（电机与电器专业论文）钢铁企业用静止无功补偿器svc的结构设计与参数研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p r o p e rr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nt op o w e rs u p p l ys y s t e mc a i ls t a b i l i z ep o w e rg r i d s v o l t a g e , i m p r o v ep o w e rf a c t o ra n dd e v i c e su t i l i z a t i o n ，d e l e t ep o w e rw a s t a g e ， i m p r o v ep o w e rt r a n s m i t t i n ga b i l i t y , b a l a n c et h r e ep h a s ep o w e r , p r o v i d ev o l t a g e s u p p o r ta n di m p r o v et h er u n n i n gs e c u r i t yo ft h ew h o l es y s t e m i r o n a n ds t e e l e n t e r p r i s e sh a v ea l w a y sb e e nb i gp o w e rc o n s u m e r , w h i c hh a v et h ec h a r a c t e ro fb i g c a p a c i t y , b i gs h o c kl o a d i n g ，f r e q u e n ts t a r t i n ga n db r a k i n g , c o n t i n u o u sw o r k i n ga n d l l i g ha u t o m a t i z a t i o n ，a n dh a v et h ep r o b l e m so fl o wp o w e rf a c t o r , v o l t a g ef l u c t u a t i n g a n ds o0 1 1 t h e r e f o r e ，d o i n gr e s e a r c ho nr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o ri r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e sh a sg r e a tm e a n i n go ni m p r o v i n gp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y , r e d u c i n gp o w e r l o s e ，b o o s t i n ge q u i p m e n te f f i c i e n c ya n da s s u r i n gp r o d u c tq u a l i t y t h i st h e s i su s e ss t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) t od or e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o r i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s s v ci sam o s tw i d e l yu s e dd y n a m i cc o m p e n s a t i n gd e v i c e a tp r e s e n t w ei n v e s t i g a t e dt h el o a dc h a r a c t e ro fs t e e lr o l l i n gc o m p a n y , c o m p a r e da l l k i n d so fc o m p e n s a t i n gd e v i c e st of i n do u tt h e r ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n d f i n a l l yc h o s es v c o ft y p ef c - t c rt od oc o m p e n s a t i o nf o rr o l l i n gc o m p a n y b a s e do nf i e l dp a r a m e t e r s ，w ep u tf o r w a r dt h ef r a m e w o r ko fs v co ft y p e f c - t c r ，p a r t i c u l a r l y a n dt h