（控制科学与工程专业论文）电弧炉tscstatcom无功补偿方式的控制系统研究.pdf

摘要 电弧炉作为现代炼钢的重要设备，以其优良的性能与突出的经济 效益，在金属冶炼行业中得到了广泛的应用。然而电弧炉同样也是对 电网危害比较严重的用电负荷，针对电弧炉的用电特性，本文通过对 以t c r 、t s c 为代表的静止无功补偿器s v c 与以变流器为基础的静 止同步补偿器s t a t c o m 在输出特性、损耗特性以及响应速度等基本 性能的比较，选取t s c + s t a t c o m 这一组合装置对电弧炉的无功功 率进行补偿治理。 s t a t c o m 相比s v c 具有更强的性能优势，s v c 则具有较低的 成本，将s t a t c o m 的部分容量用t s c 来取代，既可以保证整体的 动态性能又可降低整个装置的成本。对整个t s c + s t a t c o m 装置采 用了无功储备的控制策略，t s c 与s t a t c o m 共同补偿电弧炉的无 功波动，进行快速的电压调节，其中t s c 首先动作来补偿大部份的 无功，而s t a t c o m 则精确补偿剩余的无功功率；另外s t a t c o m 还 可以改善系统的动态特性，进行慢速的无功储备控制。系统在无功扰 动后能很快恢复到新的稳定状态，同时储备无功以应对下一次无功冲 击。 控制理论技术的提高与控制方法的改进是改善电力系统运行稳 定性最经济也是最有效的手段。本文采用模糊控制对t s c 进行投切 控制，而对于起主要作用的s t a t c o m ，用基于动态能量函数的方法 设计了存在系统参数摄动条件下的非线性鲁棒自适应控制器，为使用 先进控制理论解决实际工程问题提供参考和借鉴。 关键词电弧炉，无功补偿，静止同步补偿器，非线性鲁棒控制 a b s t r a ct e l e c t r i ca r cf u m a c e ，b e i n g a n i m p o r t a n tm o d e ms t e e l m a k i n g e q u i p m e n t h a sb e e nw i d e l y u s e di nt h em e t a ls m e l t i n gi n d u s t r yd u et oi t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n do u t s t a n d i n gc o s t - e f f e c t i v e n e s s h o w e v e r , e l e c t r i ca r cf u m a c eb r i n g sm o r es e r i o u sd a m a g et ot h ep o w e rg r i dl o a d f i r s t l y , b a s e do no u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，l o s s c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r e s p o n s es p e e d t c ra n dt s ca r ec o m p a r e dw i t hs 仉盯c o m ，w h i c hi s b a s e do nc o n v e r t e ns e c o n d l y , c o n s i d e r i n g i t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e c o m b i n a t i o no ft s c + s t a t c o mc o m p e n s a t i o nd e v i c ei s s e l e c t e dt o i n h i b i tt h ea d v e r s ee f f e c t so fe l e c t r i ca r cf u m a c e s t a t c o mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dt s ci sl o w e rc o s t a r e d i s c o v e r e d p a r to ft h es t a t c o mc a p a c i t yi sr e p l a c e db yt s c ，t h e o v e r a l ld y n a m i cp e r f o r m a n c ei se n s u r e da n dt h ec o s to ft h ed e v i c ei s r e d u c e d t h er e a c t i v ep o w e rr e s e r v e sc o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e dt ot h e t s c + s t a t c o m t h er e a c t i v ep o w e rf l u c t u a t i o na n dv o l t a g ea d j u