钢铁企业用静止无功补偿器SVC的结构设计与参数研究.pdf

摘要摘要对供电系统进行适当的无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数，提 高设备利用率，减小网络有功功率损耗，提高输电能力，平衡三相功率，为系 统提供电压支撑，提高系统运行安全性。钢铁企业一直就是用电大户，具有容 量大、负荷冲击大、起制动频繁、快速性、工作连续性和自动化程度高等特点,存在功率因数低、电压波动等问题。研究钢铁企业的无功补偿，对企业提高供 电可靠性，节能减排，降低损耗，提高用电设备效率，保证产品质量有着非常 重要的意义。本文选用目前工程上应用最为广泛的动态补偿装置静止无功功率补偿器，即SVC对钢铁企业负荷进行无功补偿。考察了轧钢企业的负荷特点，对比了各 种补偿装置的优缺点，在此基础上提出了 FC-TCR型SVC做为钢铁企业的无 功补偿装置。本文根据特定的现场参数，提出了 FC-TCR型SVC装置的设计框架，建立了 潮流计算和SVC装置的数学模型，给出了含有SVC补偿装置的电力系统潮流计 算的计算方法，计算了 SVC装置的FC和TCR各支路参数，对一次设备进行选 型，最后提出了一套完整的SVC系统设计方案。仿真结果表明，采用本方案的 SVC系统有效提高了供电系统的功率因数，抑制了电压波动，表明方案设计中 的支路配置，参数设置和设备选型是合理的。从基于瞬时无功功率理论的补偿装置触发角度的算法出发，研究了 SVC装 置动态补偿的实现方法。本文还提出了动态补偿SVC监控系统和晶闸管触发系 统的硬件实现。为了验证SVC系统设计的合理性，搭建了 SVC的模拟试验平台，对一次系 统，监控系统，光电触发系统进行了联合调试，调试结果达到了设计预期目标。关键词：无功补偿，功率因数，SVC,瞬时无功理论AbstractABSTRACTProper reactive compensation to power supply system can stabilize power grids voltage,improve power factor and devices utilization,decrease power wastage,improve power transmitting ability,balance three phase power,provide voltage support and improve the running security of the whole system.Iron and steel enterprises have always been big power consumer,which have the character of big capacity,big shock loading,frequent starting and braking,continuous working and high automatization,and have the problems of low power factor,voltage fluctuating and so on.Therefore,doing research on reactive compensation for iron and steel enterprises has great meaning on improving power supply reliability,reducing power lose,boosting equipment efficiency and assuring product quality.This thesis uses static var compensator(SVC)to do reactive compensation for iron and steel enterprises.SVC is a most widely used dynamic compensating device at present.We investigated the load character of steel rolling company,compared all kinds of compensating devices to find out there advantages and disadvantages,and finally chose SVC of type FC-TCR