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SVG鏈式無功補償裝置在電弧爐現場的應用

發布時間:2020-04-14 作者:新風光
1 引言

國家相關部門在2016年12月初印發了《關于堅決遏制鋼鐵煤炭違規新增產能,打擊“地條鋼”,建設生產經營秩序的通知》。所謂地條鋼,指的是以廢鋼鐵為原料、經過感應爐等熔化、不能有效地進行成分和質量控制而生產的鋼材。這種鋼材主要為建筑用鋼,被認為存在著嚴重的質量隱患,熔煉這種鋼材的設備主要是中頻爐。

廣東某鋼鐵廠主要生產鋼筋盤卷,是一家聚煉鋼-軋鋼一條龍作業的鋼鐵生產企業。2017年年初為了提高煉鋼質量進行了中轉電改造,拆掉中頻爐,安裝電弧爐。電弧爐投運后,引起35kV電網電壓波動,閃變值嚴重超標,直接導致附近的水力發電站無法正常生產。

電弧爐的系統結構比較簡單,但是對電網電壓影響嚴重。電弧爐熔化期爐料尚未熔化,電弧不穩定,斷弧、重燃經常出現,有時會在電極間形成短路。在熔化初期,電流波形不規律,諧波含量大,主要是低次諧波,嚴重時諧波電流含有率超過20%。在熔化初期,三相不平衡電流含有較大的負序分量,當一相熄弧、另外兩相短路時,電流的基波負序比重最大。電弧爐最重要的影響不是諧波問題,而是電壓波動和閃變。電壓波動、閃變對電網及其它用電設備的安全運行產生嚴重的影響。

2 電弧爐現場用電特點及補償需求
2.1 現場配電系統一次圖
廣東某鋼鐵廠現場配電系統一次圖,如圖1所示。
1591257132(1).jpg
圖1 現場配電系統一次圖
2.2 現場負荷情況
本項目現場負荷情況如表1所示。

負荷名稱

電壓等級

額定功率

臺數

負荷類型

備注

1#電弧爐

35kV

16000kVA

1

感性負荷

沖擊性

2#電弧爐

35kV

16000kVA

1

感性負荷

沖擊性

鋼廠在中頻爐改電弧爐的同時,安裝了FC補償裝置,如表2所示。
 

負荷名稱

電壓等級

安裝容量

基波容量

調諧次數

濾波器類型

2FC

35kV

4100kvar

2500kvar

2

單調諧

3FC

35kV

5400kvar

4000kvar

3

單調諧

4FC

35kV

3100kvar

2200kvar

4

單調諧

5FC

35kV

5000kvar

3500kvar

5

單調諧

2.3 本項目現場存在的電能質量問題

鋼廠電弧爐投運之后,雖然安裝了FC補償裝置,但是無法處理電弧爐快速的無功沖擊,補償容量也嚴重不足。電網電壓閃變值嚴重超標,電網電壓不穩定導致附近的水力發電站無法正常生產,發電機組劇烈振動,無功電流、有功電流劇烈波動。此外在電弧爐的負荷變低時,系統側存在過補償問題。

鋼廠業主為了降低投資,只要求電弧爐投運后不影響周邊企業生產,功率因數提高到0.9以上。

2.4 本項目現場補償方案

根據現場電能質量情況和用戶需求,合理的設計補償容量。測試數據表明電弧爐最大無功沖擊可以達到電弧爐變壓器的容量2倍以上,如圖2所示。

圖2  電弧爐無功功率曲線圖

考慮到成本和現場工況,本項目補償方案是在已有補償裝置(FC)的基礎上,增加一臺35kV直掛FGSVG,FGSVG裝置容量12.5Mvar。

3 新風光SVG基本原理介紹 

SVG是目前國內外較為先進的無功補償裝置,這種基于電壓型PWM變流器的補償裝置實現了無功補償方式質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件,而是通過電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上,適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位,或者直接控制其交流側電流就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流,實現動態無功補償的目的。SVG具有快速的電流響應速度和較強的電壓閃變抑制能力。

