SVC抑制电压波动的效果研究

张家祥，刘素芳

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)



SVC抑制电压波动的效果研究

张家祥，刘素芳

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)

电压波动是常见的电能质量问题之一，会给电力系统带来很多负面影响，严重干扰电力系统的安全稳定运行。电弧炉作为大功率非线性负荷，在工作过程中会产生严重的电压波动，为了防止这种波动影响电力系统中的其他负荷，常采用静止无功补偿装置(SVC)来抑制这种波动。通过对某钢铁公司70 t电弧炉冶炼过程中的电压波形进行分析，论证了SVC对电压波动有良好的抑制效果。

电压波动；电能质量；电弧炉；静止无功补偿装置

随着自动化水平的提高，大量的非线性和冲击性负荷投入使用，极大地改变了电能质量的状况。这些非线性负荷包括电弧炉、轧钢机、整流设备、电力机车、电焊机等，它们能够极大地影响电压的波形和相位，我们把这种影响笼统地称为干扰。在严重的情况下，这些干扰有可能进入上一级输电线路，从而影响邻近的用电设备。这些干扰集中体现在电压的幅值变化上，也即电压波动[1]。此外，大功率的冲击负荷投入电力系统或者从电力系统中切除，也会对电压幅值产生影响[2]。

1 电压波动的危害

电压波动是常见的电能质量问题之一，如果波动幅值超过了允许范围，就会使电力网络和用电设备在偏离正常值的电压下运行。这种运行很不经济，同时又存在安全隐患。超标的电压波动产生的危害包括以下几个方面：

(1)使生产机械不能正常工作。比较常见的例子是轧钢机。如果轧机的供电电压不稳定，就会造成轧机辊子运转速度和压力不稳定，从而使轧制的工件厚薄不一，不能达到工艺要求而报废。

(2)引起灯光闪烁。当电压波动幅度大于5%时，照明设备就会出现明显的闪烁，轻者造成人体不适，重者严重影响到人们的生活和工作[3]。

(3)使家用电器不能正常工作或烧坏。任何家用电器设备都必须在规定的电压变动范围内才能正常工作，电压偏低或偏高都会造成严重后果。例如：电压过低会造成白炽灯灯光昏暗，荧光灯不能正常启动，空调制冷功率不足甚至由于电压低无法启动而烧坏；反之，电压过高极易击穿用电设备的绝缘或引起电量过大而烧坏用电设备。

(4)使数字显示设备图像跳跃和畸变。这在电视机中的表现尤其明显。电压变动会引起电视机图像跳跃或闪烁，影响正常观看。

(5)使一些换相设备、整流设备不能正常工作。

(6)对精密仪器的影响尤其明显。

2 电压波动的产生机理和抑制方法

网络电压计算方法为

(1)

式中，U1为电源电压，U2为变电所母线电压，P为有功功率，Q为无功功率，R为输电线路电阻，X为输电线路电抗。

我们常说的电压是指变电所母线电压，即U2。定义电压变化百分比作为衡量电压波动幅度的指标，其公式为

(2)

式中，ΔP为待评价母线上有功功率变化，ΔQ为待评价母线上无功功率变化量，R为待评价母线上等值电阻，X为待评价母线上等值电抗，UN为待评价母线额定电压。

要使用户电压保持稳定，电压降落纵分量ΔU越小越好。在式(2)中，线路额定电压UN、输电线路电阻R、输电线路电抗X均是定值。由此可见，有功功率P和无功功率Q是影响电压降落(或产生电压波动)的关键因素。

对于10 kV以上的高、中压系统，由于X≫R，所以式(2)可以近似等效为

(3)

式中,SK为待评价母线上三相系统的短路容量。

式(3)表明，在电网短路容量不变的情况下，电压闪变的主要影响因素是无功功率。正常情况下，电力系统中的无功功率主要表现为感性无功功率。减少感性无功功率的常用方法是向电力系统补偿容性无功功率，以抵消部分感性无功功率。基于此原理，人们制造了无功补偿装置来减少电力系统中的感性无功功率。

目前常见的无功补偿装置(SVC、APF、DVR)都有抑制电压波动的作用，根据使用场合和要求，用户可以自己选择相应的设备。本文重点分析静止无功补偿装置——SVC对电压波动和闪变的抑制效果。

3 SVC抑制电压波动的实际效果研究

3.1 供电系统简介

图1是某钢铁公司70 t电弧炉接线图，由于炼钢电弧炉是一级负荷，所以采用双电源供电，分别为220 kVⅠ段和220 kVⅡ段。其中220 kVⅠ段为工作母线，220 kVⅡ段为备用母线。2个总降变采用220/35 kV降压变压器。35 kV母线下带3个车间变，分别为车间变1、车间变2、车间变3。各车间变都安装了一套静止无功补偿装置，与车间变构成并联关系。