s t m e n t o fe l e c t r i ca r cf u r n a c ea r ec o m p e n s a t e db yt s c + s t a t c o m t h e r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o no fs y s t e mc a nb em a i n l yc o m p e n s a t e db y t s c t h e r e m a i n i n g r e a c t i v e p o w e r r e s e r v ei sa c c u r a t e l yc o n t r o l l e db yt h e s 似r c o m ，m e a n w h i l e ，t h es l o wc o n t r o lo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a n de x c e l l e n td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r eg u a r a n t e e d s oan e ws t e a d y s t a t eo ft h es y s t e mc a nb eq u i c k l yo b t a i n e di nt h er e a c t i v ep o w e r d i s t u r b a n c e ，m e a n w h i l e ，e n o u g hr e a c t i v ep o w e ri sr e s e r v e dt oc o p ew l m t h ei m p a c to fr e a c t i v ep o w e rn e x tt i m e t h ei m p r o v e m e n to fc o n t r o lt e c h n i q u e s i st h em o s ts t a b l e ， e c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e a n si ni m p r o v i n gp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n i n t h i sp a p e r , t h et h e o r yo ff u z z yc o n t r o li sc a r r i e do u ti nt s cs w i t c h i n g c o n t r 0 1 b a s e do nd y n a m i ce n e r g yf u n c t i o n ，an o n l i n e a rr o b u s tc o n t r o l l e r i sd e s i g n e df o rt h es t a l t c o m ，w h i c hp l a y sam a j o rr o l ei nt h es y s t e m a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h en o n l i n e a rr o b u s tc o n t r o l l e r h a sb e t t e rg o o d c l o s e d 1 0 0 ps t a b i l i t y , a n dm a k e ar e f e r e n c ei ns o l v i n gp r a c t i c a l e n g i n e e r i n gp r o b l e m s u k e yw o r d se l e c t r i ca r cf u r n a c e ，r e a c t i v e c o m p e n s a t i o n ，s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t i o n ，n o n l i n e a rr o b u s tc o n t r o l i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 电气化程度是衡量一个国家现代化水平的重要标志。电能做为当今最重要的 能源形式，是国家的支柱能源和工业经济的命脉。电力工业是技术密集和资金密 集的产业，又是国民经济的先导和基础产业，其安全性、可靠性、经济性对整个 国民经济有着巨大而深远的影响。改革开放以来，我国电力工业得到了迅速发展， 但是从电气化程度来看，我国与发达国家仍然还有很大的差距。为了国民经济的 持续发展，我们仍需大力发展电力工业这一基础行业，继续研究推动电力相关技 术的发展。 1 1 研究背景与意义 电网连接着发电机组与众多的电力用户，起着输电、变电和配电的作用，是 电力行业的重要组成部分。电力是国民经济的支柱，而电网的安全稳定运行又是 确保电力可靠供应的关键。随着国民经济的发展以及科学技术的进步，接入电网 的用电负荷在数量上日益庞大，在种类上也愈发的繁杂，对电网的承载能力也提 出了更为严酷的要求。