（交通信息工程及控制专业论文）基于模糊控制的TSC型电弧炉无功补偿系统的研究.pdf

t h e s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：金盛 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：娅导师 1 一 摘要 随着炼钢业技术的迅速发展，越来越多的电弧炉设备投入到生产 之中。由于其自身的工作特点，对电网造成了严重的影响。为提高电 力系统的稳定性、改善电能质量，研制大容量、响应速度快的无功补 偿系统的必要性变得越来越突出。本文研究了基于模糊控制的t s c 型无功补偿系统，抑制冲击性负荷造成的影响。 论文首先介绍了电弧炉的用电特性及对电网造成的影响，对无功 补偿的原理、无功补偿方式的选择、t s c 的工作原理及其基本结构等 问题进行了阐述，深入分析了t s c 投入的暂态过程、投入时刻的选 取、电容器的分组方式及其连接方法。然后针对电弧炉功率因数低的 问题，确定了以两输入单输出的模糊控制系统来实现电弧炉的无功补 偿，对模糊控制的实现过程进行了详细的分析，得出了电弧炉t s c 无功补偿系统的模糊控制规则，采用了m a n d a n i 推理法进行模糊推 理，最后得到了系统的模糊控制查询表。 在m a t i ，a b s i m i ，n k 环境下建立了系统的仿真模型，首先对 模糊控制器进行了m a t l a b 的辅助分析，验证了论文设计的模糊控 制器的合理性。然后对整个无功补偿系统进行了仿真研究，仿真结果 表明基于模糊控制的t s c 型无功补偿系统在提高功率因数、稳定系 统电压等方面均能满足要求，显示出基于模糊控制的t s c 型无功补 偿系统具有较高的工程应用价值。 关键词：模糊控制，晶闸管投切电容器，无功补偿 a bs t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fs t e e l m a k i n gt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r e e l e c t r i ca r cf u m a c ep l a y st h e i rr o l ei nm a n u f a c t u r e b e c a u s eo ft h e i ro w n w o r kc h a r a c t e r i s t i c s ，i tw i l li m p a c tp o w e rg r i ds i g n i f i c a n t l y i no r d e rt o m a i n t a i nt h es t a b i li t yo fp o w e rs y s t e ma n dq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y , h i g h c a p a c i t ya n dq u i c kr e s p o n s e ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i n gs y s t e mi s i n d i s p e n s a b l e t h i sp a p e rb a s e do nt s cs t y l ef u z z yc o n t r o lr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i n gs y s t e m t ok e e pd o w ni m p a c tr e s i s t a n c ep a y l o a d t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c ew o r kc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i ca r cf u m a c e a n di t si m p a c to np o w e r 酊d ，t h ew a yt os e l e c tp r i n c i p l ea n dm o d eo f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i n g ，p r i n c i p l eo ft s ca n di t si n f r a s t r u c t u r e ，a n d t h e na n a l y z et r a n s i e n tp r o c e s so ft s ci n p u t ，s e l e c t i o no fi n p u tt i m e ， g r o u pm e t h o df o rc a p a c i t a n c ea n