to do compensation for rolling company.Based on field parameters,we put forward the framework of SVC of type FC-TCR,particularly and thoroughly calculated the parameters needed in all branches,done primary equipment selection,and finally bring out a whole design scheme of SVC system.We did simulation job in the SVC simulating system,which is designed by ourselves.The simulation result showed that applying our SVC device can efficiently improve power factor and restrain voltage fluctuating.This demonstrated that out design of SVC system is successful,and the parameter setting and equipment choosing is reasonable.Through SVC trigger angle algorithm based on instantaneous reactive power theory,we deeply studied how to realize dynamic compensating of SVC device and find a method to realize it.This method has been realized and demonstrated in our simulating system based on Simulink.In this paper,we have also introduced the Abstracthardware realization of dynamic compensation,i.e.the supervising and controlling system and the triggering system.In the end,we have done combined experiment to the whole SVC system in the low voltage experiment flat which is found all by ourselves,including primary system,supervising and controlling system and triggering system.The result fit our expectation,showed that our SVC system deign is successful,and basically achieves our design purpose.Key words：reactive power compensation,power factor,SVC,instantaneous reactive power theoryin第1章引言第1章引言1.1 课题研究的背景和意义电能质量是指导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。随着我国国民经济的发展，电力网负荷不断加大，变频装置、电弧炉炼钢、电 气化铁道等冲击性、非线性负荷容量不断增长，电网电压波形畸变、电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题日益突出。功率因数过低，不但增加电能损 耗，使变压器等电力设备容量得不到充分利用，而且可能给大型用电企业带来 罚款。同时，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及,人们对电能质量要求也越来越高。电能质量已逐渐成为全社会共同关注的问题。提高电能质量的方法很多，加装无功补偿装置，特别是具有动态补偿性能 的现代无功补偿装置，是最有效、最经济的方法之一。