電力電子設(shè)備TCR型SVC裝置在鋼廠新型LF爐中的應(yīng)用

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 劉 彰 秦立剛 北京科銳博潤電力電子有限公司 王榮斌

當(dāng)前中國每年產(chǎn)生的鋼鐵廢料約2億噸，為減少能耗和污染排放，國內(nèi)冶金企業(yè)正在大力開展優(yōu)化煉鋼工序、提高廢鋼比的研究改造工作。利用LF 爐的電弧熱源和鋼液余溫融化廢鋼，實(shí)現(xiàn)LF 爐加廢鋼冶煉精煉，相對(duì)傳統(tǒng)LF 爐是一種新的工藝和技術(shù)，可以降低煉鋼工序生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。目前我國針對(duì)傳統(tǒng)LF 爐的電能質(zhì)量評(píng)估和治理經(jīng)驗(yàn)比較成熟及完善，但針對(duì)加廢鋼冶煉的新型LF 爐的電能質(zhì)量評(píng)估及治理方案的經(jīng)驗(yàn)非常少。本文針對(duì)湖南某鋼鐵企業(yè)棒材廠新增的2臺(tái)新型LF 爐進(jìn)行了電能質(zhì)量評(píng)估、配套治理解決方案（TCR 型SVC）的設(shè)計(jì)、以及運(yùn)行后治理效果仿真分析等，進(jìn)行研究說明。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

項(xiàng)目概況：湖南某鋼鐵企業(yè)棒材廠為提高鋼水產(chǎn)能并降低噸鋼成本，對(duì)現(xiàn)有兩臺(tái)LF 爐進(jìn)行升級(jí)改造，由兩臺(tái)18MVA 傳統(tǒng)LF 爐升級(jí)為兩臺(tái)25MVA 新型LF 爐。由于新型LF 爐產(chǎn)生更惡劣的諧波、電壓波動(dòng)及閃變、負(fù)序等問題，需重新研究設(shè)計(jì)治理解決方案；220kV 主變參數(shù)：額定容量150/150/75MVA， 額 定 電 壓220/36.75/10.5kV，短路阻抗高－中13.6%、高－低38.4%、中－低22.9%， 聯(lián) 結(jié) 組 別Ynyn0d11；LF 爐 變 壓 器 參數(shù)：額定容量25MVA，一次電壓35kV，二次電壓240～390V，分接開關(guān)級(jí)數(shù)13級(jí)，短網(wǎng)阻抗≤0.65+j2.45mΩ。

新型LF 爐是利用自身電弧熱源和鋼液余溫融化廢鋼進(jìn)行冶煉，相比傳統(tǒng)LF 爐的工藝特點(diǎn)如下：爐變?nèi)萘慷际?5MVA；加廢料多（可加入廢鋼量10%～20%）、傳統(tǒng)LF 爐加廢料少（每次只加1%的有色金屬）；加料后溫降大；電爐溫升速度快；倒渣、埋弧次數(shù)多。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，新型LF 爐與傳統(tǒng)LF爐產(chǎn)生的電能質(zhì)量對(duì)比分析如表1～2，此外其電壓波動(dòng)（%）分別為4.85、3.71，電壓閃變分別為1.68、0.86，三相電壓不平衡度分別為1.11、0.57，功率因數(shù)分別為0.78、0.82。

表1 諧波電流

表2 諧波電壓

圖1 TCR 型SVC 原理示意圖

治理方案設(shè)計(jì)的配置原則。當(dāng)新型LF 爐正常生產(chǎn)時(shí)，引起35kV 母線電壓波動(dòng)為7.31%、閃變?yōu)?.81，三相電壓不平衡達(dá)到1.66%，遠(yuǎn)超過了國標(biāo)限值，所以必須采取動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行針對(duì)性的治理，且由于新型LF 爐較傳統(tǒng)LF 爐產(chǎn)生的電能質(zhì)量更惡劣，因此需設(shè)計(jì)有針對(duì)性的調(diào)節(jié)控制策略，使其治理效果滿足新型LF 爐電能質(zhì)量治理的要求。本文中針對(duì)新型LF 爐的電能質(zhì)量治理采用TCR 型SVC 的設(shè)計(jì)方案，采用了傳統(tǒng)LC濾波補(bǔ)償技術(shù)與TCR 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)，既解決了高次諧波問題和無功功率問題，又解決了無功功率快速大幅波動(dòng)導(dǎo)致的電壓波動(dòng)、閃變和三相不平衡問題。

2 SVC 方案設(shè)計(jì)

2.1 SVC 裝置容量設(shè)計(jì)

按提高功率因數(shù)進(jìn)行容量計(jì)算。無功補(bǔ)償計(jì)算如式（1），據(jù)此計(jì)算，過載率取1.2，功率因數(shù)提高至0.95所需無功補(bǔ)償容量為22.16MVar。

按改善電壓波動(dòng)進(jìn)行容量計(jì)算。兩臺(tái)新型精煉爐產(chǎn)生的最大無功功率為52.8MVar,引起35kV母線最大電壓波動(dòng)為7.32%，電壓波動(dòng)限值為3%，則所需的SVC 補(bǔ)償容量為Q=（7.32%-3%）×721=31.15MVar?？紤]一定的補(bǔ)償裕度，最終SVC 的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量為0～35MVar，能夠滿足治理目標(biāo)的需求。