dt h e i rc o n n e c t i o n l a t e rc o n c e m i n gt o l o wp o w e rf a c t o ro fe l e c t r i ca r cf u r n a c e ，t w oi n p u ta n ds i n g l eo u t p u t f u z z yc o n t r o ll o g i cs y s t e mi s u s e dt oi m p l e m e n tt h er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i n go fe l e c t r i ca r cf u r n a c e ，a n dt h e na n a l y z er e a l i z a t i o np r o c e s s o ff u z z yc o n t r o l ，c o n t r o l p r i n c i p l e o ft s c s t y l e r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i n gs y s t e mo fe l e c t r i ca r cf u r n a c ei ss u m m a r i z e d ，a n dm a n d a n i o r g a n i cf u z z yr e a s o n i n gi su s e d ，i nt h ee n dl o o k u pt a b l eo ff u z z yc o n t r o l i so b t a i n e d s i m u l a t i o nm o d e li sb a s e do nm l a b s i m i ，i n ke n v i r o n m e n t ， f i r s tm a t l a ba i da n a l y z ei sp e r f o r m e d ，v e r i f yt h er e a s o n a b i l i t yo ff u z z y c o n t r o l l e ro ft h i sp a p e r , a n dl a t e rs i m u l a t i o ni sd o n eo nt h ew h o l er e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i n gs y s t e m ，t h er e s u l t d e m o n s t r a t e st h a tt s cs t y l e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i n gs y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o lc a ni m p r o v e p o w e rf a c t o r , m a i n t a i ns y s t e mv o l t a g e i ta l s om a k ei tc l e a rt h a tt s cs t y l e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i n gs y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o li so fc e r t a i n v a l u ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ，t h y r is t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r , r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 选题的背景及意义1 1 2 无功补偿的国内外研究现状2 1 3 模糊控制的发展和研究现状5 1 4 论文的主要研究内容及章节安排6 第二章电弧炉无功补偿的原理8 2 1 电弧炉的用电特性及对电网的影响8 2 2 无功功率补偿的概述1 0 2 2 1 有功功率和无功功率1 0 2 2 2 无功补偿的原理1 1 2 3 无功补偿方式的选择1 2 2 3 无功补偿方式的分类- 1 2 2 3 2 集中补偿与就地补偿的比较13 2 4 并联电容器( t s c ) 的补偿原理1 3 2 4 1s v c 的定义及分类1 3 2 。4 2t s c 的原理及基本结构1 4 2 。