（电力电子与电力传动专业论文）用于svc控制系统闭环测试的rtds模型的研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 随着国民经济的发展和对电能质量问题的日益重视，我国s v c ( s t a t i cv r a r c o m p e n s a t o r ，静止无功补偿器) 产业已经形成。针对相关国家标准，采取合理有效 措施对s v c 系统进行测试，对提高s v c 补偿装置的可靠性、引导s v c 产业的有序 发展、规范我国s v c 的产业化具有重要意义。 论文立足于s v c 装置特点、国标要求及行业现状，就s v c 控制系统的闭环测 试进行了深入研究。首先提出基于现场实测数据的电弧炉实时仿真模型建立方法， 并在此基础上，搭建了用于s v c 控制器闭环测试的r t d s 实时仿真平台。针对国 标中对控制系统的要求，给出了部分监测指标的算法。最后，在i 玎d s 测试平台上 完成了对实际控制器的闭环测试，实验结果验证了测试平台的合理性。 关键词：静止无功补偿器，实时数字仿真，闭环测试，电弧炉，模型 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei n c r e a s e dc o n c e mf o rp o w e rq u a l i t y ， t h es v c i n d u s t r yo fc h i n ah a sf b 珊e d a c c o r d i n gt or e l a t e dn a t i o n a ls t a n d a r d ，i ti sn e c e s s a r y t ot e s tt h es v c s y s t e mb yp m p e ra n de f f e c t i v em e t h o d ，w h i c hi so f 伊e a ts i g n i f i c a n c et o i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y0 fs v c ，g u i d i n gt h ed e v e l o p m e n ta n ds t a n d a r d i z a t i o no ft h es v c i n d u s t r y s t a n do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs v cp l a n t s ，t h en a t i o n a ls t a n d a r do fc h i n af b rs v ca n d i n d u s t r ys t a t u s ，c l o s e d - l o o pt e s tf b rs v c c o n t r o l l e ri sm a i n l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e f f i r s t l y ； am e t h o dt om o d e la na r cf u m a c ef o rr e a l t i m es i m u l a t i o ni sp r e s e n t e db a s e do nt h er e c o r d e d f i e l dd a t a b e s i d e s ，t h er e a lt i m es i m u l a t o r s ( i h l d s ) i m p l e m e n t a t i o na c c o r d i n gt oar e a la r c f u m a c ed i s t r i b u t i o ns u p p l ys y s t e mw a sd e s c r i b e dw h i c hc o u l db eu s e dt 0t e s tt h er e a lc o n t r o l d e v i c e so fs v c s y s t e m s e c o n d ly ，c o n s i d e r i n gf u n c t i o n a lp r o p e 州e sr e q u i r e m e n t sf o rl o a d c o m p e n s a t i n gs v cc o n t r o l l e ro fn a t i o n a ls t a n d a r d ，t h ed e t e r m i n a t i o no fs o m ei n d i c e sa r e r e a l i z e d a tl a s t ，t h ep a p e rf i n i s h e dt h ec l o s e d l o o pt e s tf o rs v cc o n t r o l l e ro nt h ee v a l u a t i o n p l a t f o 肿a n dt h er a t i o n a l i t yo ft h et e s tp l a t f o r mi sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s m aw e i w e i ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db vp r o f s h jx j n c h u n k e yw o r d s ：s t a t i cv 打c o m p e n s a t o r ，r e a it i m ed i g i t a ls i m u i a t i o n ，c l o s el o o p t e s t ，a kf u m a c e ，m o d e l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文用于s v c 控制系统闭环测试的r 1 d s 模型的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：马籀巍 日期：驾h l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 圳山 作者签名：丝掘导师签名： 日 期：翻：堕 一 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景与意义 第一章引言 随着我国国民经济的迅速发展，越来越多的具有功率因数低、非线性、非对称 性和冲击性等特点的工业用电设备和民用电设备接入配电网中，由此产生了功率因 数低、电压波动和闪变、电压三相不平衡、高次谐波污染等诸多电能质量问题，其 中最典型的负荷就是冶金行业的电弧炉和连轧机组【卜引。 