动态无功补偿装置实时 跟随冲击负荷的变化而变化，可以有效提高负荷功率因数，滤除谐波电流，提 高电压水平，抑制电压波动和闪变，全面提高电能质量。无功功率补偿对提高电力系统电能质量有着重要意义。对电力系统进行适 当的无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数，提高设备利用率，减小网 络有功功率损耗，提高输电能力，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，提高 系统运行安全性口】。钢铁企业一直就是用电大户，具有容量大、负荷冲击大、起制动频繁、快 速性、工作连续性和自动化程度高等特点。而且随着钢铁冶金业的蓬勃发展，电力负荷急剧增长，容量、非线性和冲击性的负荷也在不断增长，它们对供电 系统的电能质量构成了新的挑战，所以研究钢铁企业的无功补偿，对企业提高 供电可靠性，节能减排，降低损耗，调高用电设备效率，保证产品质量有着非 常重要的意义。另外，国家供用电规则中对用户的功率因数做了如下规定：“用户必须 提高自然功率因数,高压供电的用户必须保证其在0.9以上,其它用户保持其在 0.85以上，若达不到者应加装必要的无功功率补偿装置”。钢铁企业在不加装无 功功率补偿装置时,功率因数远远低于国家的供电要求,因此必须加装无功功率 第1章引言补偿装置。所以，研究对钢铁企业的无功补偿，提高其负荷功率因数，对稳定电网电 压、提高供电设备利用率、减少电能损耗、提高钢铁企业生产效率具有重要意 义。1.2 钢铁企业负荷的特点钢铁企业是用电大户，金属加工业2002总耗电247.4TWh,占全社会工业用 电量的比例为25%。而钢铁企业在2002年的用电量为107.30TWh,占其中43%的 比例。钢铁企业用电具有容量大、负荷冲击大、起制动频繁、快速性、工作连续 性和自动化程度高等特点。轧机、电焊设备、炼钢电弧炉等冶金设备的运行会 引起无功发生波动、功率因数低、三相不平衡、损耗增加、谐波含量超标；大 型风机、轧机主传动等较多应用大功率变流、变频传动装置，容量大的达上万 千瓦，是企业的主要电力负荷。这些设备在调速运行过程产生的谐波干扰将直 接影响配电系统的电能质量，尤其是在这些传动设备的加、减速阶段，谐波干 扰特别严重，而交-交变频调速系统产生的谐波不仅含有一般变流装置中的整数 次谐波，而且含有基频和特征次谐波的分频成分，频率分布广、含量较高，不 仅会造成电网电压畸变，还可能造成电网在某些频率下的谐振，这些问题必须 加以治理。炼钢电弧炉是钢铁企业常用的一种大容量用电设备，单台容量可达10 20MW.超高功率电弧炉的单台容量则更大。电弧炉在精炼期间，三相负荷均匀 对称；在起始熔炼期间，由于受炉内原料堆积不均匀及熔融差别等因素的影响，每相负荷波动很大，电流可达其额定值的2.03.5倍，以致引起很大的网络电 压波动与闪变。如不对其进行治理，将严重影响冶炼质量和效益。现代轧钢机传动装置的机组容量日益增大，有的达数万kW,而且其负荷变 动异常剧烈。其特点是重复冲击，速度周期变化。有的机组工作时，有功尖峰 负荷可达额定容量的180%300%,周期约为数秒。与激烈的有功功率变动相适 应，无功功率亦以相同程度发生波动，这种负荷上升的时间约为0.2s。无功功 率波动会引起工厂母线电压的波动，从而使地区电力系统也有一定影响。大型轧机属于三相基本平衡的冲击负荷，就其冲击负荷特点，可分为两类：2第章引言1)轧制周期较短，功率变化速率高。例如初轧机、中、厚板轧机、型钢轧 机等；2)轧制周期较长，功率变化速率较低。例如冷、热连轧机等。这两类轧机的冲击负荷幅值、功率变化速率、轧制周期的一般数值范围见 表Lio表1.1冲击负荷幅值、速率、周期轧钢机类型冲击负荷幅值功率平均变化速率轧制周期AP(MW)AQ(MW)上升(MW/S)下降(MW/S)平均(S)板坯初轧机20 3020 2540 5040 5010热连轧机40 7040 704747150冷连轧机30 4030 403434300现代大型轧钢机主传动直流电动机采用晶闸管变流装置供电，生产时，既 有有功冲击负荷，又有无功冲击负荷，特别是当可逆轧机咬钢，连轧机穿带完 毕多个机架同时升速瞬间，由于晶闸管变流控制角较大，功率因数很低，此时 所需的无功功率很大。随着控制角减小，功率因数上升，无功功率相应下降，至稳速轧制时一般无功功率小于有功功率。通常平均功率因数为0.7Y).8s。一般 由空载负荷到达最大负荷，热连轧机的精轧机组，约需810S；冷连轧机约需 1015 S；可逆轧机约需0.30.5 S。轧机的负荷曲线由具体的设备决定。