4 3t s c 的分组方法及连接方法15 2 4 4 投入时刻的选取1 6 2 4 5t s c 投入的暂态过程分析1 7 2 5 本章小结l8 第三章电弧炉t s c 无功补偿系统的研究1 9 3 1 电弧炉负载系统1 9 3 2 模糊控制理论2 0 3 2 1 模糊控制器的组成一2 0 3 2 2 模糊控制器的结构2 2 i l l 3 2 3 模糊规则的选择2 4 3 2 4 模糊推理及解模糊化的方法2 5 3 3 基于模糊控制的t s c 无功补偿的研究2 6 3 3 1 确定系统的控制量和被控量以及语言变量：2 6 3 3 2 隶属度函数的选择2 7 3 3 3 模糊控制规则2 9 3 3 4 模糊推理3l 3 3 5 模糊判决及控制查询表的生成3 3 3 4 本章小结3 4 第四章基于模糊控制的电弧炉t s c 无功补偿系统的仿真3 5 4 1 仿真模型的建立3 5 4 。2 模糊控制器的m a t l a b 辅助分析3 6 4 3 系统仿真结果及其分析4 0 4 4 本章小结4 3 第五章结论与展望4 4 5 1 结论4 4 5 2 展望4 4 参考文献，4 6 致 谢_ 5 0 攻读硕士学位期间参加科研及完成论文情况5 l i v 硕l j 学位论文第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 随着我国工业的不断发展，电力电子技术的广泛应用，电力线路、电力变压 器以及其它的用电设备便构成了电力系统中先天性的无功负荷。系统在运行的时 候，由于大量无功功率的存在就严重降低了系统的功率因数，从而提高了线路的 电能损耗，这样就严重地影响了能源、制造等相关行业的效益。 在电力系统中，无功功率对供电系统以及负荷的运行来说都是很重要的。大 多数负载及其它网络元件都需要消耗无功功率。这些无功功率必须从网络中的某 个地方得到，如果是通过发电机提供并经过长距离的输送显然又是不合理的。较 好的方法就是在消耗无功功率的地方就地产生无功功率，即对无功功率进行补 偿。 目前，世界各国都将无功补偿作为电网规划中不可缺少的一部分。我国与美 国、同本等世界上的发达国家比起来，无论从电网功率因数还是补偿的深度来看， 都存在着很大的距离。美国、日本等发达国家的补偿度已经达到0 5 以上，电网 功率因数已接近1 0 ，但是我国的补偿度仅为0 4 5 。特别是在广大的农村电网旱， 功率因数普遍都很低，电网损耗也非常大。众多技术落后的感性负载用电设备的 运用是造成这一现象的主要原因。无功功率对公用电网的影响【lj 主要表现为以下 几个方面： ( 1 ) 增加设备容量 无功功率的增加会引起电流的增大和视在功率的增加，从而使发电机、变 压器以及其他的用电设备容量和传输导线的容量增加。同时，电力用户的起动以 及控制设备、测量设备的尺寸规格也会相应的增大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加 无功功率的增加会使总电流的加大。同样也会增大设备及线路的损耗。设线 路总电流为i = i p + i d ，线路总电阻为r ，则线路的总损耗a p 为： p ：，z r ：( 砟+ 吃) r2 兰箬r ，( q z u ：) 尺这一部分就是因为无功功率作 u 用所产生的损耗。 ( 3 ) 线路及变压器的电压降增大 如果是冲击性无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动，使供电的质量 硕i ：学位论文 第一章绪论 出现严重下降。 因此无功功率补偿己成为电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受 到学术界越来越多的关注。无功补偿的作用主要有如下几点： ( 1 ) 提高供用电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地 点设置动态的无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 在电气化铁道等其它三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以 平衡三相的有功及无功负载。 ( 4 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。 ( 5 ) 提高发电机的有功输出能力，减少线路损耗，提高电网的有功传输能力。 r 1 2 无功补偿的国内外研究现状 电力系统中的无功补偿方式分为并联补偿、串联补偿和串并联混合补偿三种 方式，并联补偿方式由于其接入和切除都比较方便的优点得到了广泛的应用。自 电力系统诞生以来，并联补偿技术就已经应用在电力系统中，静止无功补偿装置 的发展和应用体现出了静止无功补偿技术的发展和应用情况，电力系统中的无功 补偿装置从最初的电容器补偿发展到今天，历经了电容器、同步调相机、饱和电 抗器、静止无功补偿装置( s v c ) ，直到今天引人注目的s t a t c o m 等几个不同 阶段1 2 j ，如图1 1 所示。 图1 - 1 无功补偿装置的发展 2 硕一l ：学位论文第一章绪论 早期的无功功率补偿装置主要有并联电容器和同步调相机。