关键词：电弧炉  动态无功补偿及谐波治理  电能质量

1 引言

电弧炉是利用交流电弧产生的热来熔炼金属的一种电炉。在电弧炉中，电弧发生于专用电极棒和融化的炉料之间，炉料受到电弧的能量直接加热。

整个电弧炉炼钢一般分为三个时期：固体熔料的熔化期，氧化期和还原期。熔化期的特点是电弧炉输入的电功率在急剧波动，同时经常伴随着电流冲击。氧化期电弧的等效弧长发生周期性的、拟周期的或随机性的波动，因此造成电弧电流长时间不规则的波动。还原期的特点是电弧较长，电弧燃烧较稳定，输入电弧炉的功率较稳定。

电弧炉具有非常低的功率因数和变化频繁的不平衡负荷。无功电流波动幅度大和不稳定造成了系统电压的波动，系统电压波动将会造成灯光闪烁，并对现场其它用电设备产生严重影响。电弧炉在冶炼过程中，弧长的不规则变化，引起电网电压剧烈的波动。当断弧时，取自电网的有效功率等于零；当电极同炉料短路时，炉子主电路消耗的无功功率最大。

2 电弧炉现场用电特点及补偿需求

内蒙古某农牧设备厂现场有电弧炉、轧机以及相关除尘和检测等设备，电弧炉和轧机由10kV进线供电。负载电弧炉是非线性、冲击性用电负荷，为典型的电能质量干扰源之一。电弧炉在冶炼期间表现为电弧变化剧烈，造成对电网的冲击，会引起多种严重的电能质量问题，包括功率因数低、谐波污染、电压波动和闪变等。电网公共连接点上其他用户已多次向供电部门反映电压不稳，夜晚灯光闪烁的严重问题，严重影响周围工厂生产、居民生活正常用电。

该厂现场配电系统一次图，如图1所示。




                                                                        

图1 现场配电系统一次图

现场负荷情况如表1所示。

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。为满足变电所要求的功率因数、有效的抑制电网电压闪变、减小电网谐波，新增一套FGSVG-C5/10+5MFC（补偿2次、3次和4次谐波），最终解决了现场电网存在的电能质量问题。

3 新风光FGSVG基本原理介绍 

FGSVG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。

图2 FGSVG结构示意图

新风光FGSVG的结构示意图如图2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3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3 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，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10kV电网，通过PT、CT检测10kV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。

4.2 补偿效果

2018年3月中旬，FGSVG一次性成功投运。至今运行正常。FGSVG响应时间、无功补偿效果、抑制电网电压波动，均已达到预期效果。以下是对投运后的SVG设备进行的测试情况。

4.2.1 响应时间

测试SVG响应时间5ms。扰动测试法，投切电容器，测试SVG的跟踪响应时间。

图4 SVG阶跃响应波形

测试过程，切除FC（安装容量5M），测试SVG跟踪响应性能。由图4可知，电容器切除时，SVG跟踪补偿之后的系统侧电流没有突变，说明SVG跟踪上了投切电容器产生的无功突变。另外记录的无功阶跃过程的曲线如图5所示。

图5 SVG 无功全响应跟踪曲线

图5每格5ms，SVG无功全响应（检测时间+补偿时间）从3.2M阶跃到0，与SVG设计的响应时间一致，满足国家标准小于30ms、行业标准小于10ms的要求。如图6所示，行业标准（0阶跃到90%或者90%阶跃到0）响应时间不大于10ms，现场SVG实测响应时间5ms，远小于行业标准，属于国内一流水平。

   图6 DLT1216-2013行业标准

4.2.2 无功补偿效果

如图7、图8可知，SVG补偿之后，系统无功在零附近（a曲线为有功，b曲线为无功），SVG补偿性能已经使能。其中18:30-19:00之间，SVG停机10min进行数据对比，在图4上可以看出SVG停机之后，系统无功在-3.5Mvar到4Mvar之间波动。

图7 补偿之后的系统无功和有功功率曲线1

图8 补偿之后的系统无功和有功功率曲线2

4.2.3 闪变治理效果

闪变治理效果如图9和图10所示，其中图9中，在SVG停机10min时，短时闪变值从1.8-2.4增大到5.8-7.0，说明SVG治理效果显著。各时间段的长闪变如表2所示。

图9 补偿之后的系统电压闪变曲线1

图10 补偿之后的系统电压闪变曲线2

在图9、图10中，a表示长闪变曲线，b表示短闪变曲线。

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。为了有效治理电弧炉运行时产生的谐波、负序、闪变问题，现有最有效的技术方案只有SVG+FC，使用FC治理谐波问题，使用SVG快速的无功跟踪和不平衡治理能力，治理闪变、负序问题，且电网平均功率因数也提高到0.96以上。