电力负荷带来的严重影响已成为研究电网可靠高效运行不 得不关注的方面，一旦出现问题都将带来电网的重大事故，造成巨大的损失。例 如2 0 0 3 年“8 1 4 ”美加大停电事故【l 】和2 0 0 6 年西欧“1 1 4 大停电事故【2 1 ，都是由 于负荷的迅速上涨而造成系统过载，导致系统电压跌落失稳乃至最后的崩溃。 为了有效防止电网事故，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和 使用安全的目标，在电力领域中出现了柔性交流输电技术( f l e x i b l ea l t e r n a t i v e c u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，f a c t s ) ，该技术是现代电力电子技术与电力系统相 结合的产物，其主要内容是在电力系统的主要部位，采用单独或具有综合功能的 电力电子装置，对电力系统的主要参数( 如电压、相位差、电抗等) 进行快速灵活 的控制，以达到输送功率合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高电力 系统稳定性和可靠性的目的。 随着电网技术的进一步发展，近些年来又提出了智能电网的概念，所谓智能 电网，就是电网的智能化，也被称为“电网2 0 ”，它是建立在集成的、高速双向 通信网络的基础上，通过先进的传感测量技术、智能的控制方法以及决策支持系 统的应用，提供满足2 1 世纪用户需求的高质量电能，其主要特征包括自愈、激 励和抵御攻击，容许各种不同发电形式的接入，启动电力市场以及资产的优化高 中南大学硕士学位论文第一章绪论 效运行。 鉴于电网的重要作用与广泛影响，积极研究电网的相关技术保障其安全、可 靠、高效和稳定的运行有着重大的经济与社会效益。正是在这样的背景下，本文 选取了其中的电能质量做为研究对象，通过利用柔性交流输电装置及其合理的控 制系统对影响电能质量的无功功率和公用谐波进行有效地补偿治理，从而到达保 护电网安全的目的。 无功功率只存在是交流电路中，是电源与储能元件之间来回交换的变动功 率。无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供 电网稳定不可缺少的功率之一，无功功率经不同的电磁耦合反映不同的电压等 级。但是无功功率沿其传输途径会产生很大的电压跌落，影响电能质量。大量的 无功功率在系统中经高低压供电系统流入电力装置设备中，会引起有功功率的过 度损耗，对发电、输电和配电三方都会产生不良影响【3 一。 谐波是指电流中所含有的频率为基波整数倍的电量。谐波电流的出现，对公 用电网是一种污染，其危害十分严重。谐波会使电能的生产、传输和利用的效率 降低；使电气设备过热，产生振动和噪声，使绝缘老化从而缩短使用寿命；谐波 可引起电力系统局部的并联谐振或串联谐振，放大谐波含量，造成电容器等设备 烧毁；谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，使电能计量出现混乱；对于 电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备也会产生严重干扰。 近几十年来，伴随着电力电子装置的迅速发展和大容量非线性负载的投运使 得电网无功与谐波的污染日趋严重，由此引起的各种故障和事故也不断发生，其 危害的严重性引起人们的高度关注。因此，研究无功补偿与谐波治理有着重要的 现实意义。为了是研究更具代表性和针对性，本文选取了对电力系统电能质量危 害比较严重的电弧炉作为无功补偿治理的对象，为解决实际工程问题提供参考和 借鉴。 1 2 国内外研究现状 消除无功功率不利影响最合理的方法便是在消耗无功功率的地方产生无功 功率，这就是通常说的无功补偿。目前，对无功功率的补偿一般都采用以柔性交 流输电技术为基础的无功补偿装置。 柔性交流输电系统( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，f a c t s ) 的概念最早由 美国电力科学研究院的n g l h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年提出，但直到1 9 9 7 年i e e e p e s 冬季会议上才对f a c t s 做了正式的定义【6 】。基于柔性交流输电技术的无功 补偿装置按其接入系统方式可分为并联补偿方式、串联补偿方式和综合补偿方式 三种，由于并联补偿方式的接入和切除都相对比较方便，故而在电力系统中得到 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 了最为广泛的应用。 从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始在电力系统中得到应用，静止 无功补偿技术的发展和应用情况可以通过静止无功补偿装置的发展和应用来体 现，如图1 1 所示。电力系统中的无功补偿装置发展至今已有几十年的时间，最 早的是各种机械投切式并联补偿装置，如电容补偿器、同步调相机【7 】和饱和电抗 器【8 】。在过去很长段时间内，同步调相机在电力系统无功补偿中一度发挥主要 作用。然而，由于它是旋转电机，运行维护复杂，响应速度较慢，另外负荷中心 地区对环境的要求也在提高，旋转设备带来的噪声等问题使居民越来越不满意。 