为解决这些负荷带来的上述电能质量问题，需要采用能够快速无功补偿和滤波 的装置【4 5 1 。在能够综合解决这些电能质量问题的各种电气设备中【6 - 7 1 ，虽然t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r 晶闸管控制电抗器) + f c ( f i x e dc a p a c i t o r 固定电容器) 型 s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r 静止无功补偿器) 在技术上没s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r 静止无功发生器) ，a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r 有源电力滤波器) 先进，但s v c 性能价格 比相对很高，它的显著特点是能够自动跟踪负荷的运行变化，通过连续控制晶闸管 的导通角来快速调整并联电抗器的输出容量的大小，从而快速、连续地对波动性负 荷进行补偿，提高负荷的功率因数，有效地抑制系统的电压波动和闪变，同时滤除 系统中的高次谐波，并通过分相调整改善系统的三相平衡度【8 j ，因此，负荷补偿用 s v c 得到了广泛应用。 s v c 的动态补偿容量的大小取决于负荷的最大无功波动量和s v c 的响应速度。 当s v c 的补偿率为1 0 0 ，控制系统响应时间为2 0 m s 时，对电压闪变毫无抑制作 用。而如果响应时间超过2 0 m s ，则s v c 的补偿率越高，其运行使得电压闪变越严 重【4 】。在同样的补偿容量的条件下，响应速度快的补偿器在闪变抑制方面要好于响 应速度慢的控制器，若想达到同样的闪变抑制效果，响应速度慢的控制器需要更大 的补偿容量，这就意味着要增加电抗器和电容器的装机容量，从经济角度来说也是 不合理的。所以，s v c 的效果如何，其补偿率和响应速度是关键，响应时间越短越 好。而s v c 的响应速度主要取决于控制系统的控制算法及其性能，因此控制系统也 是不同供货商制造s v c 的最具特色的部分。在s v c 的发计工作完成以后，现场安 装调试之前需对控制设备进行严格的系统测试，以期检验控制系统的稳定性、设备 的补偿容量、控制系统的响应时间是否满足实际运行的需要，避免因控制不当引起 加重电压闪变问题，同时还可发现硬件设备存在的缺陷。 虽说目前s v c 在我国工业领域应用广泛，经过近1 0 年的发展，s v c 产业也已经 形成。但s v c 相应的国家标准g b t 2 0 2 9 8 2 0 0 6 静止无功补偿装置( s v c ) 功能特性 和g b t 2 0 2 9 7 2 0 0 6 静止无功补偿装置( s v c ) 现场试验于2 0 0 6 年7 月1 3 号才经国 华北电力大学硕士学位论文 家标准化管理委员会正式批准，并于2 0 0 7 年1 月1 日起实施，当前国内整个s v c 市场 还不是很规范、成熟，并且尚没有权威的s v c 测试方法和部门。 由此可见，对于s v c 系统，特别是控制系统，采取合理有效评估措施对其进行 闭环测试，不仅仅是装置投入运行前为检验装置性能是否满足特定工程的需要，同 时，这对提高s v c 补偿装置的可靠性、引导s v c 产业的有序发展，规范我国s v c 的 产业化也具有重要意义，是国家标准顺利有效实施的前提。 如何对s v c 控制系统进行评估测试，提高s v c 补偿装置的可靠性，是当前s v c 研究领域项十分有意义的工作。本课题以g b t 2 0 2 9 8 2 0 0 6 静止无功补偿装置 ( s v c ) 功能特性为依据，就t c r + f c 型s v c 控制器的闭环测试展开研究。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外对s v c 装置的研制方面做了很多工作，而且技术也比较成熟，利 用实时仿真系统对控制与保护系统的实时测试，作为项目实施中不可或缺的关键步 骤之一，也已开发和使用了许多不同的测试装置和试验方法【9 l 。 现在已有的实时测试系统主要有以下两类【1 0 。1 1 】：模拟仿真器及数字实时仿真系 统。模拟仿真器更接近实际的电力系统，多年来在实时测试领域一直发挥着积极的 作用，但它耗费及占地面积大、接线复杂，且一旦成型元件参数不可改变，调整运 行方式困难。数字实时仿真系统可克服模拟仿真的这些缺点，具有安全、经济、方 便的优点，在实时测试领域的应用日益广泛。这其中，加拿大r t d s 公司推出的实时 数字仿真器( r e a l t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ，l 汀d s ) 是目前世界上应用最多的实时数字 仿真装置【1 2 】。许多工程项目都采用数字实时仿真系统进行设备投运前控制与保护系 统的实时测试【1 2 。1 4 1 。 r t d s 是国际上第一套商业化的全数字实时仿真装置【”】，它的硬件基于d s p 和并 行计算，计算速度可以达到实时输出的目的；核心软件为e m t d c ( 电力系统计算机 辅助设计) 软件。