同步调相机作为 早期无功补偿装置的典型的代表，能够对固定的无功功率以及变化的无功功率进 行动态的补偿。到现在无功补偿领域中还在使用同步调相机，而且随着技术的不 断进步，它的控制性能还得到一定的改善。不过由于它属于旋转型的设备，在运 行的时候容易产生噪声而且电能损耗也会很大，已经不太符合现代技术的要求 了。 现代的无功功率补偿装置主要包括静止无功补偿器和静止同步补偿裂引。而 所谓静止无功补偿是指采用不同的静止开关来投切电抗器或者电容器，使它具有 吸收或发出无功电流的能力，从而提高系统的功率因数、抑制系统振荡、稳定系 统电压等。目前这种静止开关主要采用电力电子开关和断路器两种开关。但是用 断路器作为接触器的开关时，速度较慢根本不可能快速地跟踪负载无功功率的变 化，而且投切电容器时很可能会引起严重的冲击电流和操作过电压，这样不但容 易造成接触点烧焊，而且有可能造成补偿电容器的内部结构被击穿。 随着交流无触点开关s c g t r ，g t o 等的相继出现【4 j ，如果把它们作为静 止开关，速度就可以提高到1 0 u s 左右，这样对任何参数来说都可以在一个周期 内完成无功补偿，并且可以进行单相调节。现阶段所指的静止无功补偿装置主要 分为以下三种类型：第一种是具有饱和电抗器的静止功补偿装置( s r ：s a t u r a t e d r e a c t o r ) ；第二种是晶闸管控制电抗器1 5 i ( t c r ：t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o rs w i t c h c a p a c i t o r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ：t h y r i s t o rc o n t rc a p a c i t o r ) ，这两种装置统称 为s v c t 6 j 【7 ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ；1 9 7 7 年，美国g e 公司首次在实际电力系统 中运行了使用基于晶闸管的s v c ：1 9 7 8 年，在美国电力研究院的支持下，美国 西屋公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o 印) 制造的使用基于晶闸管的s v c 被投入到实 际运行中。随后，世界各大电气公司都研制出了具有自己特色的系列产品。由于 使用基于晶闸管的s v c 具有很多优良的性能，所以十多年来一直占据了s v c 市 场的主要地位。因此，s v c 一般专指使用了晶闸管的静止无功补偿装置【8 l 。此外， s v c 还包括了由t s c 和t c r 组成的混合型补偿器，我国武汉凤凰山至平顶山的 5 0 0 k v 变电站所引用的就是采用的t s c + t c r 型的进口无功补偿设备。目前国内 外对s v c 的研究多集中在对其控制策略的研究上，人工神经网络控制、模糊控 制和专家系统等多种智能控制手段都被引入到s v c 的控制中，从而使得s v c 系 统的性能得到了显著的提耐9 j 【1 0 】【l l 】。世界上己投入运行的输电用途的s v c 系统 大约1 5 0 套，我国运用于5 0 0 k v 输电系统的也有5 台，低压3 8 0 k v 供电系统有 各类t s c 型无功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的s v c 在我国的输变 电系统中得到运行。第三种就是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置高 级静止无功发生器( s v g ：s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) ，它又被称为静止同步补偿器( s t a t i c 硕j ：学位论文 第一章绪论 s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r - s t a t c o m ) ，它是f a c t s 的新一代装置，它采用可关 断晶闸管( g t o ) 构成的自换相变流器，利用电源逆变技术提供超前或滞后的无功 功率。它随着电力电子技术的广泛应用得到了进一步的发展，特别是在1 9 7 6 年 l g y u g y i 等人提出了利用变流器进行无功补偿的理论以及8 0 年代以来，高功率 大电流全控器件的发展而逐步出现的进行动态无功补偿的静止补偿器。1 9 7 9 年 日本研制出第一台2 0 m v a r 的强迫自换相的桥式s v g ，自从这以后，世界各国的 著名电力公司都在该技术领域竞相发展。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国又相继研 制出8 0 m v a r 和1 0 0 m v a r 的s v g 。