铁合金电炉功率因数补偿装置设计

铁合金电炉功率因数补偿装置设计

【摘要】目前在国内冶炼行业，铁合金电炉的功率因数普遍比较低，对铁合金电炉进行功率补偿是十分必要的。铁合金电炉工作在140V左右的低电压下，并且电极电流高达几万安培，要对这么大的电流进行无功补偿，不仅存在许多接触工艺上的困难，还给控制上提出许多难题，开发出适合铁合金电炉的低压无功补偿智能控制装置，可提高功率因数，降低电耗，其社会效益和经济效益是非常显著的。本文先介绍了无功补偿设备的发展现状，各种无功补偿设备的性能比较。然后又对TSC无功补偿方式的原理进行了较详细的论述，包括基本概念，补偿原理和补偿作用等。

【关键词】低压无功补偿；过零型固态继电器；铁合金电炉。

1铁合金电炉概论

铁合金电炉概论占铁合金总产量90%以上的硅铁、铬铁、锰铁等铁合金主导产品从钨铁、钒铁等特殊铁合金产品都是用电炉冶炼的。电炉使用电这种最清洁的能源。其他能源如煤、焦炭、油、天然气等都不可避免地将伴生的杂质元素带入冶金过程。

1.1无功补的产生

无功功率的产生在工业和生活用电负载中，阻感负载占了很大比例，异步电动机、变压器、等都是典型的阻感负载，所消耗的无功功率，在电力系统占有很高的比例。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。

1.2无功补偿的目的

无功补偿的目的、无功功率对供电系统和负荷的运行是十分重要的。系统，大多数负载也需要消耗无功功率。这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

无功补偿的作用主要有以下几点：（1）提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量，还可以改善输电线系统的稳定性。（3）在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿，可以平衡三相的有功及无功负载

2无功补偿的发展现状

所谓无功功率补偿，是指在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备，以供给感性负荷消耗的部分无功功率，减少电网电源向感性负荷提供的、由输电

线路输送的无功功率，从而减少了无功功率在电网中的流动。在长距离输电中选择合适的地点设置无功动态补偿装置，改善电网稳定性能，提高输电能力。

电力系统每年都要投入较大资金用于功率补偿，功率因数己由上世纪80年代的0.6左右，提高到0.9以上，对降损节能起到了显著的作用，较大地提高了电力企业的效率。

提供无功功率有两条途径一是输电系统提供，二是补偿电容器提供。如果由输电系统传输无功功率，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，提高系统的传输功率。

当前，国内外广泛采用并联电容器作为无功补偿装置。并联电容器的成本较低。把并联电容器和同步调相机相比在调节效果相近的条件下，前者的费用要节省很多。

3静止无功补偿器概述

静止无功补偿器概述静止无功补偿器（以下简称SVC）是目前电力系统中应用最多、最为成熟的并联补偿设备，它也是一类较早得到应用的FACTS控制器。SVC包括与负荷并联的电抗器或电容器，或二者的组合，且具有可调/可控部分、两种形式。

电容器则通常包括与谐波滤波器电路结合成一体的固定的或机械投切的电容器，或在需对电容进行高速或非常频繁投切时所采用的晶闸管投切的电容器（TSC）等形式。

SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持在冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。有效抑制冲击性负荷引起的电压波动和闪变、高次谐波，提高功率因数，还可实现按各相的无功功率快速补偿调节实现三相无功功率平衡，使负荷处于稳定、可靠的运行状态。

SVC的几种类型一、固定电容-晶闸管控制电抗型无功补偿器（FC-TCRSVC）固定电容-晶闸管控制电抗型无功补偿的单相原理，其中电容支路为固定连接，TCR支路采用触发延迟控制，形成连续可控的感性电抗，通常TCR的容量大于FC的容量，以保证既能输出容性无功也能输出感性无功。

实际常用一个滤波网络（LC或LCR）来取代单纯的电容支路，滤波网络在基频下等效为容性阻抗，产生需要的容性无功功率，而在特定的频段内表现为低阻抗，从而能对TCR产生的谐波分量起滤波作用。FC-TCR型SVC的单相结构FC-TCR型SVC总的无功输出（以吸收感性无功功率为正）为TCR支路和FC支路的无功输出之和，即Q=QL-QC。

无功输出与需求之间的关系曲线，纵坐标为无功输出，横坐标为无功需求，最下面的平行线表示FC输出的容性无功（假设输入电压有效值不变），最上面

的斜线表示的TCR的无功输出，中间的斜线是FC-TCR的合成输出。当需要最大的容性无功输出时，将TCR支路“断开”即触发延迟角a=90°，逐渐减小触发延迟角a，则TCR输出的感性无功增加，从而实现从容性到感性无功功率的平滑调节。在零无功输出点上，FC输出的容性无功和的感性正好抵消，进一步减少，则输出的感性无功超过输出的容性无功，整个装置输出净感性无功，当a=0°时，TCR支路全导通，装置输出的感性无功最大。

晶闸管投切电容-晶闸管控制电抗型无功补偿器（TSC-TCRSVC）TSC型SVC装置不产生谐波，晶闸管投切电容-晶闸管控制电抗型无功补偿器可以克服上述两者的缺点，与FC-TCR型SVC比较，具备更好的运行灵活性，并有利于减少损耗。

根据装置容量、谐波影响、晶闸管阀参数、成本等而由n条TSC支路（或者容性滤波器支路）和m条TCR支路构成，式中n=2，m=1。各TSC、TCR参数一致，通常TCR支路的容量稍大于TSC支路的容量。TSC-TCR型SVC的单相原理图在额定电压下，TSC-TCR型SVC在所有TSC支路投入而TCR支路断开时，输出最大的容性无功功率QCmax；在所有的TSC支路断开而TCR支路投入（a=0）时，输出最大的感性无功功率QLmax；当要求装置输出容性无功，且Q4本文的主要设计任务

（1）对低压无功补偿装置的控制策略进行研究，采用以无功功率作为主要的投切判据，以电网电压作为辅助判据的综合控制策略，解决以往投切判据中轻载时产生投切振荡而重载时补偿不充分的问题。

（2）在分析现有的各种无功补偿技术特点的基础上，进行低压动态无功补偿的理论研究，在实验室进行模拟实验和调试，检验装置的性能。

5小结

本文以铁合金电炉的自动无功补偿控制为课题、与软件的开发。本研究中的投切开关采用过零型固态继电器SSR（SolidstateRelay），SSR内部的过零检测电路能够保证其内部的双向晶闸管在两端电压过零时触发，避免了由于电容器残压过高而造成的巨大冲击电流，从而在硬件电路上实现电容器组的无过渡过程投切。本设计为解决现存无功自动控制器所存在的不足，进行了大量试验，在软件上进行了一些改进，提高了补偿精度和快速性，实现了循环投切。