电炉SVC系统谐波支路阻抗暂态分析

钱峰，顾建军

（宝钢股份公司工程管理部，上海201900）

电炉SVC系统谐波支路阻抗暂态分析

钱峰，顾建军

（宝钢股份公司工程管理部，上海201900）

在介绍电炉SVC系统拓扑原理的基础上，对系统暂态原理进行了分析，重点针对系统阻抗特性作了详细分析。最后进行了仿真实验验证。仿真结果证明，系统滤波支路的变化，将对系统母线电压、电流以及功率因数造成影响。

SVC；阻抗；谐波；无功

1 前言

众所周知，电炉是一种利用电弧产生的热量来熔炼金属的设备。它的非线性大容量冲击会给电网带来无功冲击、谐波、闪变以及三相不平衡等一系列不利影响。世界各国普遍采用静止型动态无功补偿装置（SVC），以消除无功冲击、滤除高次谐波、平衡三相电网等。为此，对电炉SVC系统的研究显得非常必要。

目前，国内外对SVC建模仿真作了一定程度的深入研究。但纵观以SVC系统为研究对象的建模仿真分析方法，各国学者比较集中于SVC系统稳定模型，对电炉SVC系统暂态分析则研究较少。

2 系统拓扑原理

宝钢现有一座150 t直流电弧炉，以废钢和铁水为原料。在整个生产过程中将产生大量的高次谐波和无功冲击，为此，引入SVC对直流电弧炉进行无功功率补偿和谐波电流吸收，从而实现33 kV系统无功平衡、电压稳定和电能质量改善。

该电炉SVC系统采用了TCR型。系统结构是无源滤波器组和晶闸管控制电抗器TCR并联。图1为电炉SVC系统拓扑图。TCR的三相采用三角形连接，每一相是由一组反并联的晶闸管、电抗器和阻尼电抗器串联，实现对系统的动态无功功率补偿作用。

图1 电炉SVC系统拓扑

SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以无源滤波器组与动态控制的TCR一起并联，既满足无功补偿、改善功率因数，又消除谐波的影响。无源滤波器组由低次和高次滤波支路组成。其中低次滤波支路采用C型滤波器，主要作用是滤除2次和3次谐波，同时滤除2次和3次附近的间谐波。高次滤波支路中4次和5次滤波支路为单调谐支路，主要滤除4次和5次谐波；7次滤波支路采用二阶高通滤波器，对7次及以上的高次谐波具有很好的滤波效果。

3 系统暂态原理分析

SVC系统的暂态分析主要可分析系统中断路器突然发生动作时的SVC系统运行情况。由于断路器的动作会造成SVC系统电路的拓扑结构变化，而这些变化会对系统的运行情况造成一系列的影响，例如电流电压的幅值会发生突变，电流电压的谐波含量会发生变化，SVC系统的功率因数也随之发生改变。所以，对SVC系统进行暂态分析是具有实际意义的。由于断路器C0、C1和C2的动作可能导致系统并联谐振，分析的重点可放在对谐波电流的分析上。

图2为SVC系统单相等效电路及变形图。其中低次和高次滤波支路可以等效为Z23、Z457，TCR等效为阻抗ZTCR。系统阻抗等效为ZS。DC EAF表示直流电弧炉负载。在这里不考虑供电电压VS（即背景谐波）的谐波分量，只考虑电弧炉负载产生的谐波。在SVC系统单相等效电路变形图中，电弧炉负载谐波电流在低次和高次滤波支路、TCR以及系统母线组成的4条并联支路中分流。Z23、Z457、ZS可以直接从电路图中计算得到，晶闸管控制电抗器TCR相当于可变电感，阻抗值的大小是由电弧炉负载无功电流决定的，电弧炉负载发生变化时，TCR的等效阻抗也会发生变化。

图2 SVC系统单相等效电路及变形

4 系统阻抗特性

在电炉SVC系统中，对于二次C型滤波器，可得阻抗计算公式：

式中：Z2fn是在角频率ωn=nω1下滤波器的阻抗；

XL2=ωL2，XC21＝1/（ωC1），XC22=1/（ωC22）；

n是谐波次数；

ω1是额定工频角频率。

同样对于三次C型滤波器，可得到Z3fn。则低次滤波支路阻抗Z23＝Z2fn//Z3fn。

4、5次滤波器为单调谐滤波器，等式可分别写为：

7次滤波器为二阶高通滤波器，计算公式为：

可得高次滤波支路阻抗Z457=Z4fn//Z5fn//Z7fnZ23。

根据现场实际的数值，可计算得到低次和高次滤波支路的阻抗。再根据计算结果，可得高次滤波支路的阻抗以及SVC系统总阻抗特性如图3所示。

从图3的阻抗特性曲线可以明显看出高次滤波支路在4、5和7次谐波处呈现低阻抗，具有明显的谐波抑制效果。从SVC系统的总阻抗特性曲线上可以看出SVC系统在2、3、4、5次和7次谐波处呈现低阻抗，而且在3次和4次之间、4次和5次之间出现尖峰，会造成该尖峰处对应的谐波电流被放大。