o r o u g h l yc a l c u l a t e dt h ep a r a m e t e r sn e e d e di na l l b r a n c h e s ，d o n ep r i m a r ye q u i p m e n ts e l e c t i o n , a n df i n a l l yb r i n go u taw h o l ed e s i g n s c h e m eo fs v cs y s t e m w ed i ds i m u l a t i o nj o bi nt h es v cs i m u l a t i n gs y s t e m ，w h i c h i sd e s i g n e db yo u r s e l v e s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a ta p p l y i n go i 】rs v cd e v i c e c a n e f f i c i e n t l yi m p r o v ep o w e r f a c t o ra n dr e s t r a i nv o l t a g ef l u c t u a t i n g t h i s d e m o n s t r a t e dt h a to u td e s i g no fs v cs y s t e mi ss u c c e s s f u l ，a n dt h ep a r a m e t e rs e t t i n g a n de q u i p m e n tc h o o s i n gi sr e a s o n a b l e t h r o u g hs v ct r i g g e ra n g l ea l g o r i t h mb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y , w ed e e p l ys t u d i e dh o wt or e a l i z ed y n a m i cc o m p e n s a t i n go fs v cd e v i c ea n d f i n dam e t h o dt or e a l i z ei t t h i sm e t h o dh a sb e e nr e a l i z e da n dd e m o n s t r a t e di n0 1 1 1 s i m u l a t i n gs y s t e mb a s e do ns i m u l i n k i nt h i sp a p e r , w eh a v ea l s oi n t r o d u c e dt h e h a r d w a l e 砌i z a t i o no fd y n a m i cc o m p e n s a t i o n ，i e t h es u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e ma n dt h et r i g g e r i n gs y s t e m i i lm ee n d ，w eh a v ed o n ec o m b i n e de x p e r i m e n tt ot h ew h o l e s v cs y s t e mi nt h e l o wv o l t a g ee x p e r i m e n tf l a tw h i c hi sf o u n d a l lb yo u r s e l v e s ，i n c l u d i n gp r i m a r ys y s t e m , s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m a n dt r i g g e r i n gs y s t e m t h er e s u l t f i to b r e x p e c t a t i o n , s h o w e dt h a to u rs v cs y s t e md e i g n i ss u c c e s s f u l ，a n db a s i c a l l ya c h i e v e s o u rd e s i g np u r p o s e k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，p o w e rf a c t o r ，s v c ，i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r y 1 1 i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者躲步匕趣 撕了年多月，。日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 要世建星 1 _ ，_ ， l 。