能力，降低线路损耗。3、消除谐波污染与负序电流，提高电能质量，降低系统损耗，提高系统安全运行水平。另一方面是针对用户自身而言，主要解决了以下几个问题。1、降低线路损耗电费；2、免除功率因数低罚款，获得功率因数奖励；3、免除谐波和闪变超标罚款；4、增加生产产量，降低单产能耗。以鞍钢股份2150连轧为例，通过安装SVC，使得整个系统的参数达到了相应的国家与国际标准要求。具体如表2所示。表2、安装SVC之后的相应数据测试表序号项目要求值实测值备注1功率因数大于0.950.97210KV母线电压降小于2%0.51%3响应时间10ms12ms410kv母线电压波动2%±1.3%5负序电流小于1.5%0.762%6谐波电压小于1.2%0.42%7谐波电流见表1合格按IEC标准上述对电网的改善主要是针对公共电网而言，就安装SVC的鞍钢股份公司自身而言，也获得了可观的经济效益。通过安装SVC，鞍钢股份公司，每年可以获得：节约线损电费16.3万元；节约无功罚款1800万元；增加无功奖励收入120万元；免除谐波和闪变超标罚款。七、结论由上述分析可见，在冶金企业的轧机、电弧炉等负荷的供电系统安装新型SVC不仅可以保证冶金企业的正常运行，而且可以改善功率因数、消除谐波与电压闪变，提高电压稳定水平，提高电力系统传输能力。由于降低了电压波动、提高了电压水平，提高了电弧炉使用效率，缩短了冶炼时间，增加了生产产量，降低了单产电耗。具有很好的经济效益和社会效益。基于磁阀式饱和电抗器的新型SVC装置由于具有响应速度快、可靠性高、体积小、谐波含量低、环境适应能力强、安装调试方便等诸多优越性。是传统SVC的理想升级替代产品。参考文献[1]周鹤良.我国电力市场与对策.见：第七届全国“智能化电器及应用”学术年会曁“2004年配网自动化和变电站自动化”论坛论文集.南京：中国电工技术学会电器智能化系统及应用专委会，2004，1-3[2]赵贺.电力电子学在电力系统中的应用－灵活交流输电系统.北京：中国电力出版社，2001，20-50[3]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，1998，164-241李国军，男，大学，电力高级工程师，从事电力运行及电力工程，[e-mail]高辉，男，大学，工程师，从事电力工程设计工作。