SVC改造方案分析

第35卷第4期电力电容器与无功补偿Vol35 No 42014年8月Power Capacitor Reactive Power CompensationAug.2014SVC改造方案分析林琳!,段晓波2,高亚静(1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,河北保定0710032.河北省电力科学研究院,河北石家庄050021)摘要:电弧炉(EAF)利用电极之间的弧光产生热量来熔化金属,特别是在起弧的瞬间,电流变化为突然变化,波动极为剧烈,最大时可接近短路,最小时为开路,频繁变化的电流在电网阻抗上形成了电压降,引起电网电压的波动,导致电网电能质量恶化,笔者针对起弧瞬间电压波动的问题对某变电站现有的SVC系统进行了分析,指出了其中的不足之处,并依据仿真结果的比较,给出了合理的改进方案,最后得到了较为满意的结果。关键词:电弧炉(EAF);电压突变;无功补偿;静止无功补偿(SVC)中图分类号:TM7611文献标志码:A文章编号: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引言大时可接近短路,最小时为开路,频繁变化的电流在电网阻抗上形成了电压降,引起电网电压的电弧炉(EAF)是利用电极之间产生的大量热波动,导致电网电能质量恶化,危及发配电和电能来熔化金属的一种电炉,当电极之间形成电弧力用户,影响自身的产钢量,还会使电耗、电极的时,电阻很小接近短路,所以电弧炉在工作时其消耗增大。通常钢厂企业采用SVC装置进行无功功率因数低、无功负荷大且急剧变动特别是在补偿,但完计需更行详细的分析起弧的瞬间,电流变化为突然变化,波动剧烈,最与比较,才中国煤化工子针对某变电CNMHG收稿日期:201403-312014年第4期电力电容器与无功补偿第35卷站中现有SVC补偿系统进行分析,指出其中的不2问题的提出与分析足之处,并加以改进,最终达到理想的效果。EAF在起弧的瞬间,电流骤然增加,从0开1某110kV变电站系统概述始上升到接近短路时的电流值,电流的不稳定造某110kV变电站经过输电线路向2台电成更大电压波动,线路阻抗在起弧的瞬间与维持弧炉供电,35kV安装有TCR型SVC补偿装置,电弧阶段有所不同,导致线路上的压降也不同该站同时给另一化工厂供电,供电单线图如图1起弧瞬间的电压波动更加严重。从傅里叶变换的所示。角度来看,这种突变电流的频谱为连续宽带频①x…yT电炉变谱,如果电流的变化时间为0,则频谱为无限宽的l10kV110/35k频谱,如果电流变化时间为T,则频谱幅度随着频PCCT电炉变电弧炉率的升高而降低,电流的变化率越低,频谱幅度精炼炉随着频率升高的衰减就越快。需要强调的是,这里电流变化对应的是连续频谱,而绝不是100Hz、图1电弧炉供电单线图Fig. 1 Single line diagram powered by EAF150Hz、200Hz等50Hz整倍数的谐波,传统上图1中:X为35kV系统的等效电抗;Xa为认为谐波电流以23、4、5等为主是一个错觉,这从变电站出口到35kV开关站的输电线路等效是因为谐波分析仪只能显示50Hz整数倍的频电抗;X3为电弧炉限流电抗器的电抗。其中,35kV率成分。的PC连接点侧最大短路容量和最小短路容量根据以上分析,要解决电压突变的问题,需分别为500MVA和286MVA,11035kV主变的要减小电流变化量和电流变化率,现有系统中为额定容量为90MVA,阻抗电压为1171%,EAF了减小电流变化率增加了电弧供电线路的电感和精炼炉变压器的容量分别为60MA和15MVA,量,因为电感量越大,限制电流突变的能力越强EAF串联的限流电抗器容量为11MVA。系统在减小电流变化量的方法是在电弧炉的上游处安35kV处安装SVC进行谐波治理和无功补偿装电容,用电容储存的能量补充起弧时需要的巨SVC容性无功功率为72Mvar,感性无功功率为大电流。图1中的X3起到了限制电流突变的作66Mvar,SvC投入后系统功率因数为098。SVC用,SVC起到了补偿电容的作用。但是目前的系滤波支路设置为2,3,4,5次支路,各支路的容量统还不够完善,存在以下问题见表1,其中2次为高通支路,滤波器各类型电路1)电容支路为调谐性的,仅能提供调谐频率图如2所示。上的能量补充,而在起弧时电流的频谱为宽带频表1滤波时各支路补偿容量谱,因此调谐的窄频带补偿电路不能满足补偿的Tab. 1 Compensation of each filtering branch要求滤波支路2)X2现在的安装位置虽然限制了电弧炉的补偿容量Mvar17.1211468818.37721889突变电流,但同时也阻塞了电容为电弧炉提供电流的通路;3)svc装置不能够解决电弧炉的起弧瞬间的电压波动问题。3改进方案的仿真分析31改进措施(a)单调谐滤波器(b)二阶高通滤波器(c)C型高通滤波器根据V中国煤化工施:图2滤波器电路图1)SVCCNMHG高通支路,但Fig. 2 Filter circuit需要进行滤波效果分析,比较分析高通和调谐对2014年第4期静补与串补·林琳,等SVC改造方案分析(总第153期)谐波的滤波效果,经过仿真计算得出较好的方案。2)将XB安装到SVC的前端综合滤波效果000和电弧炉起弧阶段电压下降的问题,通过仿真分析得出比较合适的方案。通过以上的改进,可以预期电压波动的情况2030将会得到改善,对于改善的效果可以采用以下的0.981.001.021.041061081.101.121.141.16方法进行仿真分析。