2 J0.5-0 30 60 90 120 150 1801(0图1.1单台轧机典型无功负荷曲线图大型冶金企业有连轧机组，可将很厚的钢板碾成很薄的钢板。连轧机组由粗 3第1章引言轧机架和精轧机架组成。粗轧机架一般由24台粗轧机组成，精轧机架一般由 57台精轧机组成。单台轧机有三个运行阶段:初期，稳定期和空载期。初期为 低速咬钢和带钢加速，这时无功功率最大，呈三角波形变化，时间短、冲击负 荷功率变化速率快。之后无功功率下降，进入稳定轧制期间，持续时间视钢板 长度和轧机上下辑转速而定，一般为几十秒。单台轧机的典型无功负荷曲线如 下图L 1所示。轧机的电气运行特性有：1）无功冲击大。单台轧机在轧制期间的平均功率因数大约为0.60.8,无.功变化可引起PCC点附近电压产生波动和闪变。单台粗轧机的无功冲击大 过单台精轧机。2）有功冲击大。单台粗轧机的有功冲击大过单台精轧机。3）三相电流平衡。传动设备本身是三相平衡负荷。4）产生特征谐波电流和非特征谐波电流。冲击负荷产生的电压波动和闪变会对钢厂内部和电力电网造成严重的影 响，对钢厂会影响产品的质量，影响设备的使用寿命，使照明的光通量变化，影响设备的正常运行，对电网会引起电网电压急剧波动，使电网电压波形产生 畸变，引起电网电压水平降低等。因此，对钢厂进行无功补偿，提高负荷功率 因数，稳定电网电压，具有重要意义。1.3 无功补偿现状及发展趋势1.3.1 无功补偿设备的分类和特点无功补偿装置的分类如图1.2所示网4第1章引言运动装置同步调相机 固定电容器补偿装置(FC)L传统一无功补偿装置一、电力电抗器补偿装置二机械投切电容器组(MSC)-静止装置SVCSTATCOM一现代一统一潮流控制器 有源电力滤波器图1.2无功补偿装置分类图无功功率补偿装置按照有无运动部件分为运动无功功率补偿装置和静止无 功功率补偿装置，运动无功功率补偿装置主要是同步调相机，它是一种早期的 无功补偿装置。静止补偿装置又可分为传统补偿装置和现代补偿装置。传统静 止补偿装置的最大特征是补偿功率不能随负荷无功功率的变化而变化，因此又 称为静态静止无功补偿装置，而现代静止补偿装置的最大特征是补偿功率能够 随负荷无功功率的变化而变化，因此又称为动态静止无功补偿装置。传统静止 补偿装置主要包括固定电容器补偿装置，即FC(Fixed Compensator),和饱和电 抗器补偿装置。现代静止补偿装置主要包括SVC(Static Var Compensator),即静止无功补偿器，STATCOM(Static Synchronous Compensator),即静止同 步补偿器，统一潮流控制器和有源电力滤波器，它们的输出功率都能动态地跟 踪负荷无功功率的变换。机械投切电容器组，即MSC(Mechanical Switched Capacitor),具有分级投切的功能，是介于传统补偿装置和现代补偿装置之间 的一种补偿器。目前，SVC以其优良的性能和性价比，是钢铁企业最适合的无功 补偿的装置。同步调相机(Synchronous Condenser,SC),是一种早期的无功补偿装置，它运行成本高，安装复杂，补偿容量有级，不能连续调节，而且可能与系统发生 5第1章引言谐振。同步调相机补偿方式在目前的无功补偿项目中基本不再使用。机械开关投切电容器组(MSC)是一种比较简单的无功补偿装置，可分级分 组投切，但还不属于真正意义上的动态补偿。因其价格低廉，适用于负荷波动 不频繁的场所，目前，尤其在国内，依然拥有广泛的市场。一统一潮流控制器(unified power flow controller)是FACTS家族中最复杂 的一种补偿器集串联、并联补偿及移相功能于一体，它功能全面、控制灵活，主要用于维持UPFC母线电压及直流母线电压，增强电力系统的运行稳定性，提 高输电线路的传输功率极限值。UPFC被认为是最有创造性的，功能强大的FACTS 元件【9，电山。有源电力滤波器(active power filter,APF)基本原理是从补偿对象中检 测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿 电流，从而使电网电流只含有基波分量，达到实时补偿谐波电流的目的。用APF 进行无功功率补偿，需要再加一组滤波装置，检测出瞬时无功电流，进行补偿。这样，整个系统的成本就会比较高，这大大影响了有源滤波器的广泛推广口2】。静止无功补偿器(SVC)是目前应用最广泛的动态无功补偿装置。SVC是灵 活交流输电技术(FACTS)的一种。