针对直流电弧炉的无功补偿系统的制作方法

本实用新型涉及无功补偿技术领域，特别涉及一种针对直流电弧炉的无功补偿系统。

背景技术：

在传统区域电网中，一般采用分级投切电容器组的方式来补偿系统的无功功率，改善功率因数，但是这种方式只能向系统提供容性无功，并且不能随负载的变化而实现快速精确调节，在保证母线功率因数的同时，容易造成向系统倒送无功，抬高母线电压，危害用电设备及系统的稳定性。

高钛渣生产采用的是直流电弧炉技术，直流电弧炉是一种特殊的冲击型非线性负荷，接入电网会导致电网高次谐波、无功冲击、电压波动和闪变、三相电压及电流不平衡、功率因素低等不利影响；同时，直流电弧炉在工作时电极处于短路状态，不但消耗大量的无功功率，且因电弧不稳定，其所消耗的无功功率波动也很大，同时产生了大量的谐波。

大量谐波的存在会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等，特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流，使得配电变压器的零序电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等；引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电压互感器等设备损坏；造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容量；造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量；增大附加磁场的干扰等。

技术实现要素：

本实用新型的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种针对直流电弧炉的无功补偿系统，不仅能够对直流电弧炉所产生的无功功率进行实时精确地补偿，而且能够消除直流电弧炉产生的各次谐波，避免了由于直流电弧炉的接入而对电网的安全性、稳定性和可靠性造成的不利影响。

为达到上述目的，本实用新型一方面提出的一种针对直流电弧炉的无功补偿系统，包括：用于产生第一容性无功功率的多个第一滤波装置，所述多个第一滤波装置中的每个第一滤波装置分别连接到第一电压等级的专用母线；用于产生第二容性无功功率的多个第二滤波装置，所述多个第二滤波装置中的每个第二滤波装置分别连接到第二电压等级的专用母线，所述第二电压等级的电压小于所述第一电压等级的电压；用于产生第一感性无功功率的TCR补偿装置，所述TCR补偿装置连接到所述第二电压等级的专用母线；控制装置，所述控制装置通过调节所述TCR补偿装置产生的第一感性无功功率以使所述第一容性无功功率与所述第二容性无功功率之和抵消所述直流电弧炉产生的第二感性无功功率。

根据本实用新型提出的针对直流电弧炉的无功补偿系统，控制装置通过调节TCR补偿装置产生的第一感性无功功率以使多个第一滤波装置产生的第一容性无功功率与多个第二滤波装置产生的第二容性无功功率之和抵消直流电弧炉产生的第二感性无功功率，从而在直流电弧炉产生的第二感性无功功率发生变化时，控制装置调节TCR补偿装置产生的第一感性无功功率跟随变化，实时精确地进行无功补偿，动态维持系统的无功平衡。因此，本实用新型的针对直流电弧炉的无功补偿系统可以快速精确地进行无功功率补偿，避免了直流电弧炉接入电网产生的无功冲击、电压波动和闪变、三相电压及电流不平衡、功率因素低等不利影响，并在稳定母线电压，提高功率因数的同时，彻底、方便地解决了无功倒送问题。另外，多个第一滤波装置和多个第二滤波装置不仅能够对直流电弧炉所产生的无功功率进行补偿，而且能够消除直流电弧炉接入电网产生的各次谐波，避免了由于大量谐波的产生而对电网的安全性、稳定性和可靠性造成的不利影响。

其中，所述的针对直流电弧炉的无功补偿系统还包括将所述第一电压等级变换为所述第二电压等级的补偿变压器。

并且，所述第一电压等级的电压为110kV，所述第二电压等级的电压为35kV。

具体地，所述多个第一滤波装置包括6.5次滤波装置、8次滤波装置、10次滤波装置和11次滤波装置。

并且，所述多个第二滤波装置包括3次滤波装置、5次滤波装置和7次滤波装置。

此外，所述TCR补偿装置包括：反向并联的第一晶闸管和第二晶闸管；电抗器，所述电抗器与所述反向并联的第一晶闸管和第二晶闸管串联。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本实用新型一个实施例的针对直流电弧炉的无功补偿系统的电路图；