同时电力电子技术的发展也使得并联无功补偿装置有了长足的进步，大功率晶闸 管的出现与应用，使得同步调相机在应用中逐渐被淘汰，取而代之的是一系列由 晶闸管投切或控制的并联补偿装置，如t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) ， t s r ( t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ) ，t c r ( 7 t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 及其综合体 s v c ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r ) t 9 1 。静止无功补偿器凭借其优良的性能已成为目前国 内外电力系统中无功补偿的主导装置。 无功补偿装置 早期无功补偿装置 现代无功补偿装置 电容补偿器 同步调相机 饱和电抗器 静止无功补偿 器( s v c l 晶闸管控制电 抗双t c r ) 晶闸管控制电 容器r ( t s c ) 静止同步补偿i l l 台d 各 ( t 种s 装c + 置t c 的r 混, 器( s t a t c o m ) iit s c + f c 等) 图1 - 1 无功补偿装置的发展 早在2 0 世纪8 0 年代就有学者提出了以电力电子半导体变流器来实现无功补 偿的思想，由此孕育产生了一种新型的无功补偿装置，即静止同步补偿器 s t a t c o m 。1 9 8 0 年，日本三菱公司采用晶闸管和强迫换相技术成功研制出世界 上第一台基于变换器的s t a t c o m ，并成功投入工业试运行。此后，s t a t c o m 作为一种先进的动态并联补偿设备，得到了迅速发展，目前已在不少国家的实际 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 系统中运行【1 0 。12 1 ，我国也分别在1 9 9 9 年3 月和2 0 0 1 年2 月成功投入2 0 m v a r 和5 0 0 k v a r 的s t a t c o m 装置【1 3 】。s t a t c o m 的广泛应用已成为并联无功补偿 装置发展的趋势。 除此之外，其他的无功补偿装置还有可控串联补偿器( t c s c ) 和基于g t o 的 串联补偿器( s s s c ) ，以及目前f a c t s 技术中功能最强大的综合潮流控制器 ( u p f c ) 。 各种分立式的无功补偿装置有着各自的特点和优势，但在实际系统中，为了 满足无功补偿各方面的要求，往往将它们结合起来使用。深入分析每个无功补偿 装置的运行特点，选取最佳的组合方式已成为现阶段国内外研究的热点，目前在 电力系统中应用比较广泛的组合方式主要有以下几种： ( 1 ) 固定电容+ 晶闸管控制电抗器型( f c + t c r ) 。实际应用中，常用一个滤波 网络来取代单纯的电容支路，能对t c r 产生的谐波分量起到很好的滤波作用。 ( 2 ) 晶闸管投切电容+ 晶闸管控制电抗型( t s c + t c r ) 。由于t c r 工作中产 生的感性无功电流需要固定电容中的容性无功电流来平衡，因此在需要实现从额 定感性无功到容性无功的输出调节时，t c r 的容量会达到额定容量的2 倍，从 而导致器件和容量上的浪费，然而t s c + t c r 型就可以克服这种缺点。 ( 3 ) 机械式投切电容+ 晶闸管控制电抗器型( m s c + t c r ) 。在一些要求不高、 电容器投切不频繁的应用场合，采用机械式开关代替t s c 支路的晶闸管，可以 有效地降低成本和损耗。 自1 9 8 0 年日本三菱公司研制出第一台基于晶闸管的2 0 m v a r 容量s t a t c o m 以来，s t a t c o m 作为f a c t s 的重要成员已引起各国电力领域的重视，得到迅 速的发展，目前s t a t c o m 已在多个国家的实际系统中得到广泛的应用。其中很 大一部分安装在输电网络的变电站中用于潮流控制和无功补偿以提高电网系统 的稳定性；另一部分则用于供配电网络中以改善电能质量和提高供电的可靠性。 本文所要研究的就属于后者，用来改善电弧炉供电系统的电能质量。 表1 - 1 国外部分s t a t c o m 用于电弧炉无功补偿的应用工程 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 国内在处理电弧炉的无功补偿问题上，依旧普遍采用以t c r 为主的静止无 功补偿器，但是国外已经有一些研究机构与钢铁企业将s t a t c o m 用于电弧炉的 供电系统中，对电能质量的污染问题进行综合治理，如表1 1 所示。 对于电弧炉的用电特性，特别是大容量电弧炉，采用大容量s t a t c o m 能取 得更好的补偿效果，但也大大增加了成本。另外由于s t a t c o m 损耗特性的一些 特点，使得一些在低点压小容量电力电子装置中普遍采用的技术应用于大容量 s t a t c o m 时会受到限制。在电网的实际并联补偿中，尤其是在电弧炉的供电网 中，将s t a t c o m 与s v c 组合起来应用以代替单一s t a t c o m 的补偿方式，可 以得到诸多优点，具体说来包括以下几方面。 ( 1 ) 能满足不同容量的无功补偿需求 具体的系统往往对无功补偿的容量和特性各不相同，同一容量的s t a t c o m 就不能满足所有的需求。然而t s c 级差的形式补偿无功，通过不同的分组就可 以保证s t a t c o m 的容量只在在级差间，以此满足不同容量的无功补偿需求，同 时还可以降低系统的控制难度，提高无功补偿的精度。 ( 2 ) 降低整体成本 以 s t a t c o m 具有良好的动态性能，但t s c 的成本相对较低，在满足所需动 态性能的前提下，将部分容量的s t a t c o m 用t s c 取代，从而可以在整体上降 低装置的成本。 ( 3 ) 提高运行灵活性 t s c + t c r 型s v c 在实际中已得到广泛应用，若将其中的t c r 用s t a t c o m 来代替，在运行或性能上将具有诸多的优越性： ” ( a ) s t a t c o m 能在t s c 投入前快速输出容性无功，这样将获得更快的动态 响应速度； ( b ) 采用相控技术的t c r 会产生大量谐波，而s t a t c o m 可以通过适当的 电路结构和控制技术得到较小的谐波输出，从而大大降低了整个装置的谐波含量 且可以省去一定的滤波器件； ( c ) s t a t c o m 能连续控制输出，通过与t s c 配合，产生和吸收感性无功， 实现最优运行，可以降低整体损耗。 1 3 本文主要研究工作 电弧炉是现代炼钢的重要设备，在金属冶炼行业得到广泛应用。同时，电弧 炉的运行也严重污染了电网。为了对电弧炉的不利影响进行有效抑制，本文对几 种常用的并联无功补偿装置做了分析比较，选取- t s c + s t a t c o m 的组合方式对 电弧炉这一特定用电负荷进行无功补偿。本文广泛查阅了各种学术资料，在国内 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 外专家学者对t s c 及s t a t c o m 已有的研究基础上，提出了t s c + s t a t c o m 无 功补偿方式的控制策略，所做的工作有如下几点： ( 1 ) 利用最简等效电路与功率变化圆说明了电弧炉的工作特性，阐述了电弧 炉对电网电能质量的影响，包括引起电网电压闪变与波动、使电网电压波形产生 畸变、使电网电压三相不平衡和功率因数低等诸多方面。 ( 2 ) 分析了目前几种常用无功补偿装置的特性，并着重分析了t s c 与 s t a t c o m 的电路结构与工作原理。对以t c r 为代表的s v c 与基于变流器的 s t a t c o m 在输出特性、损耗特性及有功调节等基本特性方面做了详尽的比较， 最后选取t s c + s 卫盯c o m 这一组合方式用于电弧炉的无功补偿。 ( 3 ) 重点研究了电弧炉t s c + s t a t c o m 无功补偿方式的控制策略问题。根 据无功储备的控制策略，t s c 与s t a t c o m 一起快速地补偿电弧炉的无功波动， 进行快速的电压调节，其中t s c 首先动作来补偿大部份的无功，而s t a t c o m 则精确补偿剩余的无功功率；另外s t a t c o m 继续改善系统的动态特性，进行慢 速的无功储备控制，使系统达到一个新的稳定状态，同时储备无功以应对下一次 无功冲击。在t s c 与s t a t c o m 控制器的研究设计中，分别选取了模糊控制和 非线性鲁棒控制。 6 中南大学硕士学位论文 第二章电弧炉及其对电能质量的影响 第二章电弧炉及其对电能质量的影响 电弧炉是现代金属冶炼的重要设备，根据外加电源的异同又分为交流电弧炉 与直流电弧炉。直流电弧炉与交流电弧炉在结构上有所区别，多了整流设备、单 根石墨电极、一组电极升降装置及炉底电极等主要部件。性能方面的差异，使得 直流电弧炉对电能质量的危害程度要远远低于交流电弧炉，故本章节只选取交流 电弧炉为研究对象，阐述其结构和工作特性以及对电能质量的诸多危害。 2 1 电弧炉简介 电弧炉由炉盖、炉门、出槽和炉身组成炉体，炉底和炉壁用碱性或酸性耐火 材料砌筑。电弧炉在工业应用中可分为三类：一是直接加热式，在专用电极棒和 被熔炼的炉料之间产生电弧，炉料直接受到电弧热；二是间接加热式，电弧发生 在两根专用电极棒之间，炉料受到电弧的辐射热；第三类称为矿热炉，也称电弧 电阻炉，以高电阻率的矿石为原料，在工作过程中电极的下部一般是埋在炉料里 的，利用的是电流通过炉料电阻产生的热量，同时也利用电极和炉料间电弧的热 量。图2 1 给出了直接加热式电弧炉的电气原理图。 l 供电线 2 隔离开关 3 高压断路器 4 电抗器 5 电抗器短接开关 6 电炉变压器 7 电极 8 电孤 9 金属 图2 - 1 电孤炉电气原理图 7 中南大学硕士学位论文 第二章电弧炉及其对电能质量的影响 另外还可以将电弧炉按功率大小分为普通功率、高功率和超高功率三种，其 功率级别和功率水平如表2 - 1 所示。 表2 1电弧炉功率级别的划分 功率级别功率水平( k w t ) 普通功率 高功率 超高功率 1 0 9 3 9 9 4 0 m v l 5 9 9 7 0 0 2 2 电弧炉工作特性 电弧炉利用电极电弧产生的高温来熔炼矿石和金属，其运行过程可分为熔化 期与精炼期两个阶段，而最大无功波动量一般出现在熔化期工作短路时，可见功 率的需求与变化就是电弧炉工作特性的一个重要表征，下面借鉴电弧炉最简化等 值电路和功率变化圆来分析电弧炉运行过程的工作特性和功率变化【5 ，1 4 1 。 