首先仿真分析SⅤC全部采用高通滤波器时在不同的安装位置对电压波动的图4SvC放在X3后端(电弧炉处),1.0s负载突变,SⅤC动作抑制效果,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次调谐滤波卩的形式在不同位置的电压connection point), 1.0 s load abrupt variation波动情况,对比两种情况从而得出最佳安装位置。图5为SVC放在公共连接点PCC处,0975s根据图1所示的电弧炉供电系统建立仿真负载突变后的电压变化波形,电压经过125ms模型,由三相电源经过变压器给电弧炉负载供后在11s处趋于稳定,在0.975-10s之间电压波电,系统运行稳定后,使断路器闭合接入大功率动最大,波形最高点值为4152kV,波形最低点值负载,以此模拟电弧炉起弧的瞬间情况,同时为-3928kV;图6为SVC放在X后端,0.975sSVC补偿装置动作,然后分析不同情况下图1中负载突变后的电压变化波形,经过75ms后在PCC点的电压变化情况。1.05s处趋于稳定,在0.975~1s之间电压波动较3.2SC采用高通滤波器大,波形最高值和最小值分别为2325kV和图3为SvC采用高通滤波器,放在X前端1831kV。PCC连接点处,1.0s接入大功率的负载,此时电压过0,同时SvC投人后的电压变化波形。0000400.981.001021041061.081.101.121.141.16图5SvC放在x3前端(PCC连接点处),0975s负载突变,SⅤC动作(三相图3SvC放在Xa3前端(PCC连接点处),1.0s负载突Fig 5 SVC action and located at front of Xu3(PCC变,SⅤC动作connection point), 0.975 s load abrupt variationFig3 SVC action and located at front of X,(PCConnection point), 1.0 s load abrupt variation从图3可知,SVC放在公共连接点处,在1s时负载发生突变,经过140ms后在114s处趋20于稳定,在1~114s之间存在电压波动,电压最大值为41.79kV,负相最大值为-3916kV900.951.001.051.101.151.20图4为SVC放在X3后端电弧炉处,大功率时间/s负载投入后PCC点的电压变化图形。从图4可图6SVC放在x后端(电弧炉处),075s负载突变,以看出,SVC放在X3后端,电压经过80ms后SC动作(三相)Fig 6 SVC action and located at back of XI(EAF在1.08s处趋于稳定,在1-1.08s之间电压波中国煤化工v动,正相波动最大点电压值为17.825kV,负相波图3~6CNMHG,分别在电动最大电压值为-23.135kV压过零和峰值时投入,不同安装位置的电压波形。232014年第4期电力电容器与无功补偿第35卷从图3-6中可以看出,SVC放在负载端时,不同1.02s之间电压波动较大,电压波动正向最大时间合闸的负载突变对电网电压造成的影响相和负向最大分别为24.95kV和-250kV。对较小,而电压从波动至稳态响应时间也较快,说明X3起到了阻止电源电流突变的作用,增加了电弧炉从电网直接吸取电流的难度,增强了电容补偿装置的功能,减小了电网电压的波动。-1033SVC采用调谐滤波器图7中调谐滤波器放在PCC连接点处,0.940.960.981.001.021.041.061.081.101.12时间s0975s负载突变时,电压经过125ms后在11s图8SVC放在X3后端(负载处),0.975s负载突变,处趋于稳定,098-1.04s电压波动较大,波形正SC动作(三相)向最大和负向最大分别为3490kV和-3670kV。Fig 8 SVC action( three phase)and located at back ofXI(EAF connection point, 0.975 s load abruptvariation从以上分析结果可知,SVC安装在XB下游,10采用调谐形式的滤波器结构时,波形趋于稳定的时间较短,电压波动的偏差较小,结果较为理想。3.4SvC滤波效果模拟仿真sVC采用高通滤波和调谐滤波对谐波的0.940.960.981.001.021.041.061.081.101.12时间s抑制效果有所不同,为了对比不同结构滤波器的图7SC放在X3前端(PCC连接点处),0975s负载谐波抑制效果,仿真分析可统一采用谐波源为单突变,SⅤC动作(三相)位1的电流源模型,将2,3,4,5等各次谐波电流Fig 7 SVC action( three phase)and located at front ofXI3(PCC connection point ), 0.975 s load abrupt均设定为1。补偿装置的3次,4次和5次滤波器variation均改为高通滤波器,电容器参数不变,高通滤波图8中调谐滤波器放在X3下游处,电压器参数见表2,仿真时不同结构的滤波器后进入经过75ms后在1.05s处趋于稳定,在0.975~系统的谐波电流的大小m见表3表2滤波器参数Tab. 