SVC在冶金企业精炼炉的设计与应用.pdf

冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 5 期 总 第 183 期 SVC 在冶金企业精炼炉的设计与应用 童俊伟 1，付殿臣2，李 磊 2 （1.杭州余杭新农村建设有限公司， 浙江杭州311108；2.杭州钢铁集团有限公司， 浙江杭州310022） 【摘要】精炼炉在冶炼过程中会引起电能质量下降， 产生大量谐波。 以杭钢 2 台 7000 kVA 精炼炉为例， 对精炼炉产生的谐波电流、 功率因数进行分析， 确定 TCR 的容量， 基波无功补偿容量， 滤波电容器安装容量和 相关参数。通过对系统进行动态无功补偿， 达到提高功率因数， 降低谐波的目的。 【关键词】谐波治理； 无功补偿； 滤波器设计； SVC； 容量分配 【中图分类号】TM477【文献标识码】B【文章编号】1006-6764201505-0004-03 The Design and Application of SVC in Metallurgical Refining Furnaces TONG Junwei1，FU Dianchen2，LI Lei2 1. Hangzhou Yuhang New Countryside Construction Co., Ltd.; 2. Hangzhou Iron and Steel Group Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310000, China 【Abstract】 Refining furnaces can cause decline of electricity quality and produce large amount of harmonics during operation. The harmonic current and power factor created by re- fining furnace were analyzed and the capacity of TCR, capacity of the reactive power compen- sation of fundamental wave, installation capacity and related parameters of the filter capacitor were determined, taking the two 7000 kVA furnaces of Hangzhou Steel as an example. The objective of increasing the power factor and reducing harmonics has been reached through dy- namic reactive compensation of the system. 【Key words】 harmonics treatment; reactive compensation; electrical filter design; SVC; capacity assignment 1引言 在钢铁冶金企业中，主要的炉外精炼手段之一 就是采用 LF 炉， 它加快了生产节奏， 使整个冶金生 产效率得到提高。但是 LF 炉是大容量的非线性冲 击负荷， 在其冶炼期间， 将会产生大量的谐波， 造成 电压波动和功率因数下降等电能质量问题，影响用 电设备的出力， 增加电能损耗， 也危害其他电力设备 安全运行。目前广泛采用 SVC （Static Var Compen- sator 静止型动态无功补偿装置）来提高 LF 炉冶炼 期间的电能质量。 2SVC 介绍 2.1静止型无功补偿器 SVC 是一种可以控制的无功功率补偿装置。把 SVC 的电容器组接入电网， 向电网提供无功。 当电网 不需要多余无功时，就由与电容器组并联的空心电 抗器来吸收无功。 QS Q L -Q C Q TCR （1） 式中， QS系统无功； QL负荷需要无功量； QC无功补偿量； QTCR并联电抗器吸收的无功量 （根据负荷 所需无功量实时跟踪变化） 。 根据不同的结构原理， SVC 主要分为自饱和电 抗器型 （SSR， Self Saturated Reactor） 、 晶闸管相控电 抗器型 （TCR, Thyristor Controlled Reactor） 、 晶闸管 投切电容器型 （TSC， Thyristor Switched Capacitor） 和 具有 TCR 和 TSC 的混合型静止无功补偿器。 