SVC具有性价比高，技术成熟，性价比高的优 良特性，近十多年来，始终占据着静止无功补偿装置的主导地位口叫据不完全 统计，全世界正在运行的SVC装置目前已超过一千套，总容量超过100 Gvar(141o SVC的应用可以分为2个方面：系统补偿和负荷补偿。SVC在钢铁系统的应用属于 负荷补偿。SVC有以下几种形式:饱和电抗器型(SR型SVC)、晶闸管投切电容器型(TSC型SVC)、固定电容-晶闸管控制电抗器型(FC-TCR型SVC)、机械投切电 容器-晶闸管控制电抗器型(MSC-TCR型SVC)以及晶闸管投切电容器-晶闸管 控制电抗器型(TSC-TCR型SVC)。几种SVC装置分别介绍如下。固定电容器+晶闸管控制电抗器(Fixed Capacitor-Thyristor Controlled ReactorFC-TCR),主要由电抗器、固定电容器组和可控硅控制器三部分组成。其基本原理如图L 3所示。6第1章引言图1.3 FC-TCR型SVC 一次系统图由于大容量晶闸管元件的出现，使得用晶闸管控制的高电压、大容量TCR 型SVC装置得以实现。图L3中的VT1和VT2代表两组反并联的晶闸管组，分别在 电源电压波的两个半周内导通。通过改变晶闸管的导通角来改变电抗器的电流 大小，可以达到连续调节滞后无功功率。的目的。导通角。从90变到180,可使 Ql从100%变化到0%。当负载滞后且无功功率&变化时，由于固定电容器组(FC)中 的C值固定，超前无功功率2为定值，使得-Qc跟随导通角Q变化。所以，系统 提供的无功功率Qs=Qf+QQc总可以近似为常数。饱和电抗器即SR型电抗器，分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器,主要用 于限制电压波动。相关文献这样提到，自饱和电抗器是在电力系统中最早得到发 展和成功应用的一种并联补偿器,它不需要调节器,而是依靠电抗器固有的能力 来稳定电压。可控饱和电抗器通过控制绕组电流的大小来改变电抗器铁心工作 点的磁通密度,进而改变绕组的电感值以及补偿的无功功率从而稳定电压。SR 具有快速、可靠、过载能力强、产生谐波小等优点。图L 4为自饱和电抗器装置 图。但是饱和电抗器的铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且 存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以 未能占据无功补偿装置的主流。7第1章引言图L4SR型SVC一次系统图TSC型SVC由电容器和双向导通晶闸管组成,其装置图如图L 5所示。这里的 晶闸管仅起开关的作用,TSC只能提供容性电流,将多组TSC并联使用，根据容量 需要逐个投入可以获得近似连续的容抗。TSC虽然不会产生谐波且损耗较小,但 它对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制小。TCR支路 TSC支路图L5 TSC-TCR型SVC 一次系统图STATCOM,即静止无功发生器或高级静止无功补偿器(ASVC),它基于瞬时无 功功率的理论进行调控，采用GTO构成换相交流器口叫以实现动态无功补偿。其 8第1章引言 原理结构图如图L 6所示。STATCOM分电压型和电流型桥式电路两种。由于电压 型控制方便,损耗小,因此在实际应用中被广泛采用。它通过调节桥式电路交流 侧输出电压的相位，幅值或者直接调节其交流侧电流进行无功功率的交换。与 SVC相比,其调节速度更快,调节范围更宽,欠压条件下的无功调节能力更强,因 此具有良好的补偿特性2纥STATCOM是最有希望在将来取代SVC的地位广泛应用 于无功补偿领域的无功补偿装置。各种无功补偿装置性能的对比如表L 2所示，其中，调相机补偿是早期的无 功补偿装置，成本高，安装复杂，目前正逐步被淘汰。MSC出现也比较早，在技 术上虽不算先进，但结合目前先进的控制技术，MSC以其优良的性价比，在无功 负荷波动不太频繁的场合，依然具有广泛的市场。目前，在国外SVC技术已经相 当成熟并取得广泛的工程应用。STATCOM装置作为一种比SVC在动态补偿上表现 更良好的先进补偿装置已经开始实现产业化并应用于工程领域，只是因为价格 比较高，还不能完全取代SVC在动态补偿领域的作用。