2 Parameters of filter参数2次高通3次高通4次高通5次高通电容器组CnC3IC电容值/μF13358844.5291358124527717898596621848472828电容额定电压/kV3x8.83x7.56.83×6.86.53×65基波容抗/A23.82871484234377031217.78553.3541456943707电感值/mH56.639基波电抗A2382823.4371778514.569滤波电抗器基波品质因数电阻器电阻4×1200x12002×1200电阻器额定连续功率/kW4x2×252×25电容器额定电流/A320382446表3不同滤波器形式和不同安装位置比较分析Tab 3 Comparative analysis of different filter types and different filter locationsSvC滤波器各次谐波电流位置形式2次5次7次8次调游在x下游03030203409av口中国煤化工0高通在X下游0.03710.24660.304600.6543高通在X上游0.06290.0081CNMHG 0.6330调谐在X下游0.1564001140.01160.0038005820081900953060722014年第4期·静补与串补·林琳,等SVC改造方案分析(总第153期)均改为高通滤波器后,2次谐波的滤波效果sation based on low voltage intermediate frequency很好;3、4、5次谐波很差,由于调谐滤波器的调谐tive stove[J]. Low Voltage Apparatus, 2007(9)点非常接近345次,系统阻抗为13.64×0.31449,而滤波器的电阻为049数量级,谐波电流6]王兆安张明勋电力电子设备设计与应用手册[M]大部分进入了滤波器。综合考虑SVC对谐波抑制北京;机械工业出版社,2009[7]刘进军,王兆安.LC滤波的单相桥式整流电路网侧谐效果和负载变化对电压波动的影响,方案中采用波分析[J].电力电子技术,1996(2):5-9调谐滤波器,调谐滤波器安装在X3的下游,即电LIU Jinjun, WANG Zhaoan. Harmonic analysis of LC弧炉负载的前端。filtered single phase bridge ectifier[J]. Power Electron4结束语ics,1996(2):5-9.[8]GB12326-2000电能质量电压波动和闪变S文中提到的改进方案可有效地减小电弧炉GB 12326-2000 power quality -voltage fluctuation and对电网的冲击,同时也能较好地抑制谐波电流进flicker[S]入母线,是较好的改进措施。工程实施中,可将电9]刘华东,张定华,邓建华,等.SVC在电弧炉治理中的弧炉前端串联的限流电抗器XK3调节至0,相当应用研究[].大功率变流技术,2009(5):51-56LIU Huadong, ZHANG Dinghua, DENG Jianhua, et al于不串联电抗器,同时在SVC的上游串联1个相Application research of svc for electric are furnace同容量11000kvar的电抗器,这样实施较为方govemance[J High Power Converter Technology, 2009(5):便,SVC中电容器给电弧炉提供能量的通道更加顺畅,更好地起到了稳定电网电压的作用,SvC[10]方忠民,赵延明基于SⅤC的电弧炉谐波抑制研究[J]对谐波的吸收作用更好,电网的谐波电流相对有中国仪器仪表,2008(1):62-65所减小,同时电容器的谐波耐受程度也可接收FANG Zhongmin, ZHAO Yanming. Study of harmonic是相对较好的一种改善措施。oppression for arc furnace based on SVC[J].China参考文献Instrumentation, 2008(1): 62-65[1]金立军,安世超,廖黎明,等.国内外无功补偿研发现[1]吴是杰大型电弧炼钢炉SvC方案设计及其实际效果[J状与发展趋势J高压电器,2008,44(5):463-465电网技术,2003,27(1):76-79WU Jie. Scheme design and its practical effect of SVCJIN Lijun, AN Shichao, LIAO Liming, et al. Present situ-for a large scale are fumace[J]. Power System Techneation and development of reactive power compensationboth at home and abroad[J]. High Voltage Apparatusoy,2003,27(1):76-792008,44(5):463-46512]岑炳成,董飞飞.SVC抑制次同步振荡控制策略研[2]卢勇,李盛林,卢志强.电力系统无功补偿点的确定及究[J].陕西电力,2013,41(7):45-50其补偿方法[J].电力电容器,2006(2):8-1CEN Bingcheng, DONG Feifei. Control strategy of SvCLU Yong, Li Shenglin, LU Zhiqiang. Confirming of reac-for subsynchronous oscillation suppression[J]. ShaanxElectric Power,2013,41(7):45-50.tive power compensation node of system and compensa-[13]李妍,余欣梅,文劲宇,等.小容量电弧炉所引起的电tion method[J]. 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