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SVG链式无功补偿装置在电弧炉现场的应用

发布时间:2020-04-14 作者:新风光
1 引言

国家相关部门在2016年12月初印发了《关于坚决遏制钢铁煤炭违规新增产能,打击“地条钢”,建设生产经营秩序的通知》。所谓地条钢,指的是以废钢铁为原料、经过感应炉等熔化、不能有效地进行成分和质量控制而生产的钢材。这种钢材主要为建筑用钢,被认为存在着严重的质量隐患,熔炼这种钢材的设备主要是中频炉。

广东某钢铁厂主要生产钢筋盘卷,是一家聚炼钢-轧钢一条龙作业的钢铁生产企业。2017年年初为了提高炼钢质量进行了中转电改造,拆掉中频炉,安装电弧炉。电弧炉投运后,引起35kV电网电压波动,闪变值严重超标,直接导致附近的水力发电站无法正常生产。

电弧炉的系统结构比较简单,但是对电网电压影响严重。电弧炉熔化期炉料尚未熔化,电弧不稳定,断弧、重燃经常出现,有时会在电极间形成短路。在熔化初期,电流波形不规律,谐波含量大,主要是低次谐波,严重时谐波电流含有率超过20%。在熔化初期,三相不平衡电流含有较大的负序分量,当一相熄弧、另外两相短路时,电流的基波负序比重最大。电弧炉最重要的影响不是谐波问题,而是电压波动和闪变。电压波动、闪变对电网及其它用电设备的安全运行产生严重的影响。

2 电弧炉现场用电特点及补偿需求
2.1 现场配电系统一次图
广东某钢铁厂现场配电系统一次图,如图1所示。
1591257132(1).jpg
图1 现场配电系统一次图
2.2 现场负荷情况
本项目现场负荷情况如表1所示。

负荷名称

电压等级

额定功率

台数

负荷类型

备注

1#电弧炉

35kV

16000kVA

1

感性负荷

冲击性

2#电弧炉

35kV

16000kVA

1

感性负荷

冲击性

钢厂在中频炉改电弧炉的同时,安装了FC补偿装置,如表2所示。
 

负荷名称

电压等级

安装容量

基波容量

调谐次数

滤波器类型

2FC

35kV

4100kvar

2500kvar

2

单调谐

3FC

35kV

5400kvar

4000kvar

3

单调谐

4FC

35kV

3100kvar

2200kvar

4

单调谐

5FC

35kV

5000kvar

3500kvar

5

单调谐

2.3 本项目现场存在的电能质量问题

钢厂电弧炉投运之后,虽然安装了FC补偿装置,但是无法处理电弧炉快速的无功冲击,补偿容量也严重不足。电网电压闪变值严重超标,电网电压不稳定导致附近的水力发电站无法正常生产,发电机组剧烈振动,无功电流、有功电流剧烈波动。此外在电弧炉的负荷变低时,系统侧存在过补偿问题。

钢厂业主为了降低投资,只要求电弧炉投运后不影响周边企业生产,功率因数提高到0.9以上。

2.4 本项目现场补偿方案

根据现场电能质量情况和用户需求,合理的设计补偿容量。测试数据表明电弧炉最大无功冲击可以达到电弧炉变压器的容量2倍以上,如图2所示。

图2  电弧炉无功功率曲线图

考虑到成本和现场工况,本项目补偿方案是在已有补偿装置(FC)的基础上,增加一台35kV直挂FGSVG,FGSVG装置容量12.5Mvar。

3 新风光SVG基本原理介绍 

SVG是目前国内外最为先进的无功补偿装置,这种基于电压型PWM变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件,而是通过电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。SVG具有快速的电流响应速度和较强的电压闪变抑制能力。

1591257293(1).jpg
图3  FGSVG结构示意图

新风光35kV直挂SVG的结构示意图如图3所示。主电路采用链式串联结构设计,每一相由多个相同的功率单元组成。每个功率单元由多个大功率的电力电子器件组成桥式电路,单元串联和载波移相技术使整机输出电压波形更接近于正弦波,避免了大的du/dt所导致的诸多问题。

FGSVG系列产品采用进口电力电子模块作为主功率器件,多个DSP和FPGA组成强大的控制系统。在控制算法上采用瞬时无功理论,实现对系统/负载无功功率的快速准确的检测。为了得到更快的响应速度和更高的性能采用电流直接控制技术和载波移相技术,实现并网无功电流的快速控制和更优的并网电流波形,如图4所示。FGSVG能够快速连续地提供容性或者感性无功功率,实现适当的电压和无功功率控制,保障电力系统稳定、高效、优质地运行。

 图4 感性额定电流到容性额定电流响应时间测试波形

FGSVG功率单元采用冗余、模块化设计,满足系统高可靠性的需求,模块化设计集成度高,功率单元互换性好,现场安装、维护简单,占地面积小,通常只有相同容量SVC的50%。可多台FGSVG并联安装,极易扩展容量;并联运行使用高速光纤通讯,通讯速度快,能够满足快速补偿的要求。此外现场操作非常简单,超大尺寸的触摸屏具有丰富的显示界面,例如实时状态量及模拟量的显示、运行历史事件记录、历史曲线记录查询、单元状态监控、系统信息查询、历史故障查询等功能外,还具有上电控制系统自检、一键开停机、分时控制、示波器(AD录波)、故障瞬间电压/电流波形记录等特色功能。

4 补偿效果
4.1  FGSVG调试

在现场FGSVG通过高压配电柜接入35kV电网,通过PT、CT检测35kV系统侧的电网电压和电流,进行自动跟踪补偿。FGSVG具备PT、CT自动识别功能,现场配电柜合闸后,FGSVG主控制器自动分析PT、CT接线,辨别PT、CT相序之后可以直接开机自动跟踪补偿。FGSVG具有多种自动补偿模式,如恒考核点无功功率模式、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、负载补偿模式,以及综合补偿模式。

FGSVG并网完成后,为方便用户远程监控SVG运行数据,用户原监控电脑通过双绞线连接到SVG的对外通信接口,实现远程监控。FGSVG具有多种通信接口,例如RS-485、以太网接口,以及多种电力系统常用通信规约,如MODBUS_RTU、CDT91、IEC104等,可以与后台进行联网通信。在生产过程中,现场人员只需定期的巡检、清扫,操作、维护非常简单。现场运行FGSVG照片如图5所示。

1591257594(1).jpg

图5 现场运行FGSVG

4.2  补偿效果

在SVG投运之前,短时间闪变值最大达到11.0左右,如图6所示。

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图6  SVG投运前的短时闪变值

FGSVG在投运之后,抑制电网电压波动效果显著,测得到的最大闪变值降低到3.0左右,如图7所示。FGSVG投运之后电网电压波动范围显著减小,附近的水力发电站投运之后,发电机组之前的剧烈振动消失,无功电流稳定,有功电流轻微波动,已经不影响生产。

图7  SVG投运后的短时闪变值
5 结束语

电弧炉是冶金行业对电网电能质量影响最严重的设备,其运行时产生大量的谐波、负序、闪变,危害最大的是闪变,影响程度与电弧炉的容量、电网容量有很大关系。此钢铁厂为了降低投资成本,补偿容量选配的偏小,但是在使用新风光电子科技股份有限公司生产的高压动态无功补偿装置(FGSVG)之后,电网电压闪变值显著降低,不仅消除了电弧炉对水力发电站的影响,而且钢厂的月平均功率因数也提高到0.96以上。

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