9第1章引言表1.2各种无功补偿装置性能对比性能调相 机MSCSVCSTATCOMSR型TSC 型FC-TCR型MSC-TCR 型TSC-TCR 型调节范超前/超前超前/超前超前/超前/滞超前/滞超前/滞围滞后滞后滞后后后后控制方 式连续不连 续连续不连 续连续连续连续连续调节灵 活性好差差好好好好很好响应速 度慢较快快快快快快最快调节精 度好差好差好好好最好产生高 次谐波少无少无多多多少控制难 易程度简单简单简单稍复 杂稍复杂稍复杂稍复杂复杂技术成 熟程度好好好好好好好一般噪声大小大小小小小小分相调 节有限可以不可 以有限可以可以可以可以单位投 资高低中等中等中等中等中等高FC-TCR型SVC补偿装置具有动态补偿性能好，响应速度快的特性，刚好适合 为钢铁企业的冲击负荷做补偿。TSC响应时间小，不产生谐波电流，但为有级调 节功率。STATCOM的诸多优点，使它具有良好的应用前景，但离正式的工程应用 还有待进一步研发。钢铁企业动态无功补偿装置首选FC-TCR型SVCo1.3.2 国外无功补偿装置的生产及应用情况无功补偿装置可以应用在输配电网，长距离传输电网，风力发电厂，大型 工厂特别是钢铁企业，电气化铁路等。目前动态无功补偿中SVC占绝大部分份额,而高电压等级，大容量的SVC项目几乎全部被ABB,Siemens等跨国公司垄断，全 10第1章引言球SVC市场的市场占有情况如图1.7所示。ABB公司目前占据全球FACTS市场50%多的份额，从上世纪五十年代以来，总 共生产FACTS六百多套，其中，SVC设备415套，59800Mvar,占据全球SVC市场56%的份额。ABB公司于1950年生产出世界上第一套串联补偿装置，并于上世纪九 十年代末期推出品闸管控制串联电容器TCSC(Thyristor-controlled Series Capacitor),目前总共安装串联补偿装置250余套。ABB公司于上世纪七十年代开 始研制SVC,并于1972年在世界范围内第一次将SVC应用于钢铁厂，1979年将SVC 应用于铁路系统。目前，SVC在动态并联补偿中占据统治性地位。1998年，ABB 推出新一代动态无功补偿技术，SVC Light,即通常所说的statcomR”。西门子(Siemens)公司基于晶闸管控制技术的无功补偿技术的研究也起始 于上世纪七十年代，他们的第一套SVC产品(TCR型)于1980年被订购。1984年，西门子提供了他们的第一套TSC型SVC。目前，西门子生产的SVC产品达到100套，总容量7702MVA,涉及19个国家。西门子还在美国的Nucor安装了世界最大的SVC 系统，容量达MOMvaP221。GE在串联补偿领域拥有先进的技术和生产能力，口前，GE提供的串联补偿 装置的总容量超过了29Gvar。GE是最早.提供TCSC装置的企业。另外，GE还生产 性价比良好的MSC装置12%1.3.3 国内无功补偿装置的生产及应用情况在国内，目前机械投切电容器的方式还是比较普遍的。尤其加入控制系统后，在负荷波动幅度和频率变化不大，在对响应速度要求不高的配电网络中，MSC以 II第1章引言其优良的性价比，依然具有广泛的市场。目前国内比较先进，且占据一定市场分额的动态无功补偿装置是SVC。中国 目前有5个500 kV变电站安装了SVC，容量范围大约在105180Mvar之间，每套 设备的费用大约在150275万美元(当时价)。目前中国已能生产配电网用的SVC,价格一般约为300元/kvar3L目前国内用于500kV输电系统的大容量SVC电压 等级主要是35kV,且已实现了国产化。35kV以上高电压等级SVC在国内尚未出现。国内SVC的主要生产企业是荣信电力电子股份有限公司、西电公司、西电科技以 及电科院电力电子公司。其中西电公司、西电科技和电科院引进的是ABB,Siemens的技术，荣信引进的是乌克兰的技术。他们都是中国最早一批引进SVC 设备和技术的国内企业。其中电科院的鞍山红一变SVC国产化工程(35kV,lOOMvar)是国内第一套应用与输电网络的国产化SVC产品。目前国内电气化铁 路SVC的使用还比较少，且只是在支线上应用。各公司生产的SVC技术性能的对 比如表L 3所示。表1.3各公司SVC装置主要技术参数制造企业补偿容量(Mvar)控制精度响应时间电压等级荣信2-200W 10ms6 35kV西电科技10 1801035kV电科院0-180茎1%2 10ms6 35kV西门子大容量高电压等级ABB大容量高快高电压等级芬兰诺基亚比较高快高电压等级顺特电气5 160W1%至 20ms6 35kV1994年作为原电力部重大科技攻关项目，由河南省电力局和清华大学共同 研制的20Mvar的STATCOM于1995年并网运行,使中国成为世界上第4个拥有大 容量STATCOM的国家3】。