基于三相平衡的矿热炉无功补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及冶炼用矿热炉的二次低压无功补偿技术领域，具体涉及一种基于三相 平衡的矿热炉无功补偿方法。
【背景技术】
[0002] 矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉，主要由电源、变压器（炉变）、短网、炉膛及 其他各种电器设备组成。一般矿热炉的功率达几千千伏安，甚至达几万千伏安。由于矿热炉 是一个感性负载，它在工作时会消耗很大部分的无功功率。矿热炉的系统电抗的70%是由 短网系统产生的，而短网是一个大电流工作的系统，最大电流可以达到上万安培，因此短网 的性能决定了矿热炉的性能。由于这个原因，矿热炉的自然功率因数很难达到0.85以上， 绝大数的炉子的自然功率因数都在〇. 7-0. 8之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下 降，消耗大量的无功，而且还会被电力部门加收额外的电力罚款。同时由于三相短网布置不 对称和电极的人工控制以及堆料的工艺，导致三相间的电力不平衡加大，最高不平衡度可 以达到20%以上。传统的矿热炉无功补偿系统往往单一注重功率因数的补偿效果，而忽视 了三相不平衡度的补偿，因此并没有很好解决整个供电系统谐波含量大、三相功率不平衡 等电能质量问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于三相平衡的矿热炉无功补偿方法，该方法能很好 的解决矿热炉系统运行过程中二次侧三相电流不平衡的问题。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明公开的一种基于三相平衡的矿热炉无功补偿方法， 其特征在于，它包括如下步骤：
[0005] 步骤1:利用对称分量法，将矿热炉电极端负荷分作正序负荷和负序负荷两个部 分，相应的矿热炉电极端负荷三相导纳也分为两个部分，一部分三相导纳是平衡的，在正序 对称电压下仅产生三相正序电流；另一部分三相导纳是不平衡的，在正序对称电压下仅产 生三相负序电流；
[0006] 其中：三相正序电流ial、ibl、U由如下公式⑴求出；
[0007]
[0008] 三相负序电流ia2、ib2、ic2由如下公式（2)求出；
[0009]
[0010] 公式⑴中I1A矿热炉电极端负荷三相正序电流有效值，为矿热炉电极端负 荷三相正序电流相位，CO为正序对称电压角频率；公式（2)中I2f为矿热炉电极端负荷三相 负序电流有效值，为矿热炉电极端负荷三相负序电流相位，《为正序对称电压角频率， JT为圆周率；
[0011] 步骤2)将矿热炉无功补偿装置分作正序补偿网络和负序补偿网络两部分，正序 补偿网络的三相电纳是平衡的，在正序对称电压下仅产生正序电流，用来提供矿热炉电极 端负荷所需的正序电流；负序补偿网络的三相电纳是不平衡的，在正序对称电压下仅产生 负序电流，用来抵消不平衡矿热炉电极端负荷引起的负序电流；
[0012] 步骤3)利用如下常规的负荷正、负序无功综合补偿算法计算得出可综合补偿负 荷正序无功和负序无功分量的补偿容量：
[0014] 其中：
[0015] qlf为矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量与电流基波正序分量产生的无功 功率；
[0016] P2f为矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的有功 功率；
[0017] q2f为矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的无功 功率；
[0018] Piel为矿热炉系统三相主电路中AB相所需的无功补偿量；
[0019] 试^为矿热炉系统三相主电路中BC相所需的无功补偿量；
[0020] Ct为矿热炉系统三相主电路中CA相所需的无功补偿量；
[0021] 步骤4)利用如下的负荷正序和负序有功、无功功率算法计算得到矿热炉系统三 相主电路电压基波正序分量与电流基波正序分量产生的有功功率Pif、矿热炉系统三相主电 路电压基波正序分量与电流基波正序分量产生的无功功率qlf，以及矿热炉系统三相主电路 电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的有功功率P2f、矿热炉系统三相主电路电压基 波正序分量与电流基波负序分量产生的无功功率q2f:
[0022]
[0024] 其中，q>i:f为矿热炉电极端负荷三相正序电流相位，q>2f为矿热炉电极端负荷三 相负序电流相位，Ulf为矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量，Ilf为矿热炉电极端负荷 三相正序电流有效值；'为矿热炉电极端负荷三相负序电流有效值；
