王 勇 袁 愿

(1.云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000;2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361001)

1 電弧爐對電網(wǎng)的影響

電弧爐是電力系統(tǒng)中一個典型的沖擊性負(fù)荷，它的運(yùn)行對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生著嚴(yán)重的干擾。有必要采用各種手段減輕電弧爐對電網(wǎng)的影響。

電弧爐的工作過程可以分為熔化期、氧化期和還原期三個過程，前兩個過程對電網(wǎng)的影響最大。電弧爐對電網(wǎng)的影響主要有:

1)電弧弧長的不規(guī)則變化導(dǎo)致無功與有功功率的急劇波動，使電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的電壓波動和閃變。

2)電弧電阻的非線性和瞬變性使電網(wǎng)電壓和電流產(chǎn)生高次諧波。

3)熔化期電極頻繁短路和開路，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)序分量，使供電系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的三相不平衡。

主要的解決途徑有以下幾點(diǎn):

工藝流程，優(yōu)化電弧爐設(shè)計(jì)參數(shù);供電設(shè)備;無功補(bǔ)償裝置。效果最明顯的解決方案。目前電弧爐的無功補(bǔ)償設(shè)備主要是SVC和DSTATCOM。SVC出現(xiàn)較早，應(yīng)用成熟，而DSTATCOM技術(shù)先進(jìn)，比SVC補(bǔ)償功能更優(yōu)，效果更好，具有廣闊的發(fā)展前景。

2 電弧爐的運(yùn)行特性分析

電弧爐供電系統(tǒng)單線圖見圖1，由于電弧伏安曲線的非線性，會引起諧波電流，給計(jì)算分析工作帶來一定的困難。為使計(jì)算分析方便，以下均忽略了諧波對計(jì)算方法的影響。

XS為電弧爐連接點(diǎn)至系統(tǒng)的等值阻抗;XF包括:爐變前置電抗器、爐變、短網(wǎng)的電抗;RF為電弧爐的等值電阻，它作隨機(jī)變動;ES為電源電勢;U為電弧爐端點(diǎn)的電壓。

圖1 電弧爐供電系統(tǒng)單線圖

式中IR、IX分別為負(fù)載電流的有功和無功分量。

圖2 電弧爐的電流圓圖

當(dāng)電爐運(yùn)行至B點(diǎn)時，電極通過鋼水發(fā)生短路，如果忽略電阻的影響，此時電爐有最大的無功電流，并有最大的無功功率。

由此可知，若電弧爐正常運(yùn)行于某點(diǎn)，則該點(diǎn)處的無功電流沖擊量為電極短路時的最大無功電流減去該點(diǎn)處的無功電流分量，該點(diǎn)處的無功功率沖擊量為電極短路時的最大無功功率減去該點(diǎn)處的無功功率。

3 抑制電壓波動方法

DSTATCOM為配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器，其本質(zhì)上是一種基于全控型大功率換流器技術(shù)的電壓源逆變器 (VSC，Voltage Source Converter)。在實(shí)際工程中，可以采取多種措施消除其輸出電壓中的諧波分量，此時可將它簡單視為一個幅值、相位和頻率均可任意調(diào)節(jié)的三相正弦交流電源。DSTATCOM通過聯(lián)絡(luò)電抗器或升壓變壓器與配電網(wǎng)連接，為便于分析，假設(shè)DSTATCOM通過純電感與配網(wǎng)系統(tǒng)連接，見圖3。其典型工況可描述如下:

圖3 DSTATCOM與配電網(wǎng)連接示意圖

當(dāng)Us＞U時，電流由DSTATCOM經(jīng)電抗器或變壓器漏抗流向配電網(wǎng)，DSTATCOM向配電網(wǎng)注入感性無功功率，相當(dāng)于同步調(diào)相機(jī)處于過勵磁運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)Us＜U時，電流由配電網(wǎng)經(jīng)電抗器或變壓器漏抗流向DSTATCOM，DSTATCOM從配電網(wǎng)吸收感性無功功率，相當(dāng)于同步調(diào)相機(jī)處于欠勵磁運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)Us=U時，DSTATCOM與配電網(wǎng)之間不存在無功功率交換，相當(dāng)于同步調(diào)相機(jī)處于停運(yùn)狀態(tài)。

電網(wǎng)中電壓波動 (Δu)的原因主要是系統(tǒng)中無功功率的變化。可將電網(wǎng)中電壓波動表示為:

式中:SDR為供電系統(tǒng)的短路容量。ΔQ為電網(wǎng)提供的總的無功功率的變化量。

電弧爐在供電系統(tǒng)中時，ΔQ是電弧爐負(fù)荷引起的電網(wǎng)中無功功率波動值。由于DSTATCOM能夠平滑、連續(xù)、雙向地調(diào)節(jié)無功輸出，并且響應(yīng)速度不超過10ms，相對于SVC優(yōu)勢明顯。圖4是電弧爐供電系統(tǒng)DSTATCOM裝置原理圖。

圖4的工作原理是:將電弧爐隨時變化的無功功率信號 (即電弧爐向電網(wǎng)注入的無功電流)檢出，用來控制DSTATCOM輸出的無功功率，使DSTATCOM輸出的無功功率QSTATCOM全部用來補(bǔ)償電弧爐消耗的無功功率QF，即:

圖4 電弧爐供電系統(tǒng)DSTATCOM裝置原理圖

設(shè)供電電網(wǎng)向電弧爐電氣系統(tǒng)提供的總的無功功率為QΣ，則由系統(tǒng)的無功功率平衡可知:

由此可知，總的無功功率將維持不變，并且趨近于零，即:

因此電網(wǎng)的無功波動值ΔQ趨近于零，則電網(wǎng)的電壓波動也趨近于0，即可維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，抑制電壓波動。

4 結(jié)論

利用DSTATCOM對電弧爐進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償，可以使電弧爐回路構(gòu)成柔性供電系統(tǒng)，既抑制電網(wǎng)電壓波動，使接于同一電網(wǎng)的其他用電設(shè)備獲得良好的供電質(zhì)量，又能對煉鋼過程起到穩(wěn)壓作用，提高電弧爐變壓器的利用率，使熔化功率提高。同時，DSTATCOM相對于SVC在無功特性、響應(yīng)速度、體積等方面具有諸多優(yōu)勢，并且隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓大容量可關(guān)斷功率器件的價(jià)格呈下降趨勢。DSTACOM的應(yīng)用會更加普遍。

［1］蘇良德.大容量電弧爐對電網(wǎng)干擾的抑制方法研究 ［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001(9):64－66.

［2］翁利民.超高功率電弧爐對電網(wǎng)不利影響的抑制方法研究 ［J］.江蘇電器，2004(3):4－10.

［3］姜齊榮，王強(qiáng).新型靜止無功發(fā)生器(ASVG)裝置的建模及控制 ［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，35(3):21－25.