錢峰，顧建軍

（寶鋼股份公司工程管理部，上海201900）

電爐SVC系統(tǒng)諧波支路阻抗暫態(tài)分析

錢峰，顧建軍

（寶鋼股份公司工程管理部，上海201900）

在介紹電爐SVC系統(tǒng)拓?fù)湓淼幕A(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)原理進(jìn)行了分析，重點(diǎn)針對(duì)系統(tǒng)阻抗特性作了詳細(xì)分析。最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)濾波支路的變化，將對(duì)系統(tǒng)母線電壓、電流以及功率因數(shù)造成影響。

SVC；阻抗；諧波；無(wú)功

1 前言

眾所周知，電爐是一種利用電弧產(chǎn)生的熱量來(lái)熔煉金屬的設(shè)備。它的非線性大容量沖擊會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)無(wú)功沖擊、諧波、閃變以及三相不平衡等一系列不利影響。世界各國(guó)普遍采用靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC），以消除無(wú)功沖擊、濾除高次諧波、平衡三相電網(wǎng)等。為此，對(duì)電爐SVC系統(tǒng)的研究顯得非常必要。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)SVC建模仿真作了一定程度的深入研究。但縱觀以SVC系統(tǒng)為研究對(duì)象的建模仿真分析方法，各國(guó)學(xué)者比較集中于SVC系統(tǒng)穩(wěn)定模型，對(duì)電爐SVC系統(tǒng)暫態(tài)分析則研究較少。

2 系統(tǒng)拓?fù)湓?/h2>

寶鋼現(xiàn)有一座150 t直流電弧爐，以廢鋼和鐵水為原料。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生大量的高次諧波和無(wú)功沖擊，為此，引入SVC對(duì)直流電弧爐進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波電流吸收，從而實(shí)現(xiàn)33 kV系統(tǒng)無(wú)功平衡、電壓穩(wěn)定和電能質(zhì)量改善。

該電爐SVC系統(tǒng)采用了TCR型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是無(wú)源濾波器組和晶閘管控制電抗器TCR并聯(lián)。圖1為電爐SVC系統(tǒng)拓?fù)鋱D。TCR的三相采用三角形連接，每一相是由一組反并聯(lián)的晶閘管、電抗器和阻尼電抗器串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償作用。

圖1 電爐SVC系統(tǒng)拓?fù)?/p>

SVC的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴(kuò)大到容性區(qū)，所以無(wú)源濾波器組與動(dòng)態(tài)控制的TCR一起并聯(lián)，既滿足無(wú)功補(bǔ)償、改善功率因數(shù)，又消除諧波的影響。無(wú)源濾波器組由低次和高次濾波支路組成。其中低次濾波支路采用C型濾波器，主要作用是濾除2次和3次諧波，同時(shí)濾除2次和3次附近的間諧波。高次濾波支路中4次和5次濾波支路為單調(diào)諧支路，主要濾除4次和5次諧波；7次濾波支路采用二階高通濾波器，對(duì)7次及以上的高次諧波具有很好的濾波效果。

3 系統(tǒng)暫態(tài)原理分析

SVC系統(tǒng)的暫態(tài)分析主要可分析系統(tǒng)中斷路器突然發(fā)生動(dòng)作時(shí)的SVC系統(tǒng)運(yùn)行情況。由于斷路器的動(dòng)作會(huì)造成SVC系統(tǒng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，而這些變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況造成一系列的影響，例如電流電壓的幅值會(huì)發(fā)生突變，電流電壓的諧波含量會(huì)發(fā)生變化，SVC系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之發(fā)生改變。所以，對(duì)SVC系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)分析是具有實(shí)際意義的。由于斷路器C0、C1和C2的動(dòng)作可能導(dǎo)致系統(tǒng)并聯(lián)諧振，分析的重點(diǎn)可放在對(duì)諧波電流的分析上。

圖2為SVC系統(tǒng)單相等效電路及變形圖。其中低次和高次濾波支路可以等效為Z23、Z457，TCR等效為阻抗ZTCR。系統(tǒng)阻抗等效為ZS。DC EAF表示直流電弧爐負(fù)載。在這里不考慮供電電壓VS（即背景諧波）的諧波分量，只考慮電弧爐負(fù)載產(chǎn)生的諧波。在SVC系統(tǒng)單相等效電路變形圖中，電弧爐負(fù)載諧波電流在低次和高次濾波支路、TCR以及系統(tǒng)母線組成的4條并聯(lián)支路中分流。Z23、Z457、ZS可以直接從電路圖中計(jì)算得到，晶閘管控制電抗器TCR相當(dāng)于可變電感，阻抗值的大小是由電弧爐負(fù)載無(wú)功電流決定的，電弧爐負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，TCR的等效阻抗也會(huì)發(fā)生變化。

圖2 SVC系統(tǒng)單相等效電路及變形

4 系統(tǒng)阻抗特性

在電爐SVC系統(tǒng)中，對(duì)于二次C型濾波器，可得阻抗計(jì)算公式：

式中：Z2fn是在角頻率ωn=nω1下濾波器的阻抗；

XL2=ωL2，XC21＝1/（ωC1），XC22=1/（ωC22）；

n是諧波次數(shù)；

ω1是額定工頻角頻率。

同樣對(duì)于三次C型濾波器，可得到Z3fn。則低次濾波支路阻抗Z23＝Z2fn//Z3fn。

4、5次濾波器為單調(diào)諧濾波器，等式可分別寫(xiě)為：

7次濾波器為二階高通濾波器，計(jì)算公式為：

可得高次濾波支路阻抗Z457=Z4fn//Z5fn//Z7fnZ23。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的數(shù)值，可計(jì)算得到低次和高次濾波支路的阻抗。再根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得高次濾波支路的阻抗以及SVC系統(tǒng)總阻抗特性如圖3所示。