1 9 9 5 年，河南省电力局和清华大学共同研制 出我国首台作为工业试验装置的3 0 0 m v a r s v g ，1 9 9 9 年河南省电力局和清华大 学研制出了具有工业应用水平的采用g t o 的2 0 m v a r s v g ，并且成功并网。目 前国内外对s v g 的建模、结构设计、控制模式以及不对称控制等问题做了很多 相关的研究，但是还存在着许多理论和实际运用的问题亟待解决。由于其控制复 杂，所用的全控器件价格也非常昂贵，所以目前还没有得到普及，尤其是在我国， 大功率电力电子器件目前还不能自给自足，还依赖于进口，故成本还太高。但是 s v g 具有调节速度快速、谐波含量低、不需要大电容或大电感等储能元件等优 点，它的优越性必将使s v g 成为未来无功补偿装置发展的一个重要方向。美国 电力研究院还提出了u p f c 统一潮流控制别1 2 】【1 3 】，它具有移相、串联补偿、 并联补偿等多种功能，但是造价非常高，控制非常复杂，目前全世界仅有美国的 l n e z 变电站使用了这一装置。根据我国的国情，此类装置要是投入到实际运行中 去还时需要很长的一段时间。而t s c 装置是非常适合于在无功补偿领域中推广 的，与传统的t c r 相比，无论从结构还是从技术上都是比较简单的，可靠性也 要更高，作为t c r 的替代技术有着良好的发展前途。 要使动态无功补偿控制器充分发挥它的补偿功能，运用准确、高效的控制方 法是至关重要的。对于动态无功补偿控制的方法，目前研究及应用比较广泛的方 法主要有以下几种： ( 1 ) 专家控制。专家控制是瑞典学者k j a s t r o m 于1 9 8 6 年提出的，所谓 专家控制是指将专家系统的理论和技术与控制理论、方法、技术相结合，在未知 环境下，仿效专家的经验对系统实现控制【l 引。它试图在传统控制的基础上“加 入 一个富有经验的控制工程师，实现控制的功能。它由知识库和推理机构构成 主体框架，通过对控制领域的先验知识、动态信息、目标的获取与组织，按照某 种策略及时地选用恰当规则进行推理输出，实现对实际对象的控制。 ( 2 ) p i d 控制。p i d 控制是一种比较常用的控制方法，其理论己非常完善、 鲁棒性强、稳态精度高、稳定性好，很容易在工程中得到实现1 1 5 1 1 1 6 1 。经典的p i d 控制多采用比例、积分、微分等典型的控制模块，再加上几种校正网络，能很好 4 硕上学位论文第一章绪论 地改善系统的动态性能。但是p i d 控制具有响应带有超调、对系统参数扰动和 抗负载扰动能力差的缺点。 ( 3 ) 空间矢量控制。空间矢量控制就是将由实际测量得到的基于三相静止 坐标系的交流量( a b e ) 通过p a r k 变换后得到基于两相旋转坐标系的直流量( d q ) ， 从而实现系统的解耦控制。空自j 矢量控制具有较好的暂态性能与稳态性能。常规 的矢量控制方法还需要进行复杂的正弦与反正切函数的运算，通常都是采用d s p 进行处理；或是采用一些简化的算法来缩短实时运算的时间以及降低对硬件的要 求。 ( 4 ) 人工神经网络( a n n ) 。人工神经网络是模拟人脑神经元的网络而建立 起来的系统模型，它的智能特性和仿人控制都比较好。具有自组织和自适应的能 力，它可以根据输入、输出学会它们之间的相互关系，而不再需要建立系统的数 学模型；a n n 的自适应性和容错性可以随机处理复杂系统在运行过程中出现的 众多不确定的因素，从而提高系统的抗干扰能力；a n n 固有的并行结构和并行 处理能力使它能够快速地处理系统的大量数据。它主要应用在系统的辨识、建模、 以及自适应控制方面等，但是该方法实现起来比较复杂。 ( 5 ) 模糊控制。模糊控制是基于人类的实际思维而发展起来的一种控制策 略，重要的是，这些工作都不依赖于被控对象的精确数学模型，而是根据已有的 人工操作经验，设计好模糊控制系统，并在应用过程中对参数进行适当的调整， 最终达到较好的控制效果。它具有较强的鲁棒性，能适应非线性时变系统，对外 部干扰、过程参数的变化以及非线性因数均不十分敏感。但模糊控制存在稳态误 差，在工作点附近容易引起小范围的振荡。由于它源于人类的思维特点，所以实 现起来非常方便。 1 3 模糊控制的发展和研究现状 2 0 世纪6 0 年代，美国加利福尼亚大学的著名教授查德( l a z a d e h ) 在他的 ( ( f u z z ys e t s ) ) 和( ( f u z z ya l g o r i t h m ) ) 论著中首次提出了模糊集合和模糊算法的 概念【1 7 j 。随后他的模糊思想逐渐向控制领域进行渗透，在理论上为控制理论开 辟了新的发展方向，提供了新的系统设计方法模糊控制方法。 1 9 7 4 年，英国伦敦大学的e h m a n d a n i 教授首先成功的把模糊控制理论用 在了对锅炉和蒸汽机的控制中，这一伟大的工作标志着模糊控制从此诞生。进而 揭开了模糊控制理论在控制领域发展的新篇章。