p c c p u o 图2 - 2 最简化电弧炉等值电路图 电弧炉在运行过程的功率变化模型通常由最简化的电弧炉等值电路单线图 得出，如图2 - 2 所示。图中v o 为供电电压；c o 为电弧炉供电回路阻抗，包括供 电系统阻抗、电弧炉变压器漏抗和电弧炉短网阻抗；r 为回路总电阻，以电弧电 中南大学硕士学位论文 第二章电弧炉及其对电能质量的影响 阻为主，兵变化最大；p + q 为电路复功率。由此可以得出有功功率p 与无功功 率q 的表达式为p 器，q = 器另外令电弧炉的短路容量记为 蜀= u _ l ，l ，那么可以得到 p 2 + ( q - s d2 = ( 争2 ( 2 - 1 ) 岛若为常量，则p 和q 的变化轨迹可以表示成圆心为( o ，睾) ，半径为睾的一 aa 个圆，即电弧炉的功率变化圆，如图2 - 3 所示。 。 q o & 圮1 图2 3 电弧炉功率变化圆 结合功率变化圆与电弧炉的实际运行工况可以得到图中各点对应的工作特 性如下： ( 1 ) 熄弧时，r = 0 0 ，i = p = q = 0 ，对应于o 点； ( 2 ) 在图中的f 点时，r = x o ，理论上有，= k ，p 蛳= s d 2 ，此时有功 功率与无功功率一致； ( 3 ) 在图中的d 点时，电弧炉的三相电极与炉料构成短路，那么有r = 0 ， j = 厶= x o ，p = o ，电弧炉的短路容量为o d = 岛= 簖五； ( 4 ) 图中的b 点为实际运行在三相短路时的特性，在这工况下的功率因数 9 d e 以 c 中南大学硕士学位论文第二章电弧炉及其对电能质量的影响 c o s 伊, t 往往在o 1 , - , 0 2 之间，其中仍为短路时回路的阻抗角，而伽= 绌； ( 5 ) 普通电弧炉的额定运行点一般选择在，p 的o 7 倍到0 8 倍之间，当 i o 8 ，产时线路损耗太大。图中a 点为熔化期的额定运行点，纨为额定运行 的阻抗角，此时功率因数c o s f o 、，为0 7 o 8 5 。 ( 6 ) 从图中看，通常取c e 为最大无功功率变动量q m 。，它等于三相电极短 路时的无功功率o e 与熔化期额定运行点的无功功率o c 之差，即 c e = a q 眦= s d ( s i n 2 一s i n 2 ) ( 2 - 2 ) 由于实际中一般有血2 纺l ，所以上式常简化为 = 岛c o s 2 ( 2 - 3 ) 通过上述分析得出了交流电弧炉无功功率的最大冲击i a q 眦，正是由于电 弧炉在运行期间无功功率这种急剧而又无规则的变化，使得电弧炉供电系统的电 能质量严重恶化。本文将在下一节详细阐述电弧炉对电能质量影响到的几个主要 方面。 2 3 电弧炉对电能质量的影响 电弧炉比其他冶炼设备的工艺灵活性更大，去除硫、磷等杂质的效果更有效， 且炉温控制容易，占地面积小，适于优质合金钢的熔炼。由于电弧炉在技术、经 济上的优越性，使其在金属冶炼行业得到广泛应用，所占的比重越来越大【1 5 1 。 同时，电弧炉是高感性负荷，且带有很强的非线性与冲击性，是电力系统中对电 能质量影响比较严重的负荷。电弧炉在其运行过程中对电网电能质量的不利影响 主要有以下几方面i l 孓1 7 j 。 2 3 1 电网电压波动与闪变 电弧炉通过电极与炉料之间的电弧来熔化金属。在熔化期随着炉料的熔化必 然引起电弧长度的变化，进而导致燃弧点的移动。电弧电流的急剧变化使得电弧 炉在运行中经常产生突然的、强烈的电压冲击，致使电网电压快速的波动，频率 一般在o 1 3 0 h z 之间。 电压波动是指一系列电压变动或连续的电压偏差。电压波动值为电压方均根 值的两个极值和吒之差，常以其标称电压的百分数表示其相对百分值， 即d ：鱼 型1 0 0 i s l 。频率在1 - 1 0 y i z 之间的电压波动会引起照明白炽 u l o 中南入学硕士学位论文 第二章电弧炉及其对电能质量的影响 灯和电视画面的闪烁，使人们感到烦躁，这类干扰称之为“闪烁”或“闪变。 闪变是电网的种公害，强烈的闪变会造成电机转动不稳定，电子装置误动作甚 至损坏，也会减少包括电弧炉本身在内的电网供电用户的实际功率。 最新国家标准电能质量电压波动和闪变( g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 8 ) 规定了电压 波动和闪变的限值及测试、计算和评估方法，适用于交流5 0 h z 电力系统正常运 行方式下，由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人对灯 光闪烁明显感觉的场合。该标准还专门针对电弧炉给出了闪变的估算方法，实际 运行的电弧炉尤其是大功率电弧炉引起的波动与闪变往往都超出了规定的范围， 因而必须采取一定的抑制措施。 2 3 2 电网电压波形畸变 交流电弧炉在运行过程中电流会产生非正弦畸变和各次谐波，其谐波电流成 份主要为2 7 次谐波，其中2 、3 次最大，其平均值可达基波分量的5 1 0 ， 最大可达15 , - - , 3 0 ；4 7 次谐波平均值为2 ，最大可达6 。15 。 