图3 高次滤波支路阻抗以及SVC系统总阻抗特性

当电炉SVC系统正常运行时，高次滤波支路发生故障，断路器C2动作，将4、5、7次次支路从SVC系统中切除。由于滤波支路吸收容性无功功率，它的切除会使系统的无功功率发生变化，而系统总的无功功率性质是容性还是感性，决定于负载的无功功率情况。

图4 断路器C2动作前后系统总阻抗特征曲线对比

在图4中，曲线①和②分别表示断路器C2动作前、后的系统总阻抗特征。可以看出两者差别很大，主要表现在由于高次滤波支路的切除，在4、5、7次谐波处的系统阻抗值增加，滤波效果明显变差。同时在3、4次谐波之间和4、5次谐波之间的阻抗尖峰有效地得到了消除。母线电压电流的谐波含量增加，特别是4、5、7次谐波。

5 支路暂态仿真分析

为验证前述理论分析，可对系统进行仿真实验并对结果进行分析。SVC系统的仿真分析，包括以下三个部分：系统母线电压的分析、系统母线电流的分析和功率因数情况的分析。

在负载是直流电弧炉时，0.4 s时断路器C2发生动作，切除4、5、7次滤波支路。图5是C2动作前后母线电流频谱对比。从分析图可以看出，4、5、7次滤波支路切除以后，系统母线电流的幅值由1392 A增加到1656 A，增加了大约20%。系统母线电流的5次和7次谐波以及更高次谐波的谐波含量明显增加，这是由于4、5、7次滤波支路的作用是滤除4、5和7次谐波以及高次谐波。一旦切除4、5、7次滤波支路，则母线电流中的4、5和7次谐波以及高次谐波无法滤除，导致母线电流谐波含量增加。

C2动作前后母线电压频谱分析对比如图6所示。从对比可知，4、5、7次滤波支路切除以后，系统母线电压的幅值变化不大，由26.86 kV减小到25.44 kV，减小大约5.3%。母线电压的4、5、7次谐波以及高次谐波的含量明显增加。

图5 C2动作前后33 kV母线电流频谱对比

图7 为SVC系统功率因数变化曲线。系统功率因数在0.4 s以前一直保持在接近1。0.4 s以后，功率因数突然下降为0.8。

图6 C2动作前后33 kV母线电压频谱对比

图7 SVC系统功率因数变化曲线

综上所述，SVC系统在运行过程中切除4、5、7次滤波支路后，母线电流谐波含量会出现明显增加，电压谐波含量也会增加，系统功率因数明显下降。所以4、5、7次滤波支路的切除对母线电压和电流以及系统功率因数都会造成影响。

6 结论

从系统特性入手，可对宝钢电炉SVC系统进行系统暂态仿真分析。暂态分析主要是分析当SVC系统中高次滤波支路故障时SVC系统的运行情况。最后的暂态分析结果表明：由于4、5、7次滤波支路的切除，在4、5、7次谐波处的系统阻抗值增加，滤波效果明显变差。同时在3次、4次之间、4次、5次之间和5次、6次之间的阻抗尖峰有效得到了消除。母线电压电流的谐波含量特别是4、5、7次谐波增加。同时对33 kV母线系统功率因数也会造成影响。

[1]张定华，桂卫华，王卫安，刘连根.大型电弧炉无功补偿与谐波抑制的综合补偿系统[J].电网技术，2008，32(12)：23-29.

[2]胡立强，晁勤，吐尔逊.静止无功补偿器在电力系统无功补偿中的仿真[J].低压电器，2007，(19)：39-42.

[3]方忠民，赵延明.基于SVC的电弧炉谐波抑制研究[J].中国仪器仪表，2008，(2)：62-65.

[4]陈恺，王如玫.电力系统谐波治理与有源滤波器[J].华东电力，2008，36(8)：55-58.

Transient State Analysis of Harmonic Branch Impedance of Electric Furnace SVC system

QIAN Feng，GU Jianjun
(Engineering Management Department,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

Based on the topology principle of the electric furnace SVC(static var compensator)system,the transient theory of the system is analyzed.The impedance character of the system is emphasized.The simulation verification experiments are made.The results show that variation of harmonic wave branch of the system would make an impact on the bus voltage,current and power factor of the system.

SVC;impedance;harmonic wave;reactive power

TM714.3

B

1006-6764(2013)07-0004-03

2013-03-06

钱峰（1966-），男，毕业于电力系统及自动化专业，工商管理硕士，电气高级工程师，现从事工程技术管理工作。