c ) 午3 月l oe t 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 电能质量是指导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。 随着我国国民经济的发展，电力网负荷不断加大，变频装置、电弧炉炼钢、电 气化铁道等冲击性、非线性负荷容量不断增长，电网电压波形畸变、电压波动、 闪变和三相不平衡等电能质量问题日益突出。功率因数过低，不但增加电能损 耗，使变压器等电力设备容量得不到充分利用，而且可能给大型用电企业带来 罚款。同时，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及， 人们对电能质量要求也越来越高。电能质量已逐渐成为全社会共同关注的问题。 提高电能质量的方法很多，加装无功补偿装置，特别是具有动态补偿性能 的现代无功补偿装置，是最有效、最经济的方法之一。动态无功补偿装置实时 跟随冲击负荷的变化而变化，可以有效提高负荷功率因数，滤除谐波电流，提 高电压水平，抑制电压波动和闪变，全面提高电能质量【l 捌。 无功功率补偿对提高电力系统电能质量有着重要意义。对电力系统进行适 当的无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数，提高设备利用率，减小网 络有功功率损耗，提高输电能力，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，提高 系统运行安全性【引。 钢铁企业一直就是用电大户，具有容量大、负荷冲击大、起制动频繁、快 速性、工作连续性和自动化程度高等特点。而且随着钢铁冶金业的蓬勃发展， 电力负荷急剧增长，容量、非线性和冲击性的负荷也在不断增长，它们对供电 系统的电能质量构成了新的挑战，所以研究钢铁企业的无功补偿，对企业提高 供电可靠性，节能减排，降低损耗，调高用电设备效率，保证产品质量有着非 常重要的意义。 另外，国家供用电规则中对用户的功率因数做了如下规定：“用户必须 提高自然功率因数，高压供电的用户必须保证其在o 9 以上，其它用户保持其在 o 8 5 以上，若达不到者应加装必要的无功功率补偿装置”。钢铁企业在不加装无 功功率补偿装置时，功率因数远远低于国家的供电要求，因此必须加装无功功率 第1 章引言 补偿装置。 所以，研究对钢铁企业的无功补偿，提高其负荷功率因数，对稳定电网电 压、提高供电设备利用率、减少电能损耗、提高钢铁企业生产效率具有重要意 义。 1 2 钢铁企业负荷的特点 钢铁企业是用电大户【4 】，金属加工业2 0 0 2 总耗电2 4 7 4 t w h ，占全社会工业用 电量的比例为2 5 。而钢铁企业在2 0 0 2 年的用电量为1 0 7 3 0 t w h ，占其中4 3 的 比例。 钢铁企业用电具有容量大、负荷冲击大、起制动频繁、快速性、工作连续 性和自动化程度高等特点。轧机、电焊设备、炼钢电弧炉等冶金设备的运行会 引起无功发生波动、功率因数低、三相不平衡、损耗增加、谐波含量超标；大 型风机、轧机主传动等较多应用大功率变流、变频传动装置，容量大的达上万 千瓦，是企业的主要电力负荷。这些设备在调速运行过程产生的谐波干扰将直 接影响配电系统的电能质量，尤其是在这些传动设备的加、减速阶段，谐波干 扰特别严重，而交一交变频调速系统产生的谐波不仅含有一般变流装置中的整数 次谐波，而且含有基频和特征次谐波的分频成分，频率分布广、含量较高，不 仅会造成电网电压畸变，还可能造成电网在某些频率下的谐振，这些问题必须 加以治理。 炼钢电弧炉是钢铁企业常用的一种大容量用电设备，单台容量可达1 0 2 0 m w 超高功率电弧炉的单台容量则更大【5 1 。电弧炉在精炼期问，三相负荷均匀 对称；在起始熔炼期间，由于受炉内原料堆积不均匀及熔融差别等因素的影响， 每相负荷波动很大，电流可达其额定值的2 0 3 5 倍，以致引起很大的网络电 压波动与闪变 6 1 。如不对其进行治理，将严重影响冶炼质量和效益。 现代轧钢机传动装置的机组容量日益增大，有的达数万k w ，而且其负荷变 动异常剧烈【7 1 。其特点是重复冲击，速度周期变化。有的机组工作时，有功尖峰 负荷可达额定容量的1 8 0 9 6 - - - - 3 0 0 ，周期约为数秒。与激烈的有功功率变动相适 应，无功功率亦以相同程度发生波动，这种负荷上升的时间约为0 2 s 。无功功 率波动会引起工厂母线电压的波动，从而使地区电力系统也有一定影响。 大型轧机属于三相基本平衡的冲击负荷，就其冲击负荷特点，可分为两类： 2 第1 章引言 1 ) 轧制周期较短，功率变化速率高。例如初轧机、中、厚板轧机、型钢轧 机等； 2 ) 轧制周期较长，功率变化速率较低。例如冷、热连轧机等。 这两类轧机的冲击负荷幅值、功率变化速率、轧制周期的一般数值范围见 表1 1 。 