3.2 测试说明

本次测试使用的电压信号采集仪的精度等级如表1所示。

图1 某钢铁公司电弧炉车间供电系统

表1 采集仪参数

本次测试的时间为:2015年6月24日上午11:36至2015年6月25日上午5:35(未投入无功补偿装置)；2015年6月25日上午08:45至2015年6月25日上午8:51(投入无功补偿装置)。对采集的数据进行分析和处理后，依照《GB/T 12326—2008电能质量电压波动和闪变》的相关规定进行评估。此处所采用的无功补偿装置主要是SVC[4]。由于A、B、C三相电压的波动趋势相似，所以这里只分析A相电压的波动情况。

3.3 35 kV母线电压波动分析

3.3.1 未投入SVC时的电压波动分析(表2、图2)

表2 A相电压波动次数评估

图2 A相电压波动趋势

3.3.2 投入SVC时的电压波动分析(表3、图3)

表3 A相电压波动次数评估

图3 A相电压波动趋势

3.4 35kV母线电压波动抑制效果对比

SVC对35kV母线上A相电压波动的抑制效果见表4。

从表4可以看出，无功补偿装置投入前各次电压波动均超标,投入后电压波动均未超标。可见，无功补偿装置有效抑制了电压波动。

无功补偿装置投入前大于1%、1.5%、2.5%、3%的变动次数分别为19 782次、12 783次、2 756次、3 373次，无功补偿装置投入后对应的变动次数减少至1次、0次、0次、0次，均有很大程度的减小或消除。此外，无功补偿装置的投入没有引入新的电压波动。

表4 无功补偿装置投入前后A相电压波动变化情况

通过分析无功补偿装置投入前后35 kV母线A相电压的变动情况可以看出，无功补偿装置可以有效抑制各次电压变动。无功补偿装置在抑制大幅度电压波动方面的效果优于抑制小幅度电压波动，对变动幅度大于1.5%的电压变动，甚至可以完全消除。B、C两相电压的波动情况与此类似。

4 结论

电压波动能给电力系统带来很大的负面影响，有效抑制电压波动是消除负面影响的重要手段。本文在分析过程中所使用的数据均来自电弧炉冶炼的现场，具有较强的说服力。

为了证实静止无功补偿装置(SVC)可以有效抑制电压波动，我们对同一测试点的电压波形信号进行了两次采集，第一次是在不投入无功补偿装置的情况下进行，第二次是在投入无功补偿装置的情况下进行。通过对两组数据进行对比分析，发现无功补偿装置对抑制电压波动具有良好的效果[5]，这为有效治理电压波动带来的电能质量问题提供了借鉴和参考。

[1]Mahinda Vilathgamuwa,A.A.D. Ranjith Perera, S. S. Choi Performance improvement of the dynamic voltage restorer with close-loop load voltage and current-mode control[J].IEEE transactions on power electronics,2002,17(5):824-834.

[2]林海雪.现代电能质量的基本问题[J].电网技术，2001,25(10)：5-12.

[3]翁利民，陈允平，舒立平．大型炼钢电弧炉对电网及自身的影响和抑制方案[J]．电网技术，2004，28(2)：64-67．

[4]吴杰．大型电弧炼钢炉SVC方案设计及其实际效果[J]．电网技术，2003，27(1)：76-79．[5]同向前．电弧炉的电压闪变[J].工业加热，1996(2)：40-43.

[责任编辑：赵 伟]

Researching on the Effect of SVC on Reducing the Voltage Fluctuation

ZHANG Jiaxiang，LIU Sufang

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, ZhengZhou 450052, China)

Voltage fluctuation is one of the common power quality problems, which may bring many negative effects to the power system and seriously affects the safety and stable operation of power system. As a large power nonlinear load, the arc furnace can produce severe voltage fluctuations in the work process. In order to prevent the voltage fluctuation caused by electric arc furnace, the static var compensator (SVC) is used to restrain the voltage fluctuation. In this paper, the voltage waveform of the 70t arc furnace in smelting process is analyzed, which demonstrates the good effect of SVC in restraining the voltage fluctuation.

voltage fluctuation; power quality; arc furnace; static varcompensator

2015 - 10 - 14

张家祥(1979—)，男，河南周口人，郑州铁路职业技术学院讲师，研究方向为电气工程。 刘素芳(1972—)，女，河南郑州人，郑州铁路职业技术学院电子工程系副教授，硕士，研究方向为电子信息技术。

TM771

A

1008-6811(2016)03-0009-03