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圖3  FGSVG結構示意圖

新風光35kV直掛SVG的結構示意圖如圖3所示。主電路采用鏈式串聯結構設計,每一相由多個相同的功率單元組成。每個功率單元由多個大功率的電力電子器件組成橋式電路,單元串聯和載波移相技術使整機輸出電壓波形更接近于正弦波,避免了大的du/dt所導致的諸多問題。

FGSVG系列產品采用進口電力電子模塊作為主功率器件,多個DSP和FPGA組成強大的控制系統。在控制算法上采用瞬時無功理論,實現對系統/負載無功功率的快速準確的檢測。為了得到更快的響應速度和更高的性能采用電流直接控制技術和載波移相技術,實現并網無功電流的快速控制和更優的并網電流波形,如圖4所示。FGSVG能夠快速連續地提供容性或者感性無功功率,實現適當的電壓和無功功率控制,保障電力系統穩定、優質地運行。

 圖4 感性額定電流到容性額定電流響應時間測試波形

FGSVG功率單元采用冗余、模塊化設計,滿足系統高可靠性的需求,模塊化設計集成度高,功率單元互換性好,現場安裝、維護簡單,占地面積小,通常只有相同容量SVC的50%。可多臺FGSVG并聯安裝,極易擴展容量;并聯運行使用高速光纖通訊,通訊速度快,能夠滿足快速補償的要求。此外現場操作非常簡單,超大尺寸的觸摸屏具有豐富的顯示界面,例如實時狀態量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態監控、系統信息查詢、歷史故障查詢等功能外,還具有上電控制系統自檢、一鍵開停機、分時控制、示波器(AD錄波)、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。

4 補償效果
4.1  FGSVG調試

在現場FGSVG通過高壓配電柜接入35kV電網,通過PT、CT檢測35kV系統側的電網電壓和電流,進行自動跟蹤補償。FGSVG具備PT、CT自動識別功能,現場配電柜合閘后,FGSVG主控制器自動分析PT、CT接線,辨別PT、CT相序之后可以直接開機自動跟蹤補償。FGSVG具有多種自動補償模式,如恒考核點無功功率模式、恒考核點功率因數模式、恒考核點電壓模式、負載補償模式,以及綜合補償模式。

FGSVG并網完成后,為方便用戶遠程監控SVG運行數據,用戶原監控電腦通過雙絞線連接到SVG的對外通信接口,實現遠程監控。FGSVG具有多種通信接口,例如RS-485、以太網接口,以及多種電力系統常用通信規約,如MODBUS_RTU、CDT91、IEC104等,可以與后臺進行聯網通信。在生產過程中,現場人員只需定期的巡檢、清掃,操作、維護非常簡單。現場運行FGSVG照片如圖5所示。

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圖5 現場運行FGSVG

4.2  補償效果

在SVG投運之前,短時間閃變值最大達到11.0左右,如圖6所示。

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圖6  SVG投運前的短時閃變值

FGSVG在投運之后,抑制電網電壓波動效果顯著,測得到的最大閃變值降低到3.0左右,如圖7所示。FGSVG投運之后電網電壓波動范圍顯著減小,附近的水力發電站投運之后,發電機組之前的劇烈振動消失,無功電流穩定,有功電流輕微波動,已經不影響生產。

圖7  SVG投運后的短時閃變值
5 結束語

電弧爐是冶金行業對電網電能質量影響較嚴重的設備,其運行時產生大量的諧波、負序、閃變,危害較大的是閃變,影響程度與電弧爐的容量、電網容量有很大關系。此鋼鐵廠為了降低投資成本,補償容量選配的偏小,但是在使用新風光電子科技股份有限公司生產的高壓動態無功補償裝置(FGSVG)之后,電網電壓閃變值顯著降低,不僅消除了電弧爐對水力發電站的影響,而且鋼廠的月平均功率因數也提高到0.96以上。