在电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 中规定了公用电网谐波电 压的限值和各公共连接点谐波电流的允许值以及谐波含量的计算公式，见附录 a 。1 0 k v 标准电压下，2 7 次谐波电流允许的含有率分别为0 2 6 ，0 2 0 ，0 1 3 ， 0 2 0 ，0 0 8 5 ，0 1 5 ；1 1 0 k v 标准电压下，2 7 次谐波电流允许的含有率分别 为0 1 8 ，0 1 4 4 ，0 0 9 ，0 1 4 4 ，0 0 6 ，0 1 0 2 。由此可见，电弧炉产生 的谐波电流已远远超出国家规定的标准，如此大量的谐波电流注入电网，使得电 网电压波形发生严重畸变，引起电气设备发热、振动以及保护误动作等危害。 2 3 3 电网电压三相不平衡 电弧炉在熔化期，由于各相电弧电压独立的、急剧无规则的变化，使其三相 电流严重不对称。正常情况下产生的负序电流约为电弧炉变压器额定电流的2 5 左右；若在不正常情况下则可达5 6 甚至8 6 。负序电流注入电网会使电网电 压产生负序分量，影响发电机的使用效果，同时会使电弧炉和电网其他用电设备 的经济性和生产效率降低，其严重程度可用不平衡度来表示。 分析表明，若电网短路容量高于电弧炉变压器额定容量5 0 倍或以上，此时 由电弧炉三相负载不对称所造成的电网电压不平衡度才不会超出国家标准电能 质量三相电压不平衡f g b t 1 5 5 4 3 2 0 0 8 ) q 丁规定的限值。但目前电弧炉都向着 大型化和功率超高化发展，使得电网容量往往只有电弧炉变压器容量的2 0 - 4 0 倍甚至更低。也就是说，实际运行中的电弧炉所引起的电网电压三相不平衡度都 中南大学硕士学位论文第二章电弧炉及其对电能质量的影响 不能达到标准中规定的允许值之内，必须采用一定的抑制措施。 2 3 4 功率因数低 电弧炉从电网获得电能，其中一部分转化为有用的热能，另一部分便是无功 能量。电弧为了能稳定燃烧，电弧炉的功率因数不能取得太高，在额定电流附近 有功功率与无功功率基本相等，功率因数大约为o 6 5 o 7 0 。同时电弧炉又是高 感性负载，接入电网会使电网功率因数恶化，超高功率电弧炉运行在熔化期时， 无功功率会达到额定功率的2 倍以上，使功率因数急剧下降，甚至会低到0 1 ， 这样严重降低了母线上的电压水平。同时，电压跌落又相应降低了电弧炉的有功 功率，使熔化期延长，影响生产效率。因而必须按照规定采取一定的无功补偿措 施把功率因数提高到0 9 以上。 电弧炉是对电网危害比较严重的一类用电负荷，它对电网的不利影响涉及到 电能质量的诸多方面。随着电弧炉功率与容量的不断加大，其危害也更为明显， 因此我们必须对电弧炉的不利影响采取一定的抑制措施，保证电网以及包括电弧 炉自身在内的用电设备安全可靠的运行。 2 4 本章小结 本章主要介绍与分析了电弧炉的一些相关情况。首先简要介绍了电弧炉的分 类与原理结构，选择交流电弧炉做为重点研究对象。通过电弧炉的最简化线路图 和功率圆图分析了电弧炉的一些工作特性，得到其最大无功功率冲击量。正是在 无功功率的不断冲击下使得电弧炉对电网电能质量造成严重的危害，本章还就电 弧炉在引起电网电压波动和闪变、使电网电压畸变、引起电网电压三相不平衡及 使系统功率因数低这四个方面的不利影响做了阐述，表明了对电弧炉进行无功补 偿的必要性。 1 2 中南大学硕士学位论文 第三章电弧炉无功补偿方式的选择 第三章电弧炉无功补偿方式的选择 上一章分析表明，电弧炉对电能质量的影响几乎涉及到电能质量的所有方 面。考虑到电网的安全可靠运行，同时兼顾电弧炉自身的高效稳定运行，必须采 取一定的措施来抑制这种不利影响。一般有两种方法，一是通过提高供电电源的 电压等级来增大与电网公共连接点的短路容量；二是在消耗无功功率的地方产生 无功功率，即常说的无功补偿。由于前者并没有消除无功功率的影响，而是送到 了更高等级的电网中去扩散，故而采用无功补偿的方式来降低或消除电弧炉的无 功影响就更为合理。 s v c 是电力系统中应用较早且应用较广泛的一类并联无功补偿设备，而 s t a t c o m 是最近发展的新型并联无功补偿设备。为选择合适的无功补偿装置对 电弧炉产生的无功功率进行综合有效的补偿治理，本章节将对s v c 和s t a t c o m 这两种常用补偿设备的基本特性进行对比研究。 3 1 静止无功补偿器s v c 静止无功补偿器s v c 是在机械式投切的并联电容和电感基础上，采用大容 量晶闸管代替断路器等触点式开关而发展起来的。s v c 实现了补偿的快速和连 续平滑调节，良好的动、静态特性使其得到了广泛的应用。s v c 的构成形式多 样，包括可控饱和电抗器s r 、晶闸管投切电容器t s c 、晶闸管控制电抗器t c r 以及它们之间或与传统机械投切电容电感的组合。 ( a ) t c r 型 图3 - 1s v c 的基本原理结构 1 3 t i b ) t s c 塑 中南大学硕士学位论文第三章电弧炉无功补偿方式的选择 以下分别分析了s v c 两个基本类型t c r 与t s c 的结构与原理。 3 1 1 晶闸管控制电抗器( t c r ) 单相t c r 的原理结构如图3 2 所示，一般由带铁芯的固定电抗器和双向导 通晶闸管( 或两个反并联晶闸管) 串联组成。 s 图3 - 2 单相t c r 的原理结构 t c r 正常工作时，在电压每个正负半周期的后四分之一周波中，也就是从 电压峰值到过零点的时间间隔里触发晶闸管，这时承受正向电压的晶闸管将被触 发使电抗器进入导通状态。