2.2 TCR 支路參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)額定電壓、頻率、TCR 額定容量、觸發(fā)角等計(jì)算出相控電抗器參數(shù),TCR 支路的主要技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓35kV，額定容量35MVar，晶閘管5STP 03D6500、22串/相，觸發(fā)角度105～165°，觸發(fā)方式為光電觸發(fā)，冷卻方式為水-風(fēng)冷卻，額定電感2×112.664mH，安裝方式為每相兩臺(tái)、上下安裝。

2.3 濾波器支路設(shè)計(jì)

基于SVC 補(bǔ)償容量為35MVar 及濾波仿真分析，濾波器最終采用2次、3次、4次、5次四條支路,支路設(shè)計(jì)如下：2次濾波器采用“C”型濾波器，達(dá)到拓寬頻帶，增加阻尼和減少電阻基波功率損耗的效果；3次濾波器采用單調(diào)諧濾波器，達(dá)到最佳的濾波效果；4次濾波器采用單調(diào)諧濾波器，達(dá)到最佳的濾波效果；5次濾波器采用單調(diào)諧濾波器，達(dá)到最佳的濾波效果。

表3 SVC 裝置各濾波器支路的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 SVC 控制系統(tǒng)及控制策略

2.4.1 控制系統(tǒng)模型

本文針對(duì)新型LF 爐的工藝特點(diǎn)以及產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題，采用基于瞬時(shí)無功功率理論的算法來檢測(cè)無功功率，根據(jù)對(duì)稱分量法，將不平衡三相電流瞬時(shí)值分解為正序分量組、負(fù)序分量組和零序分量，計(jì)算系統(tǒng)的瞬時(shí)無功功率值，滿足本項(xiàng)目無功快速連續(xù)動(dòng)作的要求[4]。SVC 控制系統(tǒng)主要包括無功測(cè)量、電壓有效值測(cè)量、TCR 觸發(fā)角求取、觸發(fā)脈沖生成和功能性控制器等。本文主要給出基本的控制環(huán)節(jié)的仿真模型。

無功測(cè)量：瞬時(shí)無功測(cè)量值如式（2），三相總無功功率Qmeas由式（2）計(jì)算得到圖2。TCR 控制本質(zhì)為相分別控制，則需總等效導(dǎo)納平分于各相，如下式計(jì)算：B=Qmeas/3U2。

圖2 控制模型圖

圖3 電壓有效值測(cè)量

TCR 觸發(fā)角求取。TCR 裝置相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電納。其等效電納與觸發(fā)角α 的關(guān)系為式（3），參考導(dǎo)納B 選擇對(duì)應(yīng)控制器輸出的等效導(dǎo)納，如無功控制的等效導(dǎo)納Bq 和電壓調(diào)節(jié)控制的等效導(dǎo)納Bv，由參考導(dǎo)納B 經(jīng)過計(jì)算和查表得出晶閘管的觸發(fā)角α。

觸發(fā)脈沖生成。對(duì)35kV 側(cè)的線電壓進(jìn)行PLL鎖相，得到6個(gè)依次相差60度的鋸齒脈沖波，與輸出的觸發(fā)角進(jìn)行比較得到TCR 的6個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖。

2.4.2 控制策略及仿真分析

根據(jù)控制指令進(jìn)行無功輸出的控制目標(biāo)對(duì)TCR控制，相當(dāng)于開環(huán)動(dòng)態(tài)無功控制。整個(gè)控制流程如圖4所示，其中的Qmeas即為無功輸出指令Qref，無功參考值偏置設(shè)置為0。由于兩TCR 輸出均衡，則各輸出一半功率，即圖4中計(jì)算得到總需功率乘以兩TCR 均分系數(shù)。對(duì)TCR 的動(dòng)態(tài)無功輸出仿真，達(dá)到檢驗(yàn)TCR 的控制效果。仿真中，0.5s 時(shí)投入一個(gè)5次諧波支路，其中一相TCR 的角內(nèi)電流波形、角外電流波形如圖5所示。

3 治理后效果及仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和SVC 支路參數(shù)，建立諧波潮流計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，利用從加拿大進(jìn)口仿真軟件CYME PSAF 進(jìn)行仿真，治理后的效果及仿真分析如下。

圖4 開環(huán)動(dòng)態(tài)無功控制器

圖5 TCR 角內(nèi)電流

TCR 角外電流

表4 諧波電流

表5 諧波電壓

表6 電壓波動(dòng)及閃變、三相電壓不平衡度、功率因數(shù)

表7 過電流和過電壓校驗(yàn)結(jié)果

濾波器安全校核。為保證其長期、安全運(yùn)行，對(duì)設(shè)計(jì)的各濾波電容器必須進(jìn)行安全校驗(yàn)（表7）。諧波阻抗頻率曲線可知，SVC 投入后各次濾波器運(yùn)行安全可靠。

綜上所述，針對(duì)新型LF 爐配套設(shè)計(jì)的TCR 型SVC 裝置，其治理方案設(shè)計(jì)合理，治理效果達(dá)到設(shè)計(jì)初衷，治理后各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求，提高了新型LF 爐供電系統(tǒng)的可靠性。