图2为根据本实用新型实施例的针对直流电弧炉的无功补偿系统的无功补偿原理图；以及

图3为根据本实用新型一个实施例的TCR补偿装置的单相电路结构图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参照附图来描述根据本实用新型实施例提出的针对直流电弧炉的无功补偿系统。

图1为根据本实用新型一个实施例的针对直流电弧炉的无功补偿系统的电路图。如图1所示，该针对直流电弧炉的无功补偿系统包括：多个第一滤波装置10、多个第二滤波装置20、TCR(Thyristor Controlled Reactor，晶闸管控制电抗器)补偿装置30以及控制装置(图中未具体示出)。

其中，多个第一滤波装置10用于产生第一容性无功功率，多个第一滤波装置10中的每个第一滤波装置分别连接到第一电压等级的专用母线。多个第二滤波装置20用于产生第二容性无功功率，多个第二滤波装置20中的每个第二滤波装置分别连接到第二电压等级的专用母线，第二电压等级的电压小于第一电压等级的电压。TCR补偿装置30用于产生第一感性无功功率，TCR补偿装置30连接到第二电压等级的专用母线。控制装置通过调节TCR补偿装置30产生的第一感性无功功率以使第一容性无功功率与第二容性无功功率之和抵消直流电弧炉产生的第二感性无功功率。

根据本实用新型的一个实施例，如图1所示，多个第一滤波装置10包括6.5次滤波装置101、8次滤波装置102、10次滤波装置103和11次滤波装置104。

并且，多个第二滤波装置20包括3次滤波装置201、5次滤波装置202和7次滤波装置203。

优选地，多个第一滤波装置10和多个第二滤波装置20可以为滤波电容器，除了可以提供一定的无功功率外，还能够滤除相应次数以及在这几次谐波范围内的谐波，成功的抑制电压波动及闪变，稳定电压，消除三相不平衡。

对于本实用新型的无功补偿系统来说，主要通过如下技术方案来抵消直流电弧炉产生的第二感性无功功率，使得直流电弧炉的无功功率为0。

假设Q_S为总无功功率，Q_F为直流电弧炉产生的第二感性无功功率，Q_L为TCR补偿装置30产生的第一感性无功功率，Q_C为滤波装置产生的容性无功功率，即第一容性无功功率与第二容性无功功率之和，具体而言，滤波装置的产生的容性无功功率Q_C包括6.5次滤波装置101、8次滤波装置102、10次滤波装置103、11次滤波装置104、3次滤波装置201、5次滤波装置202和7次滤波装置203产生的容性无功功率之和。

一般情况下，如图2所示，滤波装置产生的容性无功功率Q_C大于直流电弧炉产生的第二感性无功功率Q_F，多余的容性无功功率由TCR补偿装置30产生的第一感性无功功率Q_L来平衡，最终保证总无功功率Q_S近似为0，如下述公式(1)所示：

Q_S＝Q_F+Q_L-Q_C＝常数＝0 (1)

因此，该补偿原理不仅能够抵消直流电弧炉产生的第二感性无功功率Q_F，而且能够防止无功功率出现倒送的现象。

根据本实用新型的一个实施例，如图3所示，TCR补偿装置30包括反向并联的第一晶闸管T1和第二晶闸管T2以及电抗器L。其中，电抗器L与反向并联的第一晶闸管T1和第二晶闸管T2串联。

具体地，第一晶闸管T1和第二晶闸管T2将在第二电压等级的专用母线U2的正负半周轮流工作。假设第一晶闸管T1的控制角在90°到180°之间时，第一晶闸管T1受控导通，当控制角为90°时第一晶闸管T1完全导通，当控制角为180°时第一晶闸管T1完全截止。因此，在第二电压等级的专用母线U2基本不变的前提下，如果增大第一晶闸管T1或第二晶闸管T2的控制角，则流过电抗器L的电流I减小，TCR补偿装置30输出的第一感性无功功率也随之减小；如果减小第一晶闸管T1或第二晶闸管T2的控制角，则流过电抗器L的电流I增大，TCR补偿装置30输出的第一感性无功功率也随之增大。从而通过控制第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的控制角来控制TCR补偿装置30输出的第一感性无功功率的大小。