1 9 7 5 年英国的c p p a p p i s 和 e h m a m d a n i 又将模糊控制引入到对十字路 的交通枢纽指挥中，实验结果使车 辆的平均等待时间减少了7 。1 9 8 0 年丹麦科学家o s t e r g a a r d 等人对水泥窖的模 气 硕上学位论文 第一章绪论 糊控制进行了相关研究，f l s m i d t h 公司随后又制造了专用的模糊控制器，采 用该模糊控制器控制水泥窖并正式投入到实际运行中。1 9 8 2 年同本大阪水泥窑 生产自动化也成功地应用了模糊控制【1 8 】。19 8 9 年c t l t o r r e s 等人又将模糊控制 理论应用在电力系统的负荷管理和配电负荷的建模上面。1 9 9 2 年2 月，i e e eo n i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nf u z z ys y s t e m 在s a nd i e g o 成功的召开，标志着模糊控 制理论已正式被世界上最大的工程师组织所接受。接着，i e e eo nf u z z ys y s t e m s 在1 9 9 3 年正式创刊。9 0 年代以来，模糊理论的研究取得了很多突破性的进展。 例如自适应模糊控制、模糊逼近、模糊优化、模糊系统的结构和稳定性分析等， 它已逐步发展成为智能控制技术的三大支柱之一。 我国从1 9 7 9 年开始，对模糊控制理论进行了相关的研究工作。1 9 7 9 1 9 8 0 年，李宝、刘志俊等几位专家共同设计了一种缺乏数学模型的控制器，并对模糊 控制器的控制特性进行了模拟仿真，通过与传统的p i 控制器进行对比表明了模 糊控制器对单位阶跃响应具有响应速度快、精度高、对参数变化不敏感等优点。 此后的几年时间里，汪培庄、宋大鹤、楼世博、陈国权、龙照升等人又在模糊控 制理论及控制算法等方面做了大量的研究工作，并取得了骄人的成果，为模糊控 制技术在工业控制领域的应用打下了坚实的理论基础。其成果应用主要集中在工 业炉窑方面，如退火炉，电弧炉，水泥窑以及造纸机的控制等等。 目前，以中国、日本、欧美为代表的各国科技工作者在模糊理论基础、模糊 计算机方面、人工工程、机器智能化、人类系统和社会系统以及自然系统等方面 做了深入的研究。在美国和日本，控制应用的实例主要有机器人控制、列车自动 运行控制系统、电梯群管理控制净水处理系统、汽车速度控制等等。根据n e c 公司在2 1 世纪初的不完全统计，三菱、松下等公司在空调机、吸尘器全自动洗 衣机，微波炉等高档家用电器上普遍都采用了模糊控制技术，其普及率超过了 8 0 ，有的已经高达9 0 。在短短三十多年的时间里，模糊控制已经取到了长足 的发展，它的应用领域涉及到诸多方面，控制方法也得到了很大的进展，模糊控 制系统易于接受，设计简单，维护方便，稳定性好，鲁棒性高的优点使得模糊控 制正在得到越来越广泛的应用。 1 4 论文的主要研究内容及章节安排 目前各种无功补偿装置都已在电力系统中得到广泛应用，但是传统的无功补 偿装置在反应时间，运行可靠性，动态补偿等方面都不能很好的满足系统要求。 基于这个目的，本文在广泛查阅和分析国内外专家学者对t s c 无功补偿研究的 基础上，探讨了t s c 无功补偿的相关技术，重点研究了基于模糊控制的t s c 型 无功补偿系统。该模糊控制器采用了两输入单输出的二维结构，在 6 硕l ：学位论文第一章绪论 m a t l a b s i m u l 玳k 环境下建立了基于模糊控制的电弧炉t s c 型无功补偿系统 的仿真模型，仿真结果验证了该无功补偿系统在提高系统功率因数、稳定系统电 压等方面所起的重要作用。 论文的章节安排如下： 第一章论述了无功补偿的研究背景及意义；介绍了无功补偿在国内外的研究 现状，对t s c 无功补偿常用的几种控制方法进行了分析比较，介绍了模糊控制 的发展及研究现状；最后提出了本论文的研究内容及章节安排。 第二章首先介绍了电弧炉的用电特性及对电网造成的影响，然后介绍了无功 补偿的原理，无功补偿方式的选择问题，t s c 的基本结构及原理；深入分析了 t s c 投入的暂态过程、投入时刻的选取、t s c 中电容器的分组方法及其连接方 法等问题。 第三章针对湘乡钢铁厂电弧炉功率因数低的问题，对t s c 无功补偿模糊控制 器的实现过程进行了详细的分析。根据电弧炉系统电压和无功相互影响的关系总 结出了系统的模糊控制规则，最后得到了模糊控制查询表。 第四章结合第三章介绍的模糊控制的实现过程对模糊控制器进行了 m a t l a b 的辅助分析，表明论文所设计的模糊控制器的合理性；并在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了基于模糊控制的t s c 型无功补偿系统的仿真 模型，并对系统进行了仿真研究，对仿真波形图进行分析结果表明t s c 无功补 偿能满足系统的要求。 第五章是结论与展望，总结了全文的主要工作、收获和对下一步工作的展望。 