表1 1 冲击负荷幅值、速率、周期 冲击负荷幅值功率平均变化速率 轧制周期 轧钢机类型 上升下降 p ( m w )q ( m w ) 平均( s ) ( m w s )( m w s ) 板坯初轧机 2 0 3 02 0 2 54 0 5 04 0 5 01 0 热连轧机 4 0 7 0 4 0 7 04 74 71 5 0 冷连轧机3 0 4 03 0 4 03 43 43 0 0 现代大型轧钢机主传动直流电动机采用晶闸管变流装置供电，生产时，既 有有功冲击负荷，又有无功冲击负荷，特别是当可逆轧机咬钢，连轧机穿带完 毕多个机架同时升速瞬间，由于晶闸管变流控制角较大，功率因数很低，此时 所需的无功功率很大。随着控制角减小，功率因数上升，无功功率相应下降， 至稳速轧制时一般无功功率小于有功功率。通常平均功率因数为0 m 8 s 。一般 由空载负荷到达最大负荷，热连轧机的精轧机组，约需8 1 0 s ；冷连轧机约需 1 0 一- 1 5s ；可逆轧机约需0 3 。0 5s 。轧机的负荷曲线由具体的设备决定。 、 气 z - _ 、，。、， 图1 1 单台轧机典型无功负荷曲线图 大型冶金企业有连轧机组，可将很厚的钢板碾成很薄的钢板。连轧机组由粗 第1 章引言 轧机架和精轧机架组成。粗轧机架一般由2 4 台粗轧机组成，精轧机架一般由 5 - 7 台精轧机组成。单台轧机有三个运行阶段：初期，稳定期和空载期。初期为 低速咬钢和带钢加速，这时无功功率最大，呈三角波形变化，时间短、冲击负 荷功率变化速率快。之后无功功率下降，进入稳定轧制期间，持续时间视钢板 长度和轧机上下辊转速而定，一般为几十秒。单台轧机的典型无功负荷曲线如 下图1 1 所示。 轧机的电气运行特性有： 1 ) 无功冲击大。单台轧机在轧制期间的平均功率因数大约为0 6 , - - , 0 8 ，无 功变化可引起p c c 点附近电压产生波动和闪变。单台粗轧机的无功冲击大 过单台精轧机。 2 ) 有功冲击大。单台粗轧机的有功冲击大过单台精轧机。 3 ) 三相电流平衡。传动设备本身是三相平衡负荷。 4 ) 产生特征谐波电流和非特征谐波电流。 冲击负荷产生的电压波动和闪变会对钢厂内部和电力电网造成严重的影 响，对钢厂会影响产品的质量，影响设备的使用寿命，使照明的光通量变化， 影响设备的正常运行，对电网会引起电网电压急剧波动，使电网电压波形产生 畸变，引起电网电压水平降低等。因此，对钢厂进行无功补偿，提高负荷功率 因数，稳定电网电压，具有重要意义。 1 3 无功补偿现状及发展趋势 1 3 1 无功补偿设备的分类和特点 无功补偿装置的分类如图1 2 所示【8 1 4 第1 章引言 运动装置一同步调相机 静止装置-一 卜 现 固定电容器补偿装置( f c ) 电力电抗器补偿装置 机械投切电容器组( m s c ) s v c s t a t c o m 统一潮流控制器 有源电力滤波器 图1 2 无功补偿装置分类图 无功功率补偿装置按照有无运动部件分为运动无功功率补偿装置和静止无 功功率补偿装置，运动无功功率补偿装置主要是同步调相机，它是一种早期的 无功补偿装置。静止补偿装置又可分为传统补偿装置和现代补偿装置。传统静 止补偿装置的最大特征是补偿功率不能随负荷无功功率的变化而变化，因此又 称为静态静止无功补偿装置，而现代静止补偿装置的最大特征是补偿功率能够 随负荷无功功率的变化而变化，因此又称为动态静止无功补偿装置。传统静止 补偿装置主要包括固定电容器补偿装置，f l j f c ( f i x e dc o m p e n s a t o r ) ，和饱和电 抗器补偿装置。现代静止补偿装置主要包括s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ， 即静止无功补偿器，s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) ，即静止同 步补偿器，统一潮流控制器和有源电力滤波器，它们的输出功率都能动态地跟 踪负荷无功功率的变换。机械投切电容器组，f l l 】m s c ( m e c h a n i c a ls w i t c h e d c a p a c i t o r ) ，具有分级投切的功能，是介于传统补偿装置和现代补偿装置之间 的一种补偿器。目前，s v c 以其优良的性能和性价比，是钢铁企业最适合的无功 补偿的装置。 同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ，s c ) ，是一种早期的无功补偿装置， 它运行成本高，安装复杂，补偿容量有级，不能连续调节，而且可能与系统发生 第l 章引言 谐振。同步调相机补偿方式在目前的无功补偿项目中基本不再使用。 机械开关投切电容器组( m s c ) 是一种比较简单的无功补偿装置，可分级分 组投切，但还不属于真正意义上的动态补偿。因其价格低廉，适用于负荷波动 不频繁的场所，目前，尤其在国内，依然拥有广泛的市场。+ 统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 是f a c t s 家族中最复杂 的一种补偿器集串联、并联补偿及移相功能于一体，它功能全面、控制灵活， 主要用于维持u p f c 母线电压及直流母线电压，增强电力系统的运行稳定性，提 高输电线路的传输功率极限值。u p f c 被认为是最有创造性的，功能强大的f a c t s 元件【9 , 1 0 , 11 】。