关键词：电弧炉；动态无功补偿装置；电能质量

Abstract: The application and analysis of SVG in the Electric Arc Furnace field. This paper introduced the application of SVG (Model: FGSVG-C30.0/35)manufactured by WindSun electronics science & technology CO., LTD. in the electric arc furnace site. The application showed that using SVG will produced high economic benefits and high social benefits in Metallurgy industry.

Key words: Electric arc furnace; SVG; Power quality

1  引言

随着经济的发展，各种基础建设开展起来，进而导致各行各业对于钢铁的需求量也越来越来大。而作为钢铁冶炼技术的其中之一，电弧炉冶炼技术也发展迅速。电弧炉具有投资少，冶炼质量高，冶炼速度快等优点，因此在整个冶金行业中，电弧炉冶炼应用范围越来越广泛。

电弧炉炼钢是以电能为供能能源，以废钢为原材料，通过电能在石墨电极与炉料之间拉弧放电，产生6000℃以上的高温，通过温度对流和热传导将原材料溶解为钢水。相对于传统占地大且复杂的炼铁系统，其工艺流程简单可控，污染易控制。但存在优点的同时，电弧炉炼钢也带来许多电网侧的问题，在整个拉弧溶化初期，电极与原材料之间接触面不够，拉弧较为严重，且因原材料常为较大的废钢，其三相电极接触位置不确定，就会产生较大电弧不稳定及短路现象，因此对于电弧炉炼钢，其在炼钢工艺初期时会产生严重的三相不平衡电流，同时造成严重的电压波动及闪变问题。

为了改善电弧炉炼钢引起的电能质量问题，特别是三相电流不平衡及电压波动问题，传统的治理方式通常为SVC来抑制电弧炉带来的无功冲击，从而处理电网电压波动。但在实际应用中，SVC的响应速度慢，无法处理三相不平衡电流等问题，导致实际在电弧炉现场的补偿效果并不明显。而就要新一代全控型器件的SVG设备则能够快速的响应，平滑稳定的抑制无功功率的变化，同时角接型的设备，还能在处理无功功率变化的情况下，补偿三相电流，将三相电流补偿平衡。

2  电弧炉现场补偿需求

2.1  现场配电系统一次图

某电弧炉冶炼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

2.2  现场负荷情况

本项目现场负荷情况如表1所示。

表1  负荷情况表

2.3  现场存在的电能质量问题

该现场共计有一台电弧炉及一台精炼炉，现场配有30Mvar FC进行补偿，但是在电弧炉开始投入炼钢以后，在起炉及炉料的溶化初期阶段，其电弧燃烧不稳定，频繁的熄弧及重燃，三相严重不对称，同时有功和无功剧烈波动，电网电压严重不稳，造成炼钢炉工作不稳定，其炼钢效率降低，另外电弧炉的总功率因素较低，被供电局考核罚款。

2.4  本项目现场补偿方案

无功补偿装置的主要功能是：无功平衡、提高系统的电压稳定性、同时改善系统的电能质量。对于该项目来说，增设无功补偿装置能够减少负载引起的无功冲击，降低电网电压波动情况，同时提高电网考核点的功率因数。

根据现场负荷分析，其负载为非线性不对称负载，计算相应的正序有功电流、正序无功电流、负序电流及谐波电流，以a相为例：

综上计算得出该线路上需要一台35kV 30Mvar SVG角接设备进行补偿，满足三相不平衡、电压波动、功率因数的补偿要求。在现场FGSVG通过高压配电柜接入35kV电网，通过采样厂区接入点电压和电流信号进行无功计算，装置并入电网后可24小时挂网运行。装置会自动跟踪电网侧无功及电网电压的波动情况，计算出所需要的无功发生量，实时快速相应电网侧补偿的需要。

FGSVG控制器具有和上位机通信的标准化接口，具备与变电站综合自动化联网的功能，装置的运行状态和故障类型均可上传。通讯采用RS-485、以太网等通讯接口，采用标准Modbus或用户自定义等多种通讯协议。

