分布式電源對100t煉鋼電弧爐供電運行影響的仿真研究

張洪金，李令冬，董 凱，田博涵

(1 北京科技大學 冶金與生態工程學院，北京 100083； 2 安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601)

國內某電弧爐鋼廠設備升級改造，將電弧爐變壓器由60 MVA擴容到72 MVA之后，發現當電弧爐實際運行功率明顯低于標準功率水平，且車間內相鄰的LF爐等設備的正常工作受到較大影響。經測量確認，在電弧爐運行時，33 kV母線電壓僅為31.87 kV，電壓偏差為3.42%，大于標準所規定的2%，顯示出該車間的總進線供電能力明顯不足。

針對上述問題，常規的解決手段為上級電網增容，但該企業所在城市電網容量有限，需從外地遠距離增設高壓母線，建設新變電所等設施，設備投資大、建設周期長，難以快速解決該問題。分布式電源的接入會對配電網的饋線電壓起一定的支撐作用[1]，文獻[2]研究發現分布式電源并網后可以一定程度上抬升配電網電壓。國內有企業已成功運用廠內增設分布式電源的方法來緩解大電網的供電壓力的先例，如寶鋼和寧鋼都曾利用大面積的廠房屋頂鋪設光伏板，有效提高了清潔能源的使用比例[3-4]。該企業蒸汽、煤氣等二次能源充足，具備建設常規自發電設施的條件，同時太陽能發電、風力發電、微型燃氣輪機、燃料電池等清潔能源發電技術日趨成熟，也具備在相關企業內應用的條件，都可作為分布式電源的候選。

廠方準備在電弧爐電路中接入分布式電源來解決供電容量不足問題，需對分布式電源的接入對電弧爐供電運行的影響進行研究，從而確定分布式電源的接入方案。

目前大部分的研究都集中在對分布式發電系統接入之后對于電網整體穩定性的影響、以及控制策略或者電能質量治理上[5-7]，對在電弧爐這一類非線性、沖擊性負荷的電網中接入非線性電源后的影響研究相對較少。

本文將通過仿真方法對不同容量分布式電源接入電弧爐電網后對電弧爐運行參數的影響進行分析，確定分布式電源的接入方案。

1 電弧爐供電系統概況

1.1 供電電路及主要設備參數

該企業現有的電弧爐供電線路單線圖如圖1所示，在接入分布式電源之前，是一個典型的集中式網絡供電結構。該電弧爐采用專線供電，由220 kV高壓供電母線從大電網取電，經過中壓配電變壓器降壓為35 kV級，在35 kV中壓母線上聯有100 t電弧爐、100 t LF爐，動態無功補償裝置。電弧爐饋線從中壓母線上引出，經過可調串聯電抗器，再由電弧爐變壓器二次降壓，將電力輸送至電弧爐進行冶煉。

圖1 100 t電弧爐供配電系統單線圖

該電弧爐供電線路上的各個組成部分的設備參數見表1。

高壓供電電源Us：供電電壓220 kV，最小短路容量為8078 MVA，最大短路容量為15 898 MVA。

高壓供電線路l1：長度為30 m，型號為LGJX-300/25，為稀土鋼芯鋁絞線。

配電變壓器T1：變比220 kV/35 kV，容量為100 MVA，短路電壓為12.8%，負載損耗為270.4 kW。

EAF配電線路l2：長度為500 m，型號為YJV-26/35kV-1*240 mm2，為交聯聚乙烯絕緣電力單芯銅芯電纜。

串聯電抗器Lm：含有5個擋位，其參數如表1所示。

表1 串聯電抗器各擋位參數

改造后的EAF變壓器T21：容量為72 MVA，共有12個電壓等級，從33 kV變壓至602～876 V，其各個擋位參數見表2。

表2 EAF變壓器各擋位參數表

電弧爐短網：經過測量估計其電阻為0.25 mΩ，電抗為2.53 mΩ

無功補償裝置：該電弧爐配套有靜止型無功補償裝置(SVC)一套，SVC由TCR和濾波器(FC)組成。TCR容量和FC補償容量73 Mvar，濾波通道由二次(H2)、三次(H3)、四次(H4)、五次(H5)濾波器組成。