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 基本原理是从补偿对象中检 测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿 电流，从而使电网电流只含有基波分量，达到实时补偿谐波电流的目的。用a p f 进行无功功率补偿，需要再加一组滤波装置，检测出瞬时无功电流，进行补偿。 这样，整个系统的成本就会比较高，这大大影响了有源滤波器的广泛推广【1 2 】。 静止无功补偿器( s v c ) 是目前应用最广泛的动态无功补偿装置。s v c 是灵 活交流输电技术( f a c t s ) 的一种。s v c 具有性价比高，技术成熟，性价比高的优 良特性，近十多年来，始终占据着静止无功补偿装置的主导地位【1 3 】。据不完全 统计，全世界正在运行的s v c 装置目前已超过一千套，总容量超过1 0 0g v a r 1 4 1 。 s v c 的应用可以分为2 个方面：系统补偿和负荷补偿。s v c 在钢铁系统的应用属于 负荷补偿。 s v c 有以下几种形式：饱和电抗器型( s r 型s v c ) 、晶闸管投切电容器型 ( t s c 型s v c ) 、固定电容一晶闸管控制电抗器型( f c t c r 型s v c ) 、机械投切电 容器一晶闸管控制电抗器型( m s c t c r 型s v c ) 以及晶闸管投切电容器一晶闸管 控制电抗器型( t s c - t c r 型s v c ) 。几种s v c 装置分别介绍如下。 固定电容器+ 晶闸管控制电抗器( f i x e dc a p a c i t o r - - t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r f c t c r ) ，主要由电抗器、固定电容器组和可控硅控制器三部分组成。 其基本原理如图1 3 所示。 6 第1 章引言 f c 支路t c r 支路 图1 3f c - - t c r 型s v c 一次系统图 由于大容量晶闸管元件的出现，使得用晶闸管控制的高电压、大容量t c r 型s v c 装置得以实现。图1 3 中的v t l 和v t 2 代表两组反并联的晶闸管组，分别在 电源电压波的两个半周内导通。通过改变晶闸管的导通角来改变电抗器的电流 大小，可以达到连续调节滞后无功功率q 。的目的。导通角从9 0 0 变至u l s 0 0 ，可使 q 。从1 0 0 变化到o 。当负载滞后且无功功率q ，变化时，由于固定电容器组( f c ) 中 的c 值固定，超前无功功率q c 为定值，使得q f q c 跟随导通角q 变化。所以，系统 提供的无功功率q 。= q f + q l o 。总可以近似为常数。 饱和电抗器即s r 型电抗器，分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器，主要用 于限制电压波动。相关文献这样提到，自饱和电抗器是在电力系统中最早得到发 展和成功应用的一种并联补偿器，它不需要调节器，而是依靠电抗器固有的能力 来稳定电压。可控饱和电抗器通过控制绕组电流的大小来改变电抗器铁心工作 点的磁通密度，进而改变绕组的电感值以及补偿的无功功率从而稳定电压。s r 具有快速、可靠、过载能力强、产生谐波小等优点。图1 4 为自饱和电抗器装置 图。 但是饱和电抗器的铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且 存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以 未能占据无功补偿装置的主流【l 5 1 。 7 第1 章引言 图1 4s r 型s v c 一次系统图 t s c 型s v c 由电容器和双向导通晶闸管组成，其装置图如图1 5 所示。这里的 晶闸管仅起开关的作用，t s c 只能提供容性电流，将多组t s c 并联使用，根据容量 需要逐个投入可以获得近似连续的容抗。t s c 虽然不会产生谐波且损耗较小，但 它对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制n 6 。1 引。 t c r 支路t s c 支路 图1 5t s c - - t c r 型s v c 一次系统图 s t a t c o m ，即静止无功发生器或高级静止无功补偿器( a s v c ) ，它基于瞬时无 功功率的理论进行调控，采用g t 0 构成换相交流器【1 9 】，以实现动态无功补偿。其 第1 章引言 原理结构图如图1 6 n 示。s t a t c o m 分电压型和电流型桥式电路两种。由于电压 型控制方便，损耗小，因此在实际应用中被广泛采用。它通过调节桥式电路交流 侧输出电压的相位，幅值或者直接调节其交流侧电流进行无功功率的交换。与 s v c 相比，其调节速度更快，调节范围更宽，欠压条件下的无功调节能力更强，因 此具有良好的补偿特性1 2 0 。s t a t c o m 是最有希望在将来取代s v c 的地位广泛应用 于无功补偿领域的无功补偿装置。 