晶闸管的触发瞬间往往用延时触发角口来表示，它是 电压峰值点到触发时刻的电角度，决定了电抗器中电流f 有效值的大小。口处于 一9 0 。o 。之间时，t c r 支路会产生含直流分量的不对称电流，因而通常都是在 o 9 0 。的范围内调节口 9 1 。 若设母线电压“( f ) = 吒c o s r o t ，基波电抗五= r o l ( l 为t c r 支路电抗器的 电感值) ，那么在正半波时t c r 支路上的电流为 砸) = 圭胁舻( s i n r o t - s i n t z ) ，u _ r o t _ z r - t r ( 3 - 1 ) 当r o t = 万一口时，晶闸管由于电流过零而自然关断。在负半波，当r o t = 石+ 口 时，晶闸管反向导通，可得到此时t c r 支路电流 f ( f ) = 一 尹 s i n ( r o t l r ) - s i n t r ，万+ 口 u 。时，从系统流向s t a t c o m 的电流相位超前系统电压9 0 。， s t a t c o m 工作于“容性”区，输出感性无功； ( 2 ) 当u ， 0 ( i = l ，2 ) 为参数调整增益。 对式( 4 2 2 ) 表征的具有参数摄动的系统，利用式( 4 2 3 ) 所示条件可得到如下的 方程式： 二：【j ( x ，p ) 一尺( 石，p ) 要兰+ 。( x ，p ) 】+ g ( x ) ： ，( x ，p ) 一r ( x ，p ) 罢! + g ( 工) r ( x ) 秒+ 】( 4 2 5 ) 进而构造能量存储函数为： u ( 石，否) = 日( 曲+ 去( 9 一谷) r r ( p 一否) ( 4 2 6 ) 将其沿着式( 4 2 5 ) 的轨迹求解可以得到 氓句：i o r h 【，( 卯) 一尺( 卯) 】罢+ 掣g ( x ) y r ( x ) 否+ 】 蹴oo x + 篓竺g ( x ) g r ( 曲( 乡一句一( 乡一句r r 占 饼 最后把自适应控制器( 4 2 4 ) 代入上式计算可得到又可以得到下式： 派参) ：一掣r ( x ) o - - 凳h ：一d q 砰 a 一 ( 4 - 2 7 ) ( 4 2 8 ) 由此可以看出，针对系统参数不确定的单机电力系统，s t a t c o m 的非线性 鲁棒自适应控制器( 4 2 4 ) 是闭环稳定的。当系统参数存在摄动，该自适应镇定控 制器能够很好地调节系统到达一个可能有别于原系统的新的平衡点。 4 5 中南人学硕十学位论文第四章t s c + s t a t c o m 的控制系统研究 4 5t s c + s 仉诃c o m 的仿真分析 t s c + s t a t c o m 的组合结构与其w 特性可以由图4 1 5 来表示。从外特性 上看，t s c + s t a t c o m 可以看作是为一个可控的无功电流源或无功功率源，在 其线性控制区以内具有一致的动态性能。但是在其边界上两者表现出一定的差 异，如在容量限值上运行时，s t a t c o m 表现为一个达到项值的无功电流源，无 功输出与接入点母线电压成正比；而t s c 则表现为一个达到顶值的阻抗，输出 的无功与母线电压的平方成正比。 uol | | ，c 。南删，。0k t g o m ，。i l ( b ) 图4 1 5t s c + s t a t c o m 的原理结构与u i 特性 设电网线电压有效值为2 2 0 一, 3v ，频率为5 0 h z ，恒定负荷的视在功率s = 9 0 0 0 + j 1 2 0 0 0 ，在固定负荷处并联一个s = 1 0 0 0 + j 9 0 0 0 的负荷，该负荷通过与三 相断路器串联后接入电网，模仿电力系统中的冲击性负荷( 如电弧炉) ，在该环境 下对t s c + s t a t c o m 无功补偿装置的一些基本性能进行仿真研究分析，其在 m a t l a b s i m u l i n k 下的仿真电路如图4 1 6 所示。 4 6 一圈 圈o a a ， 曰 哥耐汁慊崮叶慊高醇h 邋目懈一q+_毯万。孓器j空壁淤辫窝甜 l l j 4_l昏1o+，i苫rco孓棒帆器毒牲电路 i _ 中南大学硕士学位论文第四章t s c + s t a t c o m 的控制系统研究 ( 1 ) 对系统功率因数的影响 在恒定负荷工作下会有大量感性的无功功率注入系统，使得系统的功率因数 急剧降低，投入t s c + s t a t c o m 装置，系统的功率因数变化如图4 1 7 所示： 图4 1 7t s c i + s 1 a 1 o m 补偿方式系统功率因数变化曲线 先依次投入三组t s c 使得系统功率因数恢复到一个较好的水平，最后再投 入s t a t c o m ，经过几个周期的短暂振荡后将系统的功率因数维持在l 附近。 ( 2 ) 系统总谐波畸变率( t h d ) 分析 f f t w i n d o w ：2o f 5 0c y c l e so f s e l e c t e ds i g n a l t i m e ( s ) f u n d a m e n t a l ( 5 0 h z ) = 3 0 3 8 t h d = - 0 0 1 图4 1 8t s c + s t a t c o m 投运前系统电流