電弧爐的工作點設置：工作點由該電爐電氣特性曲線制定，是電弧爐供電制度的重要組成部分[8]，指導電極調節器對電弧爐的功率輸出進行穩定調節。該電弧爐電極調節系統采用阻抗調節的方式，其原始工作點設定如表3所示。

1.2 擬接入分布式電源位置

分布式電源在使用中可以接于220 V、380 V、10 kV、35 kV等電壓等級上，具體應用時根據電源的容量以及接入條件等來進行選擇。對于電弧爐這一類用電功率達數十兆瓦級別的大功率用戶，分布式電源的投入容量也應當達到兆瓦級別才能起到減輕電網負擔的作用。根據國家規定，6 MVA以上容量的分布式電源必須于35 kV電壓等級接入電網[9]。

表3 100 t電弧爐原始工作點設置

因此，該電弧爐鋼廠使用的分布式電源擬接入位置為35 kV中壓母線，投入容量為MVA級別，其投入容量需根據需要進行核算。

2 系統建模

2.1 電網簡化及基本電路方程組

根據戴維寧定理，任一含有電源的線性電路均可進行等效變換，不管負載特性如何，不影響最終結果。由于電弧爐的供電網絡有兩次電壓的變換，要對電弧爐的電路潮流進行計算，直接計算比較復雜，可以將整個電氣系統電路的各組成部分阻抗參數折算至EAF變壓器二次側[10]，以此簡化計算。

將電弧爐看做一個電路負荷元件，將無功補償裝置看做一個無功功率輸出源，分布式電源看做一個恒功率輸出源，可以將整個電弧爐的供電網絡折算后簡化形式如圖2所示。

圖2 基本單元等值電路

各個供電設備阻抗的折算方法如下所示：

hT1是配電變壓器的變比，hT21，n是EAF變壓器的在n檔位下的變比。

若該設備處于220 kV高壓側，要將原設備阻抗經過兩個變壓器變比的折算。

(1)

(2)

計算結果如表4所示。

表4 各擋位下阻抗計算結果 mΩ

(3)

分布式電源并網條件下配電系統的基本電路方程組由配電線路相電壓損耗公式(4)和用電負荷相電壓公式(5)組成。

(4)

(5)

令：

2.2 基本電路方程組的簡化變形

在含分布式電源的電弧爐基本電路方程組中，含有11個參數，其中：

在無功補償裝置容量充足情況下，電弧爐及廣義負荷所產生無功均能得到就地補償，所以

SG=PG+jQG

(6)

SC=-(QE+QG)=-IL2q1-QG

(7)

x2-axe-jθ+a1a3xe-j(θ-φ1-φ3)+a2ejφ2=0

(8)

a1x1+ja1q1=xej(θ-φ1)

(9)

上式可等價為由四個實數非線性方程組成的四元非線性方程組：

x2+x[-acosθ+a1a3cos(θ-φ1-φ3)]+a2cosφ2=0

(10)

x[asinθ-a1a3sin(θ-φ1-φ3)]+a2sinφ2=0

(11)

a1x1=xcos(θ-φ1)

(12)

a1q1=xsin(θ-φ1)

(13)

3 運行仿真

根據電弧爐的相關數學模型以及上述的含分布式電源的基本電路方程組的求解，結合該電弧爐的線路阻抗參數，利用matlab進行建模仿真，可以電弧爐各個工作點在不同分布式電源接入下的運行情況進行計算。

使用牛頓迭代法對基本電路方程變形得到的四元非線性方程組近似求解，求解出電弧爐在正常運行時的操作電阻x1，并對待求工作點下的運行參數進行計算。可通過下列式子對該工作點下的供電運行參數進行計算：

(14)

有功功率：P=IL2R=IL2x1

(15)

無功功率：Q=IL2X=IL2q1

(16)

視在功率：S=IL2ZL

(17)