[0025] 步骤5)最后将步骤4)的公式4和公式5计算所得矿热炉系统三相主电路电压基 波正序分量与电流基波正序分量产生的有功功率Plf、矿热炉系统三相主电路电压基波正序 分量与电流基波正序分量产生的无功功率qif，以及矿热炉系统三相主电路电压基波正序分 量与电流基波负序分量产生的有功功率P2f、矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量与电 流基波负序分量产生的无功功率q2f代入到步骤3)的常规的负荷正、负序无功综合补偿算 法，即公式3中，最终得到公式6,通过如下公式6能得到矿热炉系统主电路各相所需的无 功补偿量：
[0026]
[0027] 其中：
[0028] Ulf为矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量；
[0029] 11￡为矿热炉电极端负荷三相正序电流有效值；
[0030] '为矿热炉电极端负荷三相负序电流有效值；
[0031] 9If为矿热炉电极端负荷三相正序电流相位；
[0032] 92f为矿热炉电极端负荷三相负序电流相位；
[0033] 为矿热炉系统三相主电路中AB相所需的无功补偿量；
[0034] 您1为矿热炉系统三相主电路中BC相所需的无功补偿量；
[0035] g?为矿热炉系统三相主电路中CA相所需的无功补偿量。
[0036] 本发明的有益效果：
[0037] 传统的矿热炉无功补偿方法是三相同等补偿，没有考虑矿热炉负荷的三相不平衡 特性，一方面三相同等补偿实现比较容易，另一方面，电力部门只考核系统高压侧的功率因 数是否达标来决定是否罚款，而并不考核系统本身的三相不平衡度指标。而对于矿热炉生 产企业来说，三相不平衡度指标和功率因数指标是同等重要的。本发明设计的上述基于三 相平衡的矿热炉无功补偿方法是基于对称分量法的补偿方法，它将负荷分为平衡负荷和不 平衡负荷分别进行补偿，第一步先补偿负序电流，将三相功率补偿平衡，再在此基础上，将 三相功率因数补偿到目标值，因此在提高矿热炉系统功率因数的同时，很好的解决了矿热 炉系统运行过程中二次侧三相电流不平衡的问题，改善了整个系统的电能质量，对于提高 电网稳定性和可靠性以及节能降耗都具有重要的意义。
【具体实施方式】
[0038] 以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
[0039] 本发明的基于三相平衡的矿热炉无功补偿方法，包括如下步骤：
[0040] 步骤1 :利用对称分量法，将矿热炉电极端负荷（矿热炉系统共有三个部分，变压 器、短网和电极，变压器可以算电源系统，短网是传输系统，电极是负荷）分作正序负荷和 负序负荷两个部分，相应的矿热炉电极端负荷三相导纳也分为两个部分，一部分三相导纳 是平衡的，在正序对称电压下仅产生三相正序电流；另一部分三相导纳是不平衡的，在正序 对称电压下仅产生三相负序电流；
[0041] 其中：三相正序电流ial、ibl、U由如下公式⑴求出；
[0045] 公式⑴中I1A矿热炉电极端负荷三相正序电流有效值，:(Plf为矿热炉电极端负 荷三相正序电流相位，co为正序对称电压角频率；公式（2)中I2f为矿热炉电极端负荷三相 负序电流有效值，为矿热炉电极端负荷三相负序电流相位，co为正序对称电压角频率， JT为圆周率；
[0046] 步骤2)将矿热炉无功补偿装置分作正序补偿网络和负序补偿网络两部分，正序 补偿网络的三相电纳是平衡的，在正序对称电压下仅产生正序电流，用来提供矿热炉电极 端负荷所需的正序电流；负序补偿网络的三相电纳是不平衡的，在正序对称电压下仅产生 负序电流，用来抵消不平衡矿热炉电极端负荷引起的负序电流，称作负序补偿网络；
[0047] 步骤3)利用如下常规的负荷正、负序无功综合补偿算法计算得出可综合补偿负 荷正序无功和负序无功分量的补偿容量：
[0049] 其中：
[0050] qlf为矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量与电流基波正序分量产生的无功 功率；
[0051] P2f为矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的有功 功率；
[0052] q2f为矿热炉系统三相主电路电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的无功 功率；
[0053] 为矿热炉系统三相主电路中AB(第一相和第二相）相所需的无功补偿量；
[0054] Ct1为矿热炉系统三相主电路中BC(第二相和第三相）相所需的无功补偿量；
[0055] It1为矿热炉系统三相主电路中CA(第三相和第一相）相所需的无功补偿量；
[0056] 步骤4)利用如下的负荷正序和负序