7 帧i 学位论文 第二章电弧炉无功补偿的原理 第二章电弧炉无功补偿的原理 2 1 电弧炉的用电特性及对电网的影响 在现代电力系统中，主要存在两种工业谐波源，一种是大功率的电力电子变 流装置以及各种调速设备等，另一种就是大容量的电弧炉【l9 j 。电弧炉作为现代 炼钢技术中的主要设备，通常是由三相交流系统供电，炉内装有三个电极，各电 极反复升降产生的电弧与废钢铁之间形成了短路，由于短路形成的高温进而熔化 废钢。按照电弧炉的工艺流程，每一个冶炼周期都可以分为熔化期、氧化期、还 原期、出钢和加料间隙期。 电弧炉在正常运行的时候，负荷电流会发生急剧而且频繁的变化，属于非常 不对称的冲击性负荷。这样不但会引起电压的波动与闪变，还会产生大量的谐波， 对用户自身以及供电电网的电能质量都会产生比较严重的危害。 电弧炉具备以下的电气特性： ( 1 ) 电压波动与闪变的发生源 在熔化期，由于废钢铁导电的不均匀和冶炼时候的坍塌，常会发生电极的相 互短路，导致无功功率的急剧变化，从而引起公共接入点附近的电压发生急剧波 动，这样对电气设备产生危害，同时闪烁的灯光很容易使人眼感觉疲劳。 ( 2 ) 三相电压不平衡的产生源 在熔化期，各相电弧的电压都是独立变化的，三相电流也会发生急剧且无规 则的变化。在正常的情况下电流的不对称度为i ，i ，= 2 0 ，当电极的某两相短路 的时候，其中一相会自然断开，这时的电流不对称度便为8 0 ，三相电流出现严 重不平衡但是持续时间会比较短。负序电流会使保护装置产生误动、损坏发电机 和其它的用电设备。 ( 3 ) 电压电流特性曲线 图2 1 为电弧路电压电流特性曲线，a 点为电弧炉的额定运行点，b 点为电 弧炉的电极短路点，电弧炉电压随电流增大而降低，电弧炉电炉电抗使电弧的工 作点稳定。图2 2 为电弧炉等值电路图。u 。一一供电电压；x 。电弧炉供电 回路总阻抗( 包括供电系统、电炉变压器、电炉短网阻抗) ；r 一一回路总阻抗( 以 电弧电阻为主) ；p + j q 一一电路复功率。 8 硕1 二学位论文第二章电弧炉无功补偿的原理 u u n o i n bi p 图2 - 1 电弧路电压电流特性曲线 图2 - 2 最简单的电弧炉等效电路图 电弧炉在冶炼过程中，要从电网中大量吸收无功功率。由于具有上述的电气 特性就对电网造成了如下的影响1 2 0 】： l 功率因数低 电弧炉从电网中获得的电能一部分转变化为热能，另一部分则转化为无功能 量。为了使电弧能够稳定地燃烧，一般电弧炉的功率因数都不能太高。因为电弧 炉负载是呈现高感性特性的，所以电弧炉接入电网势必会使供电电网的功率因数 降低。超高功率电弧炉工作在熔化期的时候，功率因数甚至会降低到0 1 左右， 这样就会引起母线供电电压的严重下降从而减少了电弧炉从电网中获得的有功 功率，导致电弧炉熔化时间延长，生产效率显著下降。 2 造成电压波动与闪变 电弧炉作为供电电网中的特大负载，在运行过程中经常会产生强烈的电压冲 击，导致电网电压出现快速波动，频率一般为0 1 3 0 h z 。频率在1 1 0 h z 之间 的电压波动会使照明白炽灯和电视画面出现闪烁现象，使人们感到烦躁不安，这 类干扰统称为“闪变”或“闪烁”。强烈的闪烁会使电机转动不稳定，引起电子装置 发生误动作甚至被破坏，也会使电网供电的用户( 包括电弧炉本身) 的实际功率 减少。 3 三相电压与电流不对称 引起电网供电质量变差的另一个重要问题就是电弧炉的三相负载不对称引 起的电网三相电压以及三相电流的不对称。其后果是由电网供电的所有用户( 包 括电弧炉本身) 的经济性和生产率降低。 9 硕1 二学位论文 第- 二章电弧炉无功补偿的原理 4 高次谐波 交流电弧炉在炼钢过程中，它的电流会产生各种非正弦畸变以及各次电力谐 波，电弧炉的谐波电流成份主要是2 7 次，其中又以2 ，3 次谐波的含量最大，其 平均值可以达到基波分量的5 1 0 ，谐波电流大量被注入电网，从而使供电电 压的波形发生畸变，引起电气设备的发热、振动以及保护误动作等问题。 由此可见，如不对电弧炉进行无功补偿，必将造成电压低下，炼钢效率变差， 用电功率因数降低。所以对电弧炉进行无功补偿是一件非常有意义的事情。 2 2 无功功率补偿的概述 2 2 1 有功功率和无功功率 在正选稳态情况下，设无源二端口网络的电压和电流分别为f - ，。s i n c o t ， u = u 。s i n ( c o t + p ) ，缈为电压与电流之间的相位差。c o s 矽表示有功功率p 和视在 功率s 的比值，称为功率或功率因数1 2 。则电路的瞬时功率为： p = u i = u 。，。s i n ( c o t + c p ) s i n c o t = u i c o s f p ( 1 - c o s 2 国t 1 + u i s i nc p s i n 2 舀o t ( 2 1 ) = p ( 1 一c o s 2 6 0 t ) + q s i n 2 缈 其中p = u i c o s 口o ，q = u l s i n c p ，p 为有功功率，q 为无功功率，有功功率实 质上就是该网络中各耗能元件所消耗的功率之和，它们被转化为热能、光能、机 械能或化学能等。