從圖3的阻抗特性曲線可以明顯看出高次濾波支路在4、5和7次諧波處呈現(xiàn)低阻抗，具有明顯的諧波抑制效果。從SVC系統(tǒng)的總阻抗特性曲線上可以看出SVC系統(tǒng)在2、3、4、5次和7次諧波處呈現(xiàn)低阻抗，而且在3次和4次之間、4次和5次之間出現(xiàn)尖峰，會(huì)造成該尖峰處對(duì)應(yīng)的諧波電流被放大。

圖3 高次濾波支路阻抗以及SVC系統(tǒng)總阻抗特性

當(dāng)電爐SVC系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，高次濾波支路發(fā)生故障，斷路器C2動(dòng)作，將4、5、7次次支路從SVC系統(tǒng)中切除。由于濾波支路吸收容性無(wú)功功率，它的切除會(huì)使系統(tǒng)的無(wú)功功率發(fā)生變化，而系統(tǒng)總的無(wú)功功率性質(zhì)是容性還是感性，決定于負(fù)載的無(wú)功功率情況。

圖4 斷路器C2動(dòng)作前后系統(tǒng)總阻抗特征曲線對(duì)比

在圖4中，曲線①和②分別表示斷路器C2動(dòng)作前、后的系統(tǒng)總阻抗特征。可以看出兩者差別很大，主要表現(xiàn)在由于高次濾波支路的切除，在4、5、7次諧波處的系統(tǒng)阻抗值增加，濾波效果明顯變差。同時(shí)在3、4次諧波之間和4、5次諧波之間的阻抗尖峰有效地得到了消除。母線電壓電流的諧波含量增加，特別是4、5、7次諧波。

5 支路暫態(tài)仿真分析

為驗(yàn)證前述理論分析，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。SVC系統(tǒng)的仿真分析，包括以下三個(gè)部分：系統(tǒng)母線電壓的分析、系統(tǒng)母線電流的分析和功率因數(shù)情況的分析。

在負(fù)載是直流電弧爐時(shí)，0.4 s時(shí)斷路器C2發(fā)生動(dòng)作，切除4、5、7次濾波支路。圖5是C2動(dòng)作前后母線電流頻譜對(duì)比。從分析圖可以看出，4、5、7次濾波支路切除以后，系統(tǒng)母線電流的幅值由1392 A增加到1656 A，增加了大約20%。系統(tǒng)母線電流的5次和7次諧波以及更高次諧波的諧波含量明顯增加，這是由于4、5、7次濾波支路的作用是濾除4、5和7次諧波以及高次諧波。一旦切除4、5、7次濾波支路，則母線電流中的4、5和7次諧波以及高次諧波無(wú)法濾除，導(dǎo)致母線電流諧波含量增加。

C2動(dòng)作前后母線電壓頻譜分析對(duì)比如圖6所示。從對(duì)比可知，4、5、7次濾波支路切除以后，系統(tǒng)母線電壓的幅值變化不大，由26.86 kV減小到25.44 kV，減小大約5.3%。母線電壓的4、5、7次諧波以及高次諧波的含量明顯增加。

圖5 C2動(dòng)作前后33 kV母線電流頻譜對(duì)比

圖7 為SVC系統(tǒng)功率因數(shù)變化曲線。系統(tǒng)功率因數(shù)在0.4 s以前一直保持在接近1。0.4 s以后，功率因數(shù)突然下降為0.8。

圖6 C2動(dòng)作前后33 kV母線電壓頻譜對(duì)比

圖7 SVC系統(tǒng)功率因數(shù)變化曲線

綜上所述，SVC系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中切除4、5、7次濾波支路后，母線電流諧波含量會(huì)出現(xiàn)明顯增加，電壓諧波含量也會(huì)增加，系統(tǒng)功率因數(shù)明顯下降。所以4、5、7次濾波支路的切除對(duì)母線電壓和電流以及系統(tǒng)功率因數(shù)都會(huì)造成影響。

6 結(jié)論

從系統(tǒng)特性入手，可對(duì)寶鋼電爐SVC系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)暫態(tài)仿真分析。暫態(tài)分析主要是分析當(dāng)SVC系統(tǒng)中高次濾波支路故障時(shí)SVC系統(tǒng)的運(yùn)行情況。最后的暫態(tài)分析結(jié)果表明：由于4、5、7次濾波支路的切除，在4、5、7次諧波處的系統(tǒng)阻抗值增加，濾波效果明顯變差。同時(shí)在3次、4次之間、4次、5次之間和5次、6次之間的阻抗尖峰有效得到了消除。母線電壓電流的諧波含量特別是4、5、7次諧波增加。同時(shí)對(duì)33 kV母線系統(tǒng)功率因數(shù)也會(huì)造成影響。

[1]張定華，桂衛(wèi)華，王衛(wèi)安，劉連根.大型電弧爐無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制的綜合補(bǔ)償系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(12)：23-29.

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Transient State Analysis of Harmonic Branch Impedance of Electric Furnace SVC system

QIAN Feng，GU Jianjun
(Engineering Management Department,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

Based on the topology principle of the electric furnace SVC(static var compensator)system,the transient theory of the system is analyzed.The impedance character of the system is emphasized.The simulation verification experiments are made.The results show that variation of harmonic wave branch of the system would make an impact on the bus voltage,current and power factor of the system.

SVC;impedance;harmonic wave;reactive power

TM714.3

B

1006-6764(2013)07-0004-03

2013-03-06

錢峰（1966-），男，畢業(yè)于電力系統(tǒng)及自動(dòng)化專業(yè)，工商管理碩士，電氣高級(jí)工程師，現(xiàn)從事工程技術(shù)管理工作。