2002年11月，国家电网公司科环部主持通过了“上海 电网黄渡分区50 Mvar的STATCOM示范工程”。但目前STATCOM在国内还没有 实现产业化。12第章引言.134目前我国无功补偿的发展趋势目前，在欧美、日本等一些发达国家SVC补偿装置已经取得广泛应用，STATCOM补偿装置的产业化也有将近十年的时间。在国内，机械投切电容器（MSC）装置以其低廉的价格，依然占据很大的市场份额。目前国内企业提供的SVC装置 最高电压等级为35kV。随着用户对电能质量要求的日益提高，市场对SVC的需求 迅猛增长，国内企业必须迅速提高SVC产品的质量和产量，以满足国内需求，并 发展高电压等级的SVC装置，以打破国外企业的垄断。目前国内的STATCOM技术 尚处试运行阶段，还要在技术上和产业化上继续努力。SVC是目前在国际上已发展较为成熟的技术，国内还有一定差距。目前，为 钢铁企业进行无功补偿，首选SVC,在技术上是可行的，在国内无功补偿的发展 上是合理的。所以，这里选择SVC作为钢铁企业补偿项目的研发对象。1.4 钢铁企业加装SVC装置效益分析1）首钢中板厂SVC补偿装置效益分析。2002年10月，首钢中板厂进行工艺升级改造,新上1台四辐强力轧机，由2台 7000kW同步电动机传动,采用交-交变频控制。由于交-交变频产生大量谐波,故 在电网35kV II段上加装静止无功补偿（SVC）系统,以减少四辑轧机的无功冲击和 谐波对电网的影响侬】。中板厂SVC采用鞍山荣信电力电子公司的TCR（晶闸管控制电抗器）型静止 动态无功补偿装置,TCR与并联电容器FC配合使用。投入前后的系统的性能参数 如表1.4所示。表1.4 SVC投入前后系统主要参数变化名称SVC不投入SVC投入不轧钢时35kvn段进线电流/A70803040不轧钢时35kvn段功率因数0.60.70.97-0.99轧钢时35kV II段进线电压波动/kV27363436轧钢时35kVlI段进线电流波动/A180600120350轧钢时35kVU段进线最大无功冲击/kvar3300017500吨钢电耗（平均）/kWh1008013第1章引言从表1.4中数据可以看出,投入SVC对电网电压波动明显改善,对电网的无功 冲击大幅降低,功率因数明显提高。中板厂SVC系统投资约400万元,虽一次投资 比较高，但仅从吨钢节电一项所创效益就可在一年时间内收回设备投资。具体计 算如下:以目前电费平均价格0.4元/(kW h),中板厂年生产60万吨板材计算，节约电费年效益为：0.4X(100-80)X60=480万元。另外，加装SVC提高了中板厂的功率因数，取消了因功率因数低而带来的罚 款。可见，SVC投入的效益是相当明显的。2)唐钢钢北220kV站SVC装置唐山钢铁公司钢北220kV变电站由系统220kV滨河一和滨河二双电源供电 27O正常运行方式为220kvi段、n段、in段母线分裂运行，35kvi段、n段 母线也分裂运行。1号主变供35kV I段两台150吨电弧炉和TCR型SVC静止 无功补偿装置，2号主变供35kV II段轧机和轧机滤波器装置。电弧炉SVC容量 为20Mvar,轧机滤波容量为8.6Mvar。系统接线参见图1.8所示。轧机o图1.8唐钢钢北220kV变电站主接线图唐钢钢北220kV变电站目前由于负荷较小，实际运行方式为只投运一台 120MVA变压器，35kV母线并列运行，由于钢北其他负荷接入SVC补偿母线,14第1章引言补偿后平均功率因数由原设计值0.95降低到0.88。正常生产时月平均电量为 5405万kWh,基本容量费为每月15元/kVA,平均有功电度单价为0.3725元/kWh。根据与唐山供电公司的供电协议，功率因数要求达到0.8,低于标准调高电费3.5%,高于标准不奖励。在电弧炉炼钢过程中，SVC不投时的平均功率因数大约0.78,投入SVC后功率因数提高到约0.88,无过补现象。故投入SVC后无功功率调整 费率（即无功罚款率）每年约节省921.21万元。根据运行报表核算，35kV和220kV至供电公司电度计量点的线路网损及主 变负荷损耗合计约占生产消耗有功的L5%。按平均功率因数核算有效降低损耗 为77.69万元。当唐钢负荷增长后，35kV分裂运行，功率因数达到设计值，节 能的效益将进一步增加。SVC滤波支路与TCR支路平均损耗约占装置总容量的0.8%（指满负荷运 行情况），则SVC装置每年运行损耗费用为52.21万元。此三项合计即可每年节 省946.69万元。