目前应 用较为广泛的是 TCR 型和 TSC 型 SVC，其中 TCR 型 SVC 具有可控性好、 响应速度快、 补偿范围宽等 优点。 2.2TCR 型 SVC 工作原理介绍 TCR 型 SVC 主要由相控电抗器、 晶闸管控制系 统、水冷系统及并联电容器组成， SVC 接线图见图 1。 其中 TCR 装置可实现电抗器分相调节的控制， 能 4 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 5 期 总 第 183 期 有效抑制不对称负荷的波动，在 LF 炉系统中采用 比较多。TCR 的工作原理简单， 通过控制晶闸管的 触发导通角来改变电抗器等效电纳的大小，从而实 现连续输出无功功率的目的。 晶闸管控制的电抗器等电纳为 BL（琢） 2仔-２琢sin2琢 仔 XL （2） 式中， XL相控电抗器的电抗； 琢晶闸管的触发延迟角。 在 琢90时， 晶闸管全导通， 电抗器等效电纳 达到最大；在 琢180时，晶闸管全关断；当 琢 在 90与 180区间内变化时， TCR 的电纳也在 0 与 最大值 1/XL之间变化， 此时 TCR 就好像一个连续可 调的电感,可以改变吸收无功的大小。加入固定并联 电容器组后整个装置的补偿范围就是一个可调的线 性无功补偿装置。由于 LF 炉冶炼过程中产生大量 的谐波， 因此必须对固定电容器组加装滤波电抗器， 使得 FC 具有补偿功率与滤波的双重功能。 图 1SVC 接线图 3SVC 参数计算 3.1谐波电流分析 表 1注入公共连接点的谐波电流允许值 据 GB/T14549-93A 注 标准电压 6 kV， 基准容量 100 MVA。 系统短路容量与基准容量不一致时， 根据式 （4） 进行修正。 In （Sk1 /S k2 ） I np （3） 式中， Sk1公共连接点的最小短路容量； Sk2基准短路容量； Inp第 n 次谐波电流允许值； In短路容量为 Sk1时的第 n 次谐波电流允 许值。 第 i 个用户第 n 次谐波电流实际允许值 Ih Ih I n （S i /S t） 1/琢 （4） 式中， Ih修正后的的第 n 次谐波电流允许值； Si第 i 个用户的用电协议容量； St公共连接点的供电设备容量。 表 2琢相位叠加系数 在本工程中， Si为 2 台 LF 炉的额定容量 14 MVA， St为变压器的额定容量 20 MVA， 系统短路容 量为 150 MVA， 系统母线电压 6 kV。对本工程允许 分配的谐波电流限制值与 LF 炉冶炼期间测试的系 统谐波电流进行对比， 见图 2， 发现 LF 炉在冶炼期 间的主要特征谐波是 3 次谐波与 5 次谐波。其中三 次谐波电流超标 I344.505 A （允许值 36.8 A） ， I526.08 A。 图 2SVC 系统谐波电流与谐波限值对比图 3.2TCR 及 FC 补偿容量计算 无功补偿量计算 驻QMAXkScos渍1（tg渍1-tg渍2）（5） 负 载 电流互感器 电压互感器 高压开关柜 全数字控制系统 高 压 晶 闸 管 变流装置 相控电抗器 晶闸管相控电抗器 （TCR） 电抗器 电力电容器 高次谐波滤波器 （ FC ） QV QN 6 kVQC QTCR n琢n琢 31.1131.9 51.292 71.4132 111.8偶次2 谐波电流限值系统谐波电流 谐波次数允许值谐波次数允许值谐波次数允许值 243108.5184.7 3341116199.0 421127.1204.3 5341313214.9 614146.1223.9 724156.8237.4 811165.3243.6 9111710256.8 5 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 5 期 总 第 183 期 式中， 驻QMAX无功补偿容量； S设备额定负荷容量； 渍1补偿前功率因数角； 渍2补偿后功率数角； k设备过载能力。 一般设计 FC 的基波补偿容量与 TCR 的补偿容 量一致。 工程上谐波电流滤波通道的容量分配计算方法 主要有以下 2 种 Qh Ih /h ∞ n 2 移In /h 驻QMAX （6） Qh Ih ∞ n 2 移In 驻QMAX （7） 根据确定的基波无功补偿容量 Qh， 就可以确定 补偿电容器的电容值 Ch Ch Qh 1- 1 h 2 蓸蔀 棕SU 2 S （8） 式中， US系统基波电压值； 棕S系统频率。 