交流侧 u ，所0 j 一 v t w j ( 么k v d u - j (z_ v - j (iv d w 、 吨粤( 卜州w ， + 乒l 叫 w ， v t 妙v t 芦 v t iv j ( z咖7 _ j ( l 一王7 ，_ j ( l ! w d7 w 、x 图1 6s t a t c o m 基本原理简图 c 各种无功补偿装置性能的对比如表1 2 所示，其中，调相机补偿是早期的无 功补偿装置，成本高，安装复杂，目前正逐步被淘汰。m s c 出现也比较早，在技 术上虽不算先进，但结合目前先进的控制技术，m s c 以其优良的性价比，在无功 负荷波动不太频繁的场合，依然具有广泛的市场。目前，在国夕l , s v c 技术已经相 当成熟并取得广泛的工程应用。s t a t c o m 装置作为一种比s v c 在动态补偿上表现 更良好的先进补偿装置已经开始实现产业化并应用于工程领域，只是因为价格 比较高，还不能完全取代s v c 在动态补偿领域的作用。 9 第1 章引言 表1 2 各种无功补偿装置性能对比 s v c 调相 性能 m s c t s c s t a t c o m 机 s r 型f c t c rm s c t c rt s c t c r 型 型型 型 调节范超前 超前 超前 超前 超前超前滞超前滞超前滞 围滞后滞后滞后后后 后 控制方 连续 不连 连续 不连 连续连续连续连续 式续续 调节灵 好 差差好好好好很好 活性 响应速 度 慢较快 快快快快快最快 调节精 好 差 好 差好好好最好 度 产生高 少无少 无多多多少 次谐波 控制难 简单简单简单 稍复 易程度 杂 稍复杂稍复杂稍复杂复杂 技术成 好好好 好好好好一般 熟程度 噪声大小大小小 小小小 分相调 有限可以 不可 有限可以可以 可以可以 节以 单位投 高低中等中等中等中等中等 高 资 f c t c r 型s v c 补偿装置具有动态补偿性能好，响应速度快的特性，刚好适合 为钢铁企业的冲击负荷做补偿。t s c 响应时间小，不产生谐波电流，但为有级调 节功率。s t a t c o m 的诸多优点，使它具有良好的应用前景，但离正式的工程应用 还有待进一步研发。钢铁企业动态无功补偿装置首选f c - t c r 型s v c 。 1 3 2 国外无功补偿装置的生产及应用情况 无功补偿装置可以应用在输配电网，长距离传输电网，风力发电厂，大型 工厂特别是钢铁企业，电气化铁路等。目前动态无功补偿中s v c 占绝大部分份额， 而高电压等级，大容量的s v c 项目几乎全部被a b b ，s i e m e n s 等跨国公司垄断，全 1 0 第1 幸 i 言 球s v c 市场的市场占有情况如图17 所不。 卜 酬i7 全球s v c i j 场 a b b 公r d 目前占据全球 ：a c t s 市场5 0 多的份额，从p 世纪血十年代以柬，总 肚生产f a c t s 六百多套，其中，5 v c 设备4 15 套，5 9 8 0 0 m v a r ，占据全球s v c 市场j 6 的份额。a b b 公司r 1 9 5 0 年生产出世界l 第一套串联补偿装置，行rl 世纪九 千年代术期推出品闸管摔制串联电容器t c s c ( t h y r 【s t o tc o n t r o l l e d 5 e r i e s c a p a c l t o t ) 日前总共安装串联补偿装置2 5 0 余喜。a 卟公司十e 世纪匕十年代丌 始研$ o s v c ，并f - 1 9 7 2 年在世界范【月内笫次将5 v c 应用丁钢铁厂，1 9 7 9 年将s v c 应用于饮路系统。h t i i j ，5 v c 在动态并联补偿叶1 占据统治性地位。1 9 9 8 f _ - ，a b b 推卅新一代动态尢功补偿技术，s v cl i g h t ，即通常所说的5 7 、a t c o m 川。 西j 了( s l e m e i a s ) 公司基丁晶俐管控制技术的无功补偿技术的研究也起始 r 上世纪七h ，他们的第一套s v c 品( f c r 型) f 1 9 8 0 年做讨购。1 9 8 4 年， 西门子提供了他们的笫套1 s c l j s v c 。目前，凸fj 子乍产的s v c 产品达到1 0 0 套， 总容量7 7 0 2 m v a ，涉及1 9 个嘲家。曲门r 还吐戈h 的k u c f ，r 安装r 世界最人的s v c 系统，容量达4 l o y w lr 。 g e 在串联补偿领域# “自先进的技术帚盹产能力，口前，c e 提供的串瞄补偿 装臀的总容量超过r 2 9 g 、, a r 。，( - e 足最i io 提供i c s c 装簧的食业。另外，( r e 琏生产 性价比良好的m s c 袈置i z 。 1 3 3 国内无功补偿装置的生产及应用情况 在幽内，日h “机械投切i u 容器的山式还足比较普遍的。尤其加入控制系统后， 在卯倘波动幅度和频卒变化小大，n 巾越速度耍求不商的配电刚络i 以 第1 章引言 其优良的性价比，依然具有广泛的市场。 目前国内比较先进，且占据一定市场分额的动态无功补偿装置是s v c 。