功率因數：η=P/S

(18)

在仿真中，假設接入的分布式電源的單相裝機容量為0 MW(即停用)，5 MW，10 MW，15 MW，20 MW，在以上五個情形下，對電弧爐在正常運行時最常使用的7擋、9擋、10擋、11擋、12擋的供電運行情況進行仿真，得到工作點的運行效果如表5所示。

表5 部分擋位下的工作點運行參數

4 結果分析

4.1 分布式電源接入對饋線電壓的影響

在分布式電源接入之前，電弧爐工作時，其所在饋線電壓實測為31.87～31.89 kV，與標準電壓33 kV的偏差為3.36%～3.42%，大于標準所規定的電壓偏差允許值2%。根據仿真結果，隨著分布式電源接入功率的不斷提升，饋線電壓呈上升趨勢，其趨勢隨電源功率增大而減緩。不同擋位下的電壓上升效果存在差異，高擋位的電壓上升程度要大于低擋位(見圖3)。

圖3 不同擋位下分布式電源功率與饋線電壓的關系圖

若要將電壓偏差降至2%以內，則至少要將電壓抬升至32.34 kV以上。由于7擋的使用時間較短(1～2 min)，根據圖3中所示趨勢，當接入的分布式電源單相功率為15 MVA以上時，可以在大部分時間內滿足電壓要求。此時由于電壓偏差符合標準，與電弧爐相鄰的其他設備如LF爐的運行情況得到有效改善。

4.2 分布式電源接入對電弧爐運行功率的影響

不同擋位下分布式電源功率與有功功率、視在功率的關系見圖4、圖5。

圖4 不同擋位下分布式電源功率與有功功率的關系

圖5 不同擋位下分布式電源功率與視在功率的關系

在接入分布式電源之前，該電弧爐各擋位的有功功率水平為標準電壓下功率的97.48%左右，存在2.52%左右的功率偏差，視在功率水平為標準電壓下功率的97.47%左右，功率偏差為2.53%，不能達到預期的供電效果。根據仿真結果，分布式電源的接入可以增大電弧爐同一工作點下的功率水平。有功功率和視在功率的提升幅度與擋位有關，高擋位的提升效果更加明顯。當接入功率達20 MVA時，可將有功最大提升至標準功率的98.52%，視在功率最大提升至標準功率的98.43%。功率水平的提高有利于縮短煉鋼的通電時間，提高生產效率，對煉鋼生產來說是有利的。

4.3 分布式電源接入對功率因數的影響

根據仿真結果，分布式電源的接入對工作點的功率因數沒有明顯的改變作用(見圖6)。

圖6 不同擋位下分布式電源功率與功率因數的關系

5 結 論

(1)根據等效電路原理，建立了含分布式電源的電弧爐電網基本電路方程，該方程可以簡化為兩個復數方程，對其進行求解可以得到電弧爐的操作電阻，從而可以進一步計算接入分布式電源的電弧爐的供電運行參數。

(2)根據該企業電弧爐在接入分布式電源后的供電運行仿真結果，分布式電源的接入可以有效地提升饋線的電壓，對高擋位的提升效果更加明顯。當接入電源單相功率大于15 MVA時，該企業的電壓偏差可以被控制在2%以內，保證了車間內其他設備的正常運行；分布式電源的接入可以小幅提高電弧爐的運行功率水平，當接入單相功率為20 MVA時，該電弧爐的有功功率可達標準功率的98.52%，視在功率可達標準功率的98.43%；分布式電源的接入對功率因數幾乎沒有影響。

(3)分布式電源的接入可以在不改變功率因數下有效地提高饋線電壓和工作點的功率水平，有利于縮短通電時間，提高煉鋼的生產效率。

(4)對于該企業存在的供電容量不足引發的電壓和功率偏差問題，分布式電源的接入方案為：選擇單相功率至少為15 MVA的分布式電源于35 kV母線上并入。并入后饋線電壓偏差小于2%，有功偏差小于1.72%，視在功率偏差小于1.75%，電壓與功率偏差問題得到有效改善。