各次滤波通道的谐波电压 Uh I h/h棕 Ch （9） 各次滤波通道的额定电压为基波电压与谐波电 压之和 UNn U 1 U h （10） 滤波通道的安装容量 QNh U 2Nh 棕 S C h/1000 （11） 3.3实际工程计算 已知参数 供电设备容量 20 MVA； 母线电压 6 kV； 6 kV 母线系统短路容量 150 MVA； 6 kV 母线 系统下有两台 LF 炉，额定负荷容量 27 MVA； LF 炉功率因数 0.8， 设计补偿后功率因数达到 0.95； LF 炉的过载能力为 1.2 倍的额定容量。 根据式 （3） 计算得 驻QMAX5671.68 kvar， 考虑到 留有一定的裕量， FC 的基波补偿容量设计为 6000 kvar，一般设计 FC 的基波补偿容量与 TCR 的补偿 容量一致。TCR 容量等于 FC 的基波补偿容量为 6000 kvar。 本工程中对 3 次和 5 次特征谐波进行滤波， 滤 波通道的容量分配设计采用式 （7） ， 得到 3 次滤波通 道的基波补偿容量为 Q33783 kvar， 5 次滤波通道 的基波补偿容量为 Q53783 kvar。根据基波补偿容 量及式（8）确定补偿电容器的电容值为 C3782.26 滋F， C5495.11 滋F。根据式 （9） 、（10） 求出谐波通道 的谐波电压得到 UN35.5 kV， UN54.7 kV， 考虑留有 一定裕量，实际工程滤波器的额定电压取 UN35.7 kV， UN54.8 kV。 根据滤波器的额定电压及式 （11） 确 定 3 次、 5 次滤波通道的安装容量分别为 QN37980 kvar， QN53582 kvar。基于以上数据， 并对电容器过 电压、 过电流及容量平衡校验， 最终确定电容器的参 数。 表 3实际滤波电容器参数 4SVC 投运效果及结论 SVC 进行仿真测试， 系统母线上的电压、 电流波 形在 SVC 投运后， 明显得到改善。对 2 次谐波电流 放大也很小。 图 3SVC 仿真测试谐波电流对比 表 5SVC 投运后谐波电流测试 注 基波电流 1141 A ， 测试数据分析按 95大值进行定性说明， 保 留小数点后面 2 位。（下转第 67 页） 谐波次数95值谐波次数95值谐波次数95值 223.53101.80180.73 315.32113.87191.64 411.55121.32200.64 528.50133.75210.83 64.97140.96220.59 710.26151.50230.82 82.77160.83240.55 93.54172.97251.15 滤波次数滤波电容器参数 数量 / 台 基波容量 /kvar 实际安装容量 /kvar 3 次AAM5.7-334-12437838016 5 次AAM4.8-100-13622173600 合计-60600011616 谐波电流限值系统谐波电流 6 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 5 期 总 第 183 期 h 计算） 5.0 （18.726.24） 400050 万元 / 年 合计节约成本 714 万元 / 年 表 2过程系统优化节能效果表 注（1） 按照年平均运行时间 8000 h 年计算， 高低负荷分别为 4000 h；（2） 净发电能力为总发电量扣除电站自耗电量；（3） 随着蒸汽量变 化净发电量有所变化。 6结语 通过对低压放散蒸汽特性及规律的研究分析， 结合各种压力和流量工况条件，采用多台发电机组 合方式， 形成压力梯度范围内的最大发电量， 确保放 散蒸汽得到高效回收利用， 同时冷凝水实现回用， 既 回收利用放散能源转化为电力资源， 降低外购电力， 大幅提高能源利用效率， 节约公司用能成本， 同时又 实现环境改善， 消除厂房白烟， 推进环境美化， 这为 钢铁企业加强富余蒸汽利用提供了可借鉴的经验， 而且低压饱和蒸汽发电装置在国内也刚刚起步， 在 低温低压热电转换方面具有较为广阔的发展前景， 通过这项技术的推广应用，能够减少钢铁企业废热 资源浪费， 促进能源节约和利用， 且经济效益可观。 [ 参 考 文 献 ] [1] 钱士进. 我国钢铁冶金余热利用不足现状及对策分析[J]. 企业技 术开发， 2011，（7） 1-2. 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