STATCOM的常见应用场景

电弧炉是工业生产中最常见的冲击性负荷之一，它是引起电压闪变的主要原因。这里对STATCOM在电弧炉中的应用进行详细介绍。

闪变改善率：电弧炉是中等功率的随机性非线性负荷，作为冲击负荷的电弧炉所产生的谐波电流会在电力系统中相邻节点引起谐波电压；更为严重的是，电弧炉负荷突变所导致的基频电流幅值的急剧变化，还将导致邻近节点电压基频分量的脉动，进而引起白炽灯照度的快速变化——闪变，并对电子设备造成干扰。特别是，处于熔化期时的交流电弧炉，对于电力系统而言更是一种变化剧烈、三相严重不平衡（负序电流可以高达正弦电流的70%），且功率因数极低（电极短路时为0.1～0.2）的负荷。电弧炉所引起的巨大且不稳定的无功电流会在交流线路阻抗上造成压降和显著的电压波动；而其中5～12Hz的电压波动，即使仅为1%，也会引起使人难以忍受的白炽灯照明的闪烁，并对其他用电设备造成干扰。而由于电弧炉炼钢在经济上的优势，近年来不管国内还是国外，电弧炉的炼钢量均在稳步上升；特别是采用大型（如耗电在100MW以上）电弧炉更成为一种趋势，所以对于电弧炉闪变的抑制越来越成为一个不可忽视的问题。图5-38给出了一个典型的电弧炉的伏安特性和幅频特性，为了使这种效应减到最小，必须采取措施，使电压的脉动保持在一定的限值之下。

图5-38 电弧炉电流-电压特性曲线和幅频特性

a）电流-电压特性 b）幅频特性

早在20世纪50年代末，技术人员就开始尝试利用饱和电抗器来抑制闪变；而随着电力电子技术的发展，到了70年代基于晶闸管的TCR和TSC就开始用于抑制电弧炉的闪变。随着基于电压源逆变器的STATCOM与有源滤波器的发展，由于其响应速度快，同时可以对电弧炉运行中所引起的波动的有功功率进行补偿，所以在电弧炉的闪变抑制中具有较为明显的优势，所以得到日益广泛的重视。

并联补偿器进行闪变补偿的基本原理就是，使电弧炉和补偿装置所吸收的无功功率（电流）之和尽可能小，如图5-39所示，从而使系统中邻近节点的电压脉动降到最小，达到抑制闪变的目的。但由于电弧炉的工作电流往往急剧变化，而闪变抑制的效果与补偿装置的容量大小和响应速度直接相关，下面进行深入地讨论。

图5-39 SVC补偿原理

在分析电弧炉的无功功率波动时，通常假设电弧炉的无功功率波动是由单一调制频率分量造成的，即

式中，为电弧炉无功功率波动的幅值；ω_m为无功功率波动的角频率。

而补偿器输出的无功功率也应是一个与无功功率波动频率相同的正弦波，但是由于补偿器响应时间不可避免地存在延时，所以补偿器输出的无功功率为

式中，K_c为补偿度，即补偿器输出的无功功率和电弧炉无功功率的幅值之比；γ为补偿器输出无功功率的时延角。

图5-40 单一调制频率时补偿电量间的关系

（左）ΔQ_L、Q_c和ΔQ_c之间矢量关系；（右）当K_c=1.0、0.8、0.6、0.4、0.2时，闪变抑制比F_c与延迟角γ间的函数关系

补偿后剩余无功功率ΔQ_c（t）由如图5-40，由斜三角形的余弦定理得到：

各电量的关系如图5-40所示。图中γ=ω_mτ为补偿的延迟角。由此可以得到，闪变的抑制比（即补偿前最大的无功功率脉动的幅值是补偿后脉动幅值的倍数）F_c为

假定以理想状态即脉动的无功功率为单一频率（如10Hz）的正弦进行分析，则当响应时延为4ms（相当于γ/2π=10τ=0.04）、K_c=1.0时，闪变抑制比≈4。如果响应时延为10ms，对应图5-40中γ/2π=0.1，由K_c=1.0曲线可以查到闪变抑制比将降低到1.62左右；而对于K_c=0.5，补偿器时延10ms时，闪变抑制比则降低为1.5左右，没有明显的变化，说明当补偿器时延达到10ms以上时，容量的变化对于闪变抑制比的影响很小。实际上，当γ＞60°（即γ/2π＞1/6）或补偿器时延大于17ms时（对于10Hz的调制频率），闪变抑制比将小于1，即补偿器的引入只会使闪变更为严重。而同样为K_c=0.5时，如补偿器时延缩短为4ms，闪变抑制比则为1.89，大体相当于K_c=1.0时的一半。