3  SVG基本原理介绍

随着电网的不断发展，对无功功率进行控制与补偿的必要性与日俱增。

目前理想的解决方案就是采用FGSVG(Static Var Generator—静止无功发生器)也称STATCOM（Static Synchronous Compensator的简称)，其主要作用是：提高电网稳定性、增加输电能力、提高功率因数，消除无功冲击、抑制谐波、平衡三相电网，降低损耗、节能减排。相较于传统的补偿装置，SVG具有响应时间快、占地面积小，适用于多种场合补偿等明显优势。如图2所示。

图2  SVG原理示意图

FGSVG系列产品基本原理就是将自换相桥式电路通过变压器或者电抗器并联到电网上，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。

FGSVG系列产品的主电路采用链式拓扑结构，三角形的连接方式实现不同容量下的高性价比，既保证用户投资的有效性，又保障了电力系统稳定、高效、优质的运行。

控制箱与功率单元信号通过光纤进行隔离控制，实现了高低压的可靠隔离。FGSVG系列产品系统对结构上做出了极大的改进处理，使维护更方便。控制柜进行了严格的抗干扰处理，保障控制系统不受高压主回路的影响。功率模块（单元）的改善使得功率柜占地面积更小，极大节省了用户设备空间，减少了投资。

功率单元内置多种电路板，单元控制部分除了采样回路、保护回路和输出驱动回路外，所有的逻辑和通讯处理均采用大规模FPGA芯片完成，智能化的设计使得硬件更简单，软件更灵活，抗干扰能力更强，可靠性更高，便于以后的功能改进和升级。

每个功率单元均具有完善的保护功能（过流、过压、过温、通讯异常等），各单元状态均反馈到主控系统，控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。功率单元结构上完全一致，模块化的结构设计，使得功率单元可以任意互换，单元的外部接口有两个输出端子及两个光纤插口，这使得维护和检修更简单。在单元已有冗余的情况下其它功率单元发生故障，用户可以简单更换备用功率单元，为恢复生产赢得宝贵时间。

图3  单元输出波形

每个单元通过IGBT逆变桥实现正弦PWM控制，可得到如图3所示的单元输出波形。

单元链接后三相之间角形连接并通过电抗接入电网，通过对每个单元的PWM波形的叠加，可得到逼近正弦的阶梯PWM波形，如图4所示为10kV星型连接的单相波形。

图4  单元输出叠加后的波形图

FGSVG系列产品采用了先进的数字化标准载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消，串联后又经过输出电抗器滤波，总输出波形正弦度好，dv/dt小，谐波成分含量小，可减少对电缆的绝缘损坏，在输出侧无需再增加输出滤波器。

4  补偿效果

4.1  补偿效果

在FGSVG未投运之前，三相不平衡严重，如图5-6所示。

图5  SVG投运前的不平衡度95%概率值为18.05%

图6  SVG投运前的电压波动

FGSVG在开机投运之后，三相不平衡度及电压波动明显降低。如图7-9所示。

图7  SVG投运后的不平衡度95%值为1.9%

图8  SVG投运后的电压波动

图9  SVG投运后的功率因数95%的值达到1

同时观察110kV母线电网侧的闪变治理情况，如图10-11所示。

图10  SVG投运前的长时闪变95%概率值为3.215

图11  SVG投运后的长时闪变95%概率值为0.969

5  结束语

在安装了动态无功补偿装置SVG以后，35kV电网的电能质量系统有了非常大的改善，其三相电压不平衡度从18.05%降低到1.9%，电压波动降低，35kV侧的功率因数也达到0.95以上。通过电网侧电能质量的改善，使其电弧炉炼钢效率得到明显提升，电弧炉也能持续稳定的出钢。上述电能质量的改善，体现出FGSVG对电弧炉现场出现的电压波动及三相不平衡具有非常好的治理能力。

参考文献：

[1]石山,刘树,等. STATCOM在电弧炉电能质量治理上的应用[J]. 电力电容器与无功补偿,2015.12.

[2]林海雪,等. 电弧炉的供电问题及相关标准[C]. 第四届电能质量及柔性输电技术研讨会.

作者简介：

张长元，男，本科学历，工程师，供职于新风光电子科技股份有限公司技术中心。