摘 要： 本文分析了电弧炉的运行特性和配电网静止同步无功补偿器 DSTATCOM 对电弧炉引起的电压波动的抑制原理，并介绍了 DSTATCOM 的应用情况。

1 电弧炉对电网的影响及解决措施

近年来，电炉炼钢技术发展迅速，电弧炉粗钢产量及其比例始终稳步增长。设备工艺和技术也在不断进步，目前正在向大容量化和超高功率化方向发展。然而，电弧炉是电力系统中一个典型的冲击性负荷，它的运行对电网的电能质量产生着严重的干扰。这既影响了其他用户的正常工作，也影响了电弧炉自身的工作效率，因此有必要采用各种手段减轻电弧炉对电网的影响。

电弧炉的工作过程可以分为熔化期、氧化期和还原期三个过程，前两个过程对电网的影响最大。总的来说，电弧炉对电网的影响主要有：

（ 1 ）电弧弧长的不规则变化导致无功与有功功率的急剧波动，使电网产生明显的电压波动和闪变；

（ 2 ）电弧电阻的非线性和瞬变性使电网电压和电流产生高次谐波；

（ 3 ）熔化期电极频繁短路和开路，电网电压产生严重的负序分量，使供电系统出现严重的三相不平衡。

针对电弧炉产生的以上问题，目前主要的解决途径有三个：第一、改善工艺流程，优化电弧炉设计参数；第二、改进供电设备；第三、采用无功补偿装置。后者是炼钢生产中使用最普遍，效果也最明显的解决方案。目前电弧炉的无功补偿设备主要是 SVC 和 DSTATCOM （ Distribution Static Synchronous Compensator ）。 SVC 出现较早，应用成熟，而 DSTATCOM 技术先进，比 SVC 补偿功能更优，效果更好，具有广阔的发展前景。

2 电弧炉的运行特性分析

图 1 是电弧炉供电系统单线图。图中， X S 为电弧炉连接点至系统的等值阻抗； X F 包括 ： 炉变前置电抗器、炉变、短网的电抗； R F 为电弧炉的等值电阻，它作随机变动； E S 为电源电势； U 为电弧炉端点的电压。由于电弧伏安曲线的非线性，会引起谐波电流，给计算分析工作带来一定的困难。为使计算分析方便，以下均忽略了谐波对计算方法的影响。

由此可知，若电弧炉正常运行于某点，则该点处的无功电流冲击量 为电极短路时的最大无功电流减去该点处的无功电流分量，该点处的无功功率冲击量 为电极短路时的最大无功功率减去该点处的无功功率。

3 利用DSTATCOM抑制电弧炉引起的电压波动

DSTATCOM 为配电网静止同步补偿器，其 本质 上 是一种基于全控型大功率换流器技术的电压源逆变器 (VSC ， Voltage Source Converter) 。在实际工程中，人们可以采取多种措施消除其输出电压中的谐波分量，此时可将它简单视为一个幅值、相位和频率均可任意调节的三相正弦交流电源。 DSTATCOM 通过联络电抗器或升压变压器与配电网连接，为便于分析，我们假设 DSTATCOM 通过纯电感与配网系统连接，见图 3 。其典型工况可描述如下：

在电弧炉供电系统中时， 即是电弧炉负荷引起的电网中无功功率波动值。由于 DSTATCOM 能够平滑、连续、双向地调节无功输出，并且响应速度 不超过 10ms ， 相 对 于 SVC 优势 明显 。自 20 世纪 90 年代以来， 国外 就已将 DSTATCOM 广泛地应 用于钢铁企业， 以 抑制电弧炉产生的电压波动 及闪变 ，提高供电系统的功率因数。图 4 是 电弧炉供电系统 DSTATCOM 装置 原理图。

4 应用情况

国外对静止同步补偿器的研究开展较早，上世纪八十年代主要开展理论研究，九十年代即已进入商业化应用阶段，初期主要用于高压输电网和变电站，随后在钢铁企业和电气化铁路等领域得到广泛应用。

日本在 1991 年研制出容量为± 80Mvar 的 STATCOM 装置，安装在关西电力系统所属的 154kV 犬山开关站并投入运行；美国在 1996 年研制出容量为± 100Mvar 的 STATCOM 装置，安装在田纳西电力局 (TVA) 所属的 500kV Sullivan 变电站。在中、低压配电网方面，美国电力科学研究院 (EPRI) 与西屋公司合作，于 1986 年研制出世界上第一台容量为± 1Mvar 的 DSTATCOM 装置，在纽约州投入示范运行；此后，他们又合作研制出另一台容量为± 2Mvar 用于 25kV 及以下电压等级的 DSTATCOM ； 90 年代初，西屋公司为德克萨斯州的一家钢铁企业制造了一台± 80Mavr 的 DSTATCOM ，用于解决该企业炼钢用电弧炉的无功补偿及抑制电压闪变等问题；在日本，自 1987 年以来，东芝公司已为多家炼钢厂制造了容量从± 5Mvar 至± 49.5Mvar 的 DSTATCOM 装置，用于电弧炉的无功补偿及电压闪变抑制。此外， DSTATCOM 在其他国家的炼钢企业也有广泛应用，如瑞典的 Uddeholm Tooling 钢铁公司于 1999 年在其配电系统安装了一套± 22Mvar 的 DSTATCOM ，有效的改善了其配电网的电能质量，取得了可观的经济效益。

5 结论

利用 DSTATCOM 对电弧炉进行动态无功补偿，可以使电弧炉回路构成柔性供电系统，既抑制电网电压波动，使接于同一电网的其他用电设备获得良好的供电质量，又能对炼钢过程起到稳压作用，提高电弧炉变压器的利用率，使熔化功率提高。同时， DSTATCOM 相对于 SVC 在无功特性、响应速度、体积等方面具有诸多优势，并且随着电力电子技术的发展，高压大容量可关断功率器件的价格呈下降趋势。毫无疑问， DSTACOM 的应用会更加普遍。

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作者简介： 袁愿（ 1981- ），男，硕士，工程师，主要从事电能质量治理、电力设备运行状态监测技术的研究与项目管理工作。