中国 目前有5 个5 0 0k v 变电站安装了s v c ，容量范围大约在1 0 5 1 8 0 m v a r 之间，每套 设备的费用大约在1 5 0 - - 2 7 5 万美元( 当时价) 。目前中国已能生产配电网用的s v c ， 价格一般约为3 0 0 元k v a r 【2 4 1 。目前国内用于5 0 0 k v 输电系统的大容量s v c 电压 等级主要是3 5 k v ，且已实现了国产化。3 5 k v 以上高电压等级s v c 在国内尚未出现。 国内s v c 的主要生产企业是荣信电力电子股份有限公司、西电公司、西电科技以 及电科院电力电子公司。其中西电公司、西电科技和电科院引进的是a b b ， s i e m e n s 的技术，荣信引进的是乌克兰的技术。他们都是中国最早一批引进s v c 设备和技术的国内企业。其中电科院的鞍山红一变s v c 国产化工程( 3 5 k y ， l o o m v a r ) 是国内第一套应用与输电网络的国产化s v c 产品。目前国内电气化铁 路s v c 的使用还比较少，且只是在支线上应用。各公司生产的s v c 技术性能的对 比如表1 3 所示。 表1 3 各公司s v c 装置主要技术参数 补偿容量 制造企业控制精度响应时间电压等级 ( m v a r ) 荣信 2 2 0 0 耋l o r e s6 3 5 k v 两电科技 l o 1 8 0 ii l o 3 5 k v 电科院 0 1 8 0耋l 姜l o r e s6 3 5 k v 两门子大容量 i i高电压等级 a b b大容量 高快高电压等级 芬兰诺基亚i比较高 快高电压等级 顺特电气5 1 6 0薹1 耋2 0 m s6 3 5 k v 1 9 9 4 年作为原电力部重大科技攻关项目，由河南省电力局和清华大学共同 研制的_ 2 0 m v a r 的s t a t c o m 于1 9 9 5 年并网运行，使中国成为世界上第4 个拥有大 容量s t a t c o m 的国梨2 5 1 。2 0 0 2 年1 1 月，国家电网公司科环部主持通过了“上海 电网黄渡分区5 0m v a r 的s t a t c o m 示范工程”。但目前s t a t c o m 在国内还没有 实现产业化。 1 2 第1 章引言 1 3 4 目前我国无功补偿的发展趋势 目前，在欧美、日本等一些发达国家s v c , 、偿装置已经取得广泛应用， s t a t c o m 补偿装置的产业化也有将近十年的时间。在国内，机械投切电容器( m s c ) 装置以其低廉的价格，依然占据很大的市场份额。目前国内企业提供的s v c 装置 最高电压等级为3 5 k v 。随着用户对电能质量要求的日益提高，市场对s v c 的需求 迅猛增长，国内企业必须迅速提高s v c 产品的质量和产量，以满足国内需求，并 发展高电压等级的s v c 装置，以打破国外企业的垄断。目前国内的s t a t c o m 技术 尚处试运行阶段，还要在技术上和产业化上继续努力。 s v c 是目前在国际上已发展较为成熟的技术，国内还有一定差距。目前，为 钢铁企业进行无功补偿，首选s v c ，在技术上是可行的，在国内无功补偿的发展 上是合理的。所以，这罩选择s v c 作为钢铁企业补偿项目的研发对象。 1 4 钢铁企业加装s v c 装置效益分析 1 ) 首钢中板厂s v c * 、偿装置效益分析。 2 0 0 2 年1 0 月，首钢中板厂进行工艺升级改造，新上l 台四辊强力轧机，由2 台 7 0 0 0 k w 同步电动机传动，采用交一交变频控制。由于交一交变频产生大量谐波，故 在电网3 5 k v i i 段上加装静止无功补偿( s v c ) 系统，以减少四辊轧机的无功冲击和 谐波对电网的影响【删。 中板厂s v c 采用鞍山荣信电力电子公司的t c r ( 晶闸管控制电抗器) 型静止 动态无功补偿装置，t c r 与并联电容器f c 配合使用。投入前后的系统的性能参数 如表1 4 所示。 表1 4s v c 投入前后系统主要参数变化 名称 s v c 不投入s v c 投入 不轧钢时3 5 k vi i 段进线电流a7 0 8 03 0 4 0 不轧钢时3 5 k vi i 段功率冈数 o 6 0 70 9 7 0 9 9 轧钢时3 5 k vi i 段进线电压波动k v 2 7 3 63 4 3 6 轧钢时3 5 k vi i 段进线电流波动a1 8 0 6 0 01 2 0 3 5 0 轧钢时3 5 k vi i 段进线最人无功冲击k v a r 3 3 0 0 01 7 5 0 0 吨钢电耗( 平均) k w h 1 0 08 0 第1 章引言 从表1 4 中数据可以看出，投入s v c 对电网电压波动明显改善，对电网的无功 冲击大幅降低，功率因数明显提高。中板厂s v c 系统投资约4 0 0 万元，虽一次投资 比较高，但仅从吨钢节电一项所创效益就可在一年时间内收回设备投资。具体计 算如下：以目前电费平均价格0 4 元( k w h ) ，中板厂年生产6 0 万吨板材计算， 节约电费年效益为： 0 4 ( 1 0 0 - 8 0 ) 6 0 = 4 8 0 万元。 另外，加装s v c 提高了中板厂的功率因数，取消了因功率因数低而带来的罚 款。