通常对闪变抑制的典型要求是闪变抑制比大于4，这意味着当补偿度为1时，为了达到上述标准就要求补偿器时延必须小于4ms。上述讨论可以看出，由于闪变补偿效果取决于补偿器的容量和其响应速度（γ=ω_mτ），因此设计中就需要进行一定程度的折中。换句话说，为了获得好的补偿效果，响应速度较低的补偿器，就需要适当加大补偿容量；反之，为了达到相同的补偿效果，响应速度快的补偿器就可以用较小的容量。这说明，如果利用STATCOM等基于全控器件的补偿装置，则由于其响应速度快，可望得到比采用SVC等相控原理的补偿器更好的补偿效果。而从另一个角度，为了达到与速度快的补偿器同样的补偿效果，SVC等响应速度慢的补偿器就需要采用更大的容量来弥补速度上的不足。近年来随着DFACT技术的发展，采用全控器件的补偿器被越来越多地应用于冲击负荷的补偿中。但由于上述计算方法是基于单一调制频率来定义的，所以对于原国标GB12326—1990中以ΔU₁₀作为标准时的闪变评估是较为有效的方法。但对于目前以短时间和长时间闪变值作为闪变指标的情况就不是十分适用，但是可以作为设计时的参考。

下面对采用新国标GB12326—2000后常用的两个关于闪变抑制效果的评价指标^[17]，进行简单地介绍。一个是所谓无功功率补偿率，定义为

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式中，为波动性负荷的最大无功功率变动量（Mvar）；为并联补偿器可控部分的无功功率额定值（Mvar），也称为补偿器的额定容量。

注意该定义与闪变抑制比的定义完全不同，首先它仅表明了补偿器可控范围和负荷无功功率波动之间的比例关系，而由于并没有涉及时延，所以不能对闪变的抑制效果进行评价。

另一个则是闪变改善率，定义为

式中，P_st为补偿前的短时闪变值；P_st′为补偿后的短时闪变值。

目前还不能由设计数据得到安装补偿器前的闪变值，所以只能依靠预测来估算P_st；而对于补偿后的值，在补偿器没有安装之前通常利用闪变允许值来进行计算。日本标准中则以补偿前后的10Hz电压闪变值ΔU₁₀的变化来计算。

图5-41 闪变改善率和无功功率补偿率及补偿器响应时间延迟的关系

图5-41给出并联补偿器响应时间对电弧炉闪变改善的影响^[15，17]。以TCR为例，由图可以看出，当补偿器响应时间为10ms，且补偿率为80%（即SVC的可控范围为最大无功波动量的80%）时，闪变改善率达50%左右。而如果补偿器响应时间大于10ms，则几乎不能有效地抑制闪变。实际上，在达到一定限度之后，即便进一步增加补偿器容量也不能提高补偿效果。这一点和前面式（5-97）给出的结论实际上是一致的。通常在估计补偿所需的容量时，如果已知线路阻抗，则可以根据电弧短路时的参数，换算到以10MVA作为基准条件下所需的最大补偿容量（Mvar）为

式中，X_s为电源电抗（Ω）；X_pt为供电变压器电抗（Ω）；X_ft为电弧炉变压器电抗（Ω）；X_f为电弧炉电抗（Ω）。

据此，补偿所需的并联补偿器容量（Mvar）可以表示为Q_c=F_bQ_max。如果将闪变改善率定为50%左右，则在控制器时延10ms时，根据图5-41所需的SVC容量可以近似为。

实际上并联补偿装置通过抑制PCC点的电压波动，对电弧炉产生的作用并不仅仅是抑制闪变，而会通过稳定电压给钢厂带来一系列综合效益，比如提高功率因数，降低能耗；提高有效功率，缩短冶炼时间，进而提高生产率；维持高效稳定的电弧，降低电极损耗和炉衬磨损。电弧炉运行限值与SVC的关系如图5-42所示。意大利NordSpA钢厂的测试结果表明，SVC的采用可以使有效功率提高6%～7%，每吨钢节约电极和降低能耗均达2%～3%；说明并联无功补偿的确是提高钢厂电能质量和降损节能的一个十分有效的重要手段。

图5-42 电弧炉运行限值与SVC关系

P—电弧炉有功功率 SVC—SVC接入后 U—电弧炉母线电压 ORI—无补偿时

图5-43给出采用SVC和基于电压源逆变器的补偿装置（如STATCOM）对闪变补偿性能的比较^[14]。

图5-43 闪变改善率和补偿器容量与装置的关系[14]

由于STATCOM可以进行容性和感性两个方向的补偿，所以可以控制的无功功率范围是设备调节容量的两倍。再加上响应速度的加快，通常采用SVC最大可能的改善率为65%，而STATCOM能提高到80%。但是其存在问题是，为了提高响应速度采用强迫关断和较高的开关频率，造成了开关损耗的加大，另外价格仍比较昂贵，所以限制了其大规模使用。目前，在两者之间并没有一个明确的选择标准，但一般认为直流电弧炉与同容量交流电弧炉相比，闪变仅为后者一半左右，并且整流器产生的谐波和无功功率需要补偿的场合，或需要对三相不平衡进行补偿的场合，采用SVC可能较为有利。而对于交流电弧炉而言，由于三相不平衡和电流波形畸变的起因均是闪变，为了达到高速补偿和提高改善率的目的，采用基于电压源逆变器的补偿装置为好。近年来更提出将两者构成混合补偿器，比如在原有的SVC补偿器上再并联STATCOM来实现最优的性价比。

作为本章的小结，表5-5给出了不同电能质量控制器的设计和选用原则，可供从事工业企业电能质量控制的技术人员作为参考。

表5-5 电能质量控制器的设计与选用原则^[18]

（续）