電弧爐供電電壓波動的抑制方案

王 勇 袁 愿

(1.云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000;2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361001)

1 電弧爐對電網(wǎng)的影響

電弧爐是電力系統(tǒng)中一個典型的沖擊性負荷，它的運行對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生著嚴重的干擾。有必要采用各種手段減輕電弧爐對電網(wǎng)的影響。

電弧爐的工作過程可以分為熔化期、氧化期和還原期三個過程，前兩個過程對電網(wǎng)的影響最大。電弧爐對電網(wǎng)的影響主要有:

1)電弧弧長的不規(guī)則變化導(dǎo)致無功與有功功率的急劇波動，使電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的電壓波動和閃變。

2)電弧電阻的非線性和瞬變性使電網(wǎng)電壓和電流產(chǎn)生高次諧波。

3)熔化期電極頻繁短路和開路，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生嚴重的負序分量，使供電系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重的三相不平衡。

主要的解決途徑有以下幾點:

工藝流程，優(yōu)化電弧爐設(shè)計參數(shù);供電設(shè)備;無功補償裝置。效果最明顯的解決方案。目前電弧爐的無功補償設(shè)備主要是SVC和DSTATCOM。SVC出現(xiàn)較早，應(yīng)用成熟，而DSTATCOM技術(shù)先進，比SVC補償功能更優(yōu)，效果更好，具有廣闊的發(fā)展前景。

2 電弧爐的運行特性分析

電弧爐供電系統(tǒng)單線圖見圖1，由于電弧伏安曲線的非線性，會引起諧波電流，給計算分析工作帶來一定的困難。為使計算分析方便，以下均忽略了諧波對計算方法的影響。

XS為電弧爐連接點至系統(tǒng)的等值阻抗;XF包括:爐變前置電抗器、爐變、短網(wǎng)的電抗;RF為電弧爐的等值電阻，它作隨機變動;ES為電源電勢;U為電弧爐端點的電壓。

圖1 電弧爐供電系統(tǒng)單線圖

式中IR、IX分別為負載電流的有功和無功分量。

圖2 電弧爐的電流圓圖

當電爐運行至B點時，電極通過鋼水發(fā)生短路，如果忽略電阻的影響，此時電爐有最大的無功電流，并有最大的無功功率。

由此可知，若電弧爐正常運行于某點，則該點處的無功電流沖擊量為電極短路時的最大無功電流減去該點處的無功電流分量，該點處的無功功率沖擊量為電極短路時的最大無功功率減去該點處的無功功率。

3 抑制電壓波動方法

DSTATCOM為配電網(wǎng)靜止同步補償器，其本質(zhì)上是一種基于全控型大功率換流器技術(shù)的電壓源逆變器 (VSC，Voltage Source Converter)。在實際工程中，可以采取多種措施消除其輸出電壓中的諧波分量，此時可將它簡單視為一個幅值、相位和頻率均可任意調(diào)節(jié)的三相正弦交流電源。DSTATCOM通過聯(lián)絡(luò)電抗器或升壓變壓器與配電網(wǎng)連接，為便于分析，假設(shè)DSTATCOM通過純電感與配網(wǎng)系統(tǒng)連接，見圖3。其典型工況可描述如下:

圖3 DSTATCOM與配電網(wǎng)連接示意圖

當Us＞U時，電流由DSTATCOM經(jīng)電抗器或變壓器漏抗流向配電網(wǎng)，DSTATCOM向配電網(wǎng)注入感性無功功率，相當于同步調(diào)相機處于過勵磁運行狀態(tài)。

當Us＜U時，電流由配電網(wǎng)經(jīng)電抗器或變壓器漏抗流向DSTATCOM，DSTATCOM從配電網(wǎng)吸收感性無功功率，相當于同步調(diào)相機處于欠勵磁運行狀態(tài)。

當Us=U時，DSTATCOM與配電網(wǎng)之間不存在無功功率交換，相當于同步調(diào)相機處于停運狀態(tài)。

電網(wǎng)中電壓波動 (Δu)的原因主要是系統(tǒng)中無功功率的變化。可將電網(wǎng)中電壓波動表示為:

式中:SDR為供電系統(tǒng)的短路容量。ΔQ為電網(wǎng)提供的總的無功功率的變化量。

電弧爐在供電系統(tǒng)中時，ΔQ是電弧爐負荷引起的電網(wǎng)中無功功率波動值。由于DSTATCOM能夠平滑、連續(xù)、雙向地調(diào)節(jié)無功輸出，并且響應(yīng)速度不超過10ms，相對于SVC優(yōu)勢明顯。圖4是電弧爐供電系統(tǒng)DSTATCOM裝置原理圖。

圖4的工作原理是:將電弧爐隨時變化的無功功率信號 (即電弧爐向電網(wǎng)注入的無功電流)檢出，用來控制DSTATCOM輸出的無功功率，使DSTATCOM輸出的無功功率QSTATCOM全部用來補償電弧爐消耗的無功功率QF，即:

圖4 電弧爐供電系統(tǒng)DSTATCOM裝置原理圖

設(shè)供電電網(wǎng)向電弧爐電氣系統(tǒng)提供的總的無功功率為QΣ，則由系統(tǒng)的無功功率平衡可知:

由此可知，總的無功功率將維持不變，并且趨近于零，即:

因此電網(wǎng)的無功波動值ΔQ趨近于零，則電網(wǎng)的電壓波動也趨近于0，即可維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，抑制電壓波動。

4 結(jié)論

利用DSTATCOM對電弧爐進行動態(tài)無功補償，可以使電弧爐回路構(gòu)成柔性供電系統(tǒng)，既抑制電網(wǎng)電壓波動，使接于同一電網(wǎng)的其他用電設(shè)備獲得良好的供電質(zhì)量，又能對煉鋼過程起到穩(wěn)壓作用，提高電弧爐變壓器的利用率，使熔化功率提高。同時，DSTATCOM相對于SVC在無功特性、響應(yīng)速度、體積等方面具有諸多優(yōu)勢，并且隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓大容量可關(guān)斷功率器件的價格呈下降趨勢。DSTACOM的應(yīng)用會更加普遍。

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［2］翁利民.超高功率電弧爐對電網(wǎng)不利影響的抑制方法研究 ［J］.江蘇電器，2004(3):4－10.

［3］姜齊榮，王強.新型靜止無功發(fā)生器(ASVG)裝置的建模及控制 ［J］.清華大學(xué)學(xué)報，1997，35(3):21－25.