此外，SVC投运后，35kV母线电压波动得到抑制，提高了生产 效率，平均降低炼钢时间约5min,按150万吨/年的生产能力计算可提高年产量 约5万吨，按每万吨创造产值2000万元计算，每年可多创造产值1亿元。每吨钢 耗电量同时得到了降低。根据统计报表，投运前吨钢平均用电量为53.6898kWh,SVC投运后降低为50.7906kWh,则每吨钢节省的费用为1.0800元。按年产量 150万t计，每年节省的费用为162.00万元。3）莱芜特钢厂莱芜特钢厂三总降变电站为UOkV进线，带2台63MVA主变。1号主变将 llOkV降压至31.5kV,带一台50t交流电弧炉和SVC静补装置。2号主变降压 至6kV,带风机、水泵等动力负荷。SVC基波容量为50Mvar,SVC投入前，电炉运行时的平均功率因数约为0.85,每月功率因数罚款30万元,每年罚款360 万元。SVC投入后平均功率因数升高到0.98,功率因数罚款取消口嵋其功率因 数曲线在SVC投入前后的对比如图1.9所示。主变负荷损耗和线路网损约占总有功的2.2%,按正常生产时月平均电量 3060万kWh计算，节省的网损为74.54万元。SVC平均损耗约占装置最大容量 的0.5%,正常运行TCR平均输出无功约为额定容量的30%,则SVC装置每年 运行损耗费用为24.47万元。此三项合计即可每年节省352.96万元。原50吨交流电弧炉由于冲击大，对电网污染比较严重。供电部门限制其冶 炼功率，被迫采用12档低档位运行。SVC投运后，恢复高功率冶炼，炉变升档 15第1章引言至15档18档运行。冶炼时间缩短约2030min,吨钢耗电量由450kWh减为 420kWh。炼钢年产量由原20万吨提升至约24万吨，多创造产值约8000万元。节省电费约268.2万元。SVC不投0 opooe 0 000000 功率内数10MgJ 288a svc投入图1.9莱钢三总降变电站llOkV功率因数曲线1.5 本文的主要工作本文通过对钢铁企业负荷和各种补偿设备的研究，提出了采用FC-TCR型静 止无功功率补偿器（SVC）对轧钢机负荷进行补偿的方案。通过SVC系统的整体 框架设计，SVC系统的数学建模，SVC各支路的参数计算和设备选型，给出了一 套完整的补偿方案，并重点介绍了该系统如何实现动态补偿。最后，分别在自 行搭建的仿真模型和模拟试验平台上进行了功能验证，达到了预期的目标。本 文主要从以下几个方面进行研究，其逻辑结构如图L 10所示。1）从钢铁企业对电网和自身的影响出发，论证钢铁企业加装无功补偿装16第章引言置的必要性，并对钢铁企业加装无功补偿装置做效益分析。2）通过对各种补偿装置的研究和对钢铁负荷的分析，提出钢铁企业宜采 用的用补偿形式。3）针对轧钢机负荷进行静止无功功率补偿器（SVC）的结构设计.对含有 SVC装置的电力系统进行数学建模并对其进行潮流计算，建立SVC的数 学模型并对其各支路参数进行计算。4）确定电容器组的连接方式和保护形式，对一次设备进行选型，确定SVC 装置的具体设计方案。5）在基于Simulink的SVC仿真系统中对SVC装置进行仿真验证。通过仿真 结果，验证SVC装置是否达到了预期的补偿效果。6）对基于瞬时无功功率理论的补偿算法进行研究，详细说明SVC装置如何 实现动态补偿。7）在搭建的低压系统中进行SVC装置的模型试验，论证了系统设计的合理 性和补偿算法的正确性。图1.10论文框架图1.6 本章小结本章介绍了无功补偿课题的研究背景和意义，对无功补偿的现状和发展趋 势进行了调查研究，分析了各种无功补偿设备的技术性能，并根据钢铁企业负 荷的特点，深入分析了钢铁企业加装静止无功功率补偿器（SVC）的意义和经济 效益。最后，给出了本文的主要研究内容和总体框架。17第2章轧钢机静止无功补偿装置结构设计第2章轧钢机静止无功补偿装置结构设计2.1 轧钢机SVC无功补偿装置设计钢铁企业的主要负荷是电弧炉和轧钢机。轧钢机相对电弧炉来说，负荷容 量一般要小一些，负荷波动也要慢一些。而轧钢厂比炼钢厂也要更多一些。结 合市场的需求情况和自身的研发能力，选择了轧钢机系统做为初步开发SVC装 置的切入点。2.1.1 钢铁企业SVC设计原则1)钢铁企业无功补偿的目的钢铁企业供配电系统是否装设静止补偿器，主要看由企业波动无功负荷引 起的公共供电点(PCC点)处的电压波动值和闪变电压的等效值是否超过国家 规定的标准。当然在设计SVC的容量和形式时，尚要满足负荷的功率因数和谐 波标准的要求。对于轧钢厂的轧机类负荷由于其无功功率变化速度比电弧炉慢,且为三相平衡负荷，电压闪变不是主要问题，SVC的作用主要是抑制电压