可见，s v c 投入的效益是相当明显的。 2 ) 唐钢钢北2 2 0 k v 站s v c 装置 唐山钢铁公司钢北2 2 0 k v 变电站由系统2 2 0 k v 滨河一和滨河二双电源供电 1 2 兀。正常运行方式为2 2 0 k vi 段、i i 段、i i i 段母线分裂运行，3 5 k vi 段、i i 段 母线也分裂运行。l 号主变供3 5 k vi 段两台1 5 0 吨电弧炉和t c r 型s v c 静止 无功补偿装置，2 号主变供3 5 k vi i 段轧机和轧机滤波器装置。电弧炉s v c 容量 为2 0 m v a r ，轧机滤波容量为8 6 m v a r 。系统接线参见图1 8 所示。 2 2 0 k v 母线2 2 0 k v 母线2 2 0 k v 母线 3 、4 、6 次滤波 5 、7 次滤波 图1 8 唐钢钢北2 2 0 k v 变电站主接线图 i i 段 唐钢钢北2 2 0 k v 变电站目前由于负荷较小，实际运行方式为只投运一台 1 2 0 m v a 变压器，3 5 k v 母线并列运行，由于钢北其他负荷接入s v c 补偿母线， 1 4 第1 章引言 补偿后平均功率因数由原设计值o 9 5 降低到0 8 8 。正常生产时月平均电量为 5 4 0 5 万k w h ，基本容量费为每月1 5 元k v a ，平均有功电度单价为0 3 7 2 5 元黼。 根据与唐山供电公司的供电协议，功率因数要求达到o 8 ，低于标准调高电费3 5 ， 高于标准不奖励。在电弧炉炼钢过程中，s v c 不投时的平均功率因数大约0 7 8 ， 投入s v c 后功率因数提高到约0 8 8 ，无过补现象。故投入s v c 后无功功率调整 费率( 即无功罚款率) 每年约节省9 2 1 2 1 万元。 根据运行报表核算，3 5 k v 和2 2 0 k v 至供电公司电度计量点的线路网损及主 变负荷损耗合计约占生产消耗有功的1 5 。按平均功率因数核算有效降低损耗 为7 7 6 9 万元。当唐钢负荷增长后，3 5 k v 分裂运行，功率因数达到设计值，节 能的效益将进一步增加。 s v c 滤波支路与t c r 支路平均损耗约占装置总容量的0 8 ( 指满负荷运 行情况) ，则s v c 装置每年运行损耗费用为5 2 2 1 万元。此三项合计即可每年节 省9 4 6 6 9 万元。此外，s v c 投运后，3 5 k v 母线电压波动得到抑制，提高了生产 效率，平均降低炼钢时间约5 m i n ，按1 5 0 万吨年的生产能力计算可提高年产量 约5 万吨，按每万吨创造产值2 0 0 0 万元计算，每年可多创造产值l 亿元。每吨钢 耗电量同时得到了降低。根据统计报表，投运前吨钢平均用电量为5 3 6 8 9 8 k w h ， s v c 投运后降低为5 0 7 9 0 6 k w h ，则每吨钢节省的费用为1 0 8 0 0 元。按年产量 1 5 0 万t 计，每年节省的费用为1 6 2 0 0 万元。 3 ) 莱芜特钢厂 莱芜特钢厂三总降变电站为1 1 0 k v 进线，带2 台6 3 m v a 主变。l 号主变将 1 1 0 k v 降压至3 1 5 k v ，带一台5 0 t 交流电弧炉和s v c 静补装置。2 号主变降压 至6 k v ，带风机、水泵等动力负荷。s v c 基波容量为5 0 m v a r ，s v c 投入前， 电炉运行时的平均功率因数约为0 8 5 ，每月功率因数罚款3 0 万元，每年罚款3 6 0 万元。s v c 投入后平均功率因数升高到o 9 8 ，功率因数罚款取消【2 8 1 。其功率因 数曲线在s v c 投入前后的对比如图1 9 所示。 主变负荷损耗和线路网损约占总有功的2 2 ，按正常生产时月平均电量 3 0 6 0 万k w h 计算，节省的网损为7 4 5 4 万元。s v c 平均损耗约占装置最大容量 的0 5 ，正常运行t c r 平均输出无功约为额定容量的3 0 ，则s v c 装置每年 运行损耗费用为2 4 4 7 万元。此三项合计即可每年节省3 5 2 9 6 万元。 原5 0 吨交流电弧炉由于冲击大，对电网污染比较严重。供电部门限制其冶 炼功率，被迫采用1 2 档低档位运行。s v c 投运后，恢复高功率冶炼，炉变升档 第1 章 f 青 至1 5 档1 8 档运行。冶炼时间缩短约2 0 3 0 m l n ，吨钢耗电昼山4 5 0 k h 减为 4 2 0 k w h 。炼钢年产量由原2 0 万吨提升至约2 4 万吨，多创造产值约8 0 0 0 万兀。 节省电费约2 6 82 万元。 搿2 ! 器岔嘴盏甜1 r 喈嚣搿嚣盏岔。嚣嚣省 m ，s v c i t 幽l 9 莱钢2 总降变电站】o k v 功率蹦数曲线 1 5 本文的主要工作 本文通过对钢铁企业负荷和各种补偿设备的研究，提出了采用f cr c k 型静 i 【：无功功率补偿器( s v c ) 对轧钢机负荷进行补偿的方案。通过s v c 系统的整体 框架设计，s v c 系统的数学建模，s v c 各支路的参数计算和设备选型，给出了一 套完整的补偿方案，并重点介绍了该系统如何实现动奄补偿。最后，分别存f ：l