有功功率单位为瓦( w ) 或千瓦( k w ) 。无功功率比较抽象， 这部分能量是用来建立磁场，作为交换能量来使用，不对外部电路做功，它们从 电能转换为磁场能，再从磁场能转换为电能，周而复始没有被消耗掉，是一个交 换功率的幅值，但是它反映了网络内部与外部交换能量的能力的大小，实质上就 是该网络中各储能元件l 和c 与电源之间进行能量往返交换的最大速率。它不对 外作功，而是转变为其他形式的能量。只要有电磁线圈的电气设备，都需要建立 磁场，这就要消耗无功功率。例如1 0 0 瓦的r 光灯除了需要1 0 0 多瓦的有功功率( 镇 流器也需消耗一部分有功功率) 来发光外，还需要2 0 0 乏左右的无功功率供镇流器 的线圈建立交变磁场用。因为它不对外部做功，所以被称为“无功”。无功功率的 单位为乏( v 砌或千乏( k v a r ) 。在电力系统中，常见的无功电源主要有同步发电机、 同步调相机、电缆及架空线路电容、电容器、静止补偿装置等几种类型，而主要 的无功负荷则包括变压器、异步电动机、输电线路、并联电抗器等。 1 0 硕i - 学位论文第二章电弧炉无功补偿的原理 2 2 2 无功毒弋理 7 。时并联电感和电容器，在电感吸收能量的时候，电容器在 释。感释放能量的时候，电容器又正好在吸收能量【2 2 】。能量就在 换，即感性负荷( 变压器、异步电动机等) 所需要的无功功率， 。甘器所释放的无功功率中得到相应的补偿。因此我们称由电容器组成 ，勺无功补偿装置。无功补偿的作用和原理【2 2 1 如图2 3 所示： 耷j t 1 l r 、 l io n 图2 - 3 无功补偿原理图 假设感性负荷从电源中得到的无功功率为q ，在安装了无功补偿装置以后， 由无功补偿装置提供的无功功率为q ，则电源输出的无功功率就减少到 q = q q ，系统的功率因数则由之前的c o s 矽升高到c o s j b ，视在功率e h l , 偿前 的s 减少到s ，如图2 3 所示。视在功率的减少则可以减少供电线路的横截面积 以及变压器的容量从而使供电设备的总投资减少。例如一台2 0 0 0 千伏的变压器， 当系统负荷的功率因数为0 7 的时候，便可提供1 4 0 0 千瓦的有功功率；当系统 负荷的功率因数提高到0 9 的时候，则可提供1 8 0 0 千瓦的有功功率。同样一台 变压器，因为系统负荷的功率因数的提高而多提供4 0 0 千瓦的有功功率，这样获 得的效益是相当可观的。 从另一个方面来讲，电网在进行功率传输的时候，电流会在线路等其它阻抗 上产生电压损耗u ，假如线路的始端电压为u 1 ，末端电压为u 2 ，则电压的损 耗可以用公式( 2 2 ) 来计算。 a u ：u 1 一u 2 ：p r + q x ( 2 2 ) u 上式中的p 为线路传输的有功功率，q 为线路传输的无功功率，u 为线路的额定电 压，r 、x 分别代表线路的电阻和电抗。 如果我们保持有功功率p 的恒定，而r 和x 通常是不变的，所以无功功率q 越 小，电压的损失就会变的越小，电压的质量就会得到相应的提高。在给线路安装 坝f 学位论文 第二章电弧炉无功补偿的原理 无功补偿容量为e c 的并联电容器补偿装置以后，线路电压损耗【2 3 】就变为： pr+(qq)xu = 立二一三型一 u ( 2 3 ) 由此公式( 2 3 ) 我们可以知道，当采取无功补偿措施以后，因为电网无功 功率的减少，限制了无功功率在电网中的传输，相应的减少了线路电压的损耗， 这样就提高了用户用电的电压质量。 2 3 无功补偿方式的选择 2 3 1 无功补偿方式的分类 电力系统中常用的无功补偿方式通常分为集中补偿方式，就地补偿方式。就 地补偿又可分为分散就地补偿方式和单台电动机就地补偿方式两种形式【2 4 j 。( 1 ) 集中补偿方式是指将补偿电容器组直接安装在变电所的高压或者低压母线上，从 而对该变电所供电范围之内的无功功率进行补偿。( 2 ) 分散就地补偿方式是指将 补偿电容器组接在车间动力箱的母线上，对其附近的电动机等其它一些无功负荷 进行无功补偿，相对于在总配电房的集中补偿而言，它便被称为分散就地补偿。 ( 3 ) 单台电动机就地补偿方式是指在单台电动机处安装并联电容器从而对其进 行单独就地补偿方式。 按照补偿的端电压来分类，无功补偿方式又可分为高压无功补偿和低压无功 补偿：( 1 ) 高压无功补偿是指将并联电容器集中装在高压变配电所的高压母线上， 因此高压母线前边的所有线路上的无功功率便得到很好的补偿1 2 5 j 1 2 6 1 2 7 】，对提高 线路的总回路功率因数来说效果是非常显著的。同时由公式c = p ( t g a ，- t g ) w u 2 可以知道，在功率p 和频率w 都相同的条件下，当电压u 较高的时候，就可以用较 小的电容来较大幅度地提高电网的功率因数。对企业来说，这种节电效果不如低 压供电和对用电设备进行直接补偿的效果。但是从电力系统的全局看，这种补偿 又是非常必要和合理的，而且由于集中补偿的前期投资少，便于系统的运行和维 护，非常适合于在大