并且，根据本实用新型的一个实施例，控制装置包括控制柜和脉冲柜，其中，控制柜实时采集第一、第二电压等级的专用母线的电压、电流信号，经过计算处理后发出触发脉冲，然后由脉冲柜将触发脉冲转换为符合要求的脉冲信号以触发第一晶闸管T1或第二晶闸管T2导通，同时，控制柜实时监测第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的运行情况，通过对第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的控制来保证电抗器L流过预期的电流I，从而可以快速精确地进行无功功率补偿，避免了直流电弧炉接入电网产生的无功冲击、电压波动和闪变、三相电压及电流不平衡、功率因素低等不利影响。

对于无功补偿系统来说，当滤波装置产生的容性无功功率Q_C大于直流电弧炉产生的第二感性无功功率Q_F时，通过控制第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的控制角来调节TCR补偿装置30的电流I，从而改变第一感性无功功率Q_L以实时抵消多余的容性无功功率，动态维持系统的无功功率的平衡，实现快速精准调节，使无功补偿系统在稳定母线电压，提高功率因数的同时，彻底、方便地解决了无功倒送问题。

其中，针对直流电弧炉三相不平衡负荷，TCR补偿装置30采用分相调节，其分相调节理论基础为STEINMETZ(斯坦米兹)理论，在此理论指导下，该无功补偿系统能够将负荷补偿为纯有功的三相平衡系统。

此外，根据本实用新型的一个实施例，如图1所示，上述的针对直流电弧炉的无功补偿系统还包括将第一电压等级变换为第二电压等级的补偿变压器40。

并且，第一电压等级的电压为110kV，第二电压等级的电压为35kV。

根据本实用新型的一个实施例，如图1所示，由于供电电网电压等级为110kV，本实用新型的无功补偿系统主要用来补偿110kV母线上的无功功率及谐波治理。其中，6.5次滤波装置、8次滤波装置、10次滤波装置和11次滤波装置采用的是110kV的电压等级，3次滤波装置、5次滤波装置和7次滤波装置采用的是35kV电压等级，另外，考虑到晶闸管元件的电压等级，此无功补偿系统中的TCR补偿装置30采用的也是35kV电压等级，当无功补偿系统运行时，由补偿变压器40将110kV电压等级降为35kV电压等级供无功补偿系统中35kV电压等级的设备使用。

当直流电弧炉正式开炉运行后，根据直流电弧炉的运行工况及110kV进线无功功率及功率因数的大小决定投运无功补偿系统的时间。在实际生产中，当直流电弧炉运行负荷较低时，选择投入该无功补偿系统中6.5次滤波装置101、8次滤波装置102、10次滤波装置103和11次滤波装置104，就能确保进线功率因数达标，各次谐波及电压闪变都在标准范围内；当直流电弧炉满负荷运行时，该无功补偿系统中的6.5次滤波装置101、8次滤波装置102、10次滤波装置103和11次滤波装置104以及3次滤波装置201、5次滤波装置202和7次滤波装置203全部投运能确保进线功率因数达标，各次谐波及电压闪变都在标准范围内。在操作过程中除按操作规程操作外，还应遵守滤波设备低次不投，高次不能投的原则。

综上所述，根据本实用新型提出的针对直流电弧炉的无功补偿系统，控制装置通过调节TCR补偿装置产生的第一感性无功功率以使多个第一滤波装置产生的第一容性无功功率与多个第二滤波装置产生的第二容性无功功率之和抵消直流电弧炉产生的第二感性无功功率，从而在直流电弧炉产生的第二感性无功功率发生变化时，控制装置调节TCR补偿装置产生的第一感性无功功率跟随变化，实时精确地进行无功补偿，动态维持系统的无功平衡。因此，本实用新型的针对直流电弧炉的无功补偿系统可以快速精确地进行无功功率补偿，避免了直流电弧炉接入电网产生的无功冲击、电压波动和闪变、三相电压及电流不平衡、功率因素低等不利影响，并在稳定母线电压，提高功率因数的同时，彻底、方便地解决了无功倒送问题。另外，多个第一滤波装置和多个第二滤波装置不仅能够对直流电弧炉所产生的无功功率进行补偿，而且能够消除直流电弧炉接入电网产生的各次谐波，避免了由于大量谐波的产生而对电网的安全性、稳定性和可靠性造成的不利影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。