l 汀d s 通过由一个或多个d s p 可仿真的电力系统的基本元件( 如母 线、线路、开关、电压互感器p t 、电流互感器c t 、发电机、励磁系统等) 构成系统。 构成的系统运行于其上层工作站的r s c a d ( 电力系统计算机辅助设计) 软件。 r s c a d 上r t d s 专用的图形界面，可供用户完成构成系统、运行监控、分析结果等 工作1 1 5 16 1 。 r t d s 最重要的特性是它能维持实时条件下的连续运行，能足够快地求解电力系 统方程并连续地产生输出，输出真实地代表了实际网络的状态。由于计算结果的实 时性，仿真系统能直接连到电力系统控制和保护设备上进行闭环试验。这样，连到 仿真系统的待测设备，就像在实际系统中运行一样。这种试验方法使设备能在大量 系统可能发生的情况下进行一些别的方法不能做到或在实际的系统中不允许进行 2 华北电力大学硕士学位论文 的试验，为评价保护或控制设备的运行提供了条件l r 。 基于当前工业上电弧炉以及s v c 无功补偿装置的应用调查，负荷补偿用s v c 被 大量用于交流电弧炉的补偿，以解决由电弧炉引起的电能质量问题，提高电弧炉的 效率，缩短冶炼时间【1 8 。2 0 1 。研究s v c 控制器的测试及评估系统可以在对装有s v c 的 带典型负荷电弧炉的供配电一次系统实时仿真的基础上，通过将待测控制器接到系 统的仿真平台上进行闭环试验实现【9 】。建立完善的用于治理电弧炉电能质量问题的 s v c 系统的实时仿真测试平台，首先，需要搭建足够真实的系统及负荷仿真模型： 其次，国标中控制系统相关控制目标检测方法的r t d s 实现也是平台建立过程中的一 个关键环节，模型和测试方法的准确性，将直接影响仿真的可信度和测试的有效性。 对于电弧炉系统的仿真，已有诸多学者提出了各种非实时的电弧炉建模方法， 用于评估其引起的电压波动和闪变、谐波、不平衡等电能质量问题【2 1 2 7 1 。这些模型 与实际的电弧炉负荷仍存在较大差别，特别是不能同时反映电弧炉的功率冲击特 性、电压波动特性和谐波特性等，因而难以全面体现电弧炉对供电系统电能质量的 影响【2 引。文献 2 9 介绍了一种基于实测数据的大功率负荷物理仿真模型的建模方 法，该模型通过功率放大电路和耦合变压器将实测的电弧炉电流注入实验室供配电 系统的物理模型，建立了电弧炉补偿的研究平台。 对于控制器补偿效果的评估，g b t 2 0 2 9 8 2 0 0 6 静止无功补偿装置( s v c ) 功能 特性中对负荷补偿用s v c 控制系统的功能及性能有明确规定，包括母线电压和功 率因数的调节、三相电压不平衡度和电压波动闪变的抑制及控制系统响应时间等。 这些控制目标的检测方法的i 玎d s 实现也是测试平台建立的需要。 1 3 本文的研究内容 本文立足于s v c 装置特点、国家标准的要求及行业现状，对用于s v c 系统控 制和保护装置闭环测试的l 玎d s 平台的实现展开研究，将完成如下工作： ( 1 ) 采用基于现场实测数据的实时仿真建模方法，建立能够真实全面体现电 弧炉负荷特性的仿真模型。包括现场数据的采集、p c i 2 0 0 7 a d a 卡驱动程序的开发 以及针对实测系统频率总在一定范围内随机波动的情况，设计实测数据与仿真系统 的同步控制模块，实现完整电弧炉供配电系统的仿真。 ( 2 ) 从对称分量法出发分析s v c 装置的基本补偿原理，对本文中使用的物理 待测控制器的控制算法进行推导并在i 玎d s 中建模，完成s v c 控制器与r t d s 的接 口设计，形成数字一物理混合闭环系统。 ( 3 ) 依据s v c 国家标准，介绍负荷补偿用s v c 控制保护系统应具有的功能特性， 明确各项指标的测试方法，着重对三相电压不平衡度、电压闪变及控制系统响应时间的 3 华北电力大学硕士学位论文 检测方法进行研究，并搭建算法的i 盯d s 模型，通过将算法的测量结果与f l u k e 电能质 量分析仪t 0 p a s2 0 0 0 的分析结果比较，证明测试方法的合理性。 ( 4 ) 在所建的平台上完成s v c 控制器的闭环测试。 4 华北电力人学硕卜学位论文 第二章电弧炉系统的r t d s 建模及仿真验证 第一章中已经提到，研究s v c 控制器的测试及评估系统可以在对装有s v c 的 带典型负荷( 电弧炉) 的供配电一次系统实时仿真的基础上，通过将待测控制器接到 系统的仿真模型上进行闭环试验实现。能够真实再现实际电弧炉系统负载特性的仿 真模型的建立，是s v c 控制器闭环测试的前提。选择合适的仿真平台对测试研究至 关重要。实时数字仿真器r t d s ( r e a l t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) 是目前国内外最先进的 实时数字仿真工具，在诸多领域都有着广泛应用。本章将介绍i 汀d s 实时仿真的国 内外研究应用概况，对电弧炉建模方法进行研究总结，最后在r t d s 仿真平台上， 采用基于现场实测数据的实时仿真建模方法，建立电弧炉系统模型，并对仿真结果 进行了分析。 2 1r t d s 实时仿真概述 数字仿真是目前电力系统相关领域研究中不可缺少的工具。i 盯d s ( r e a l t i m e d 蟛t a ls i m u l a t o r ) 是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的实时数字仿真系统，它 的硬件结构和软件特点比较具有代表性，作为一种基于d o m m e l 电磁暂态算法及并行 处理机制的实时电磁暂态仿真工具，目前r t d s 正在被国内外电力系统的科研机构广 泛应用，包括华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室、南方 电网技术中心、中国电力科学研究院仿真中心、国家电网直流建设公司及福建、山 东等省级电力科学研究院、浙江大学、华中科技大学等。 实时数字仿真技术代替以模拟量仿真为基础的老一代网络分析系统是一种趋 势。相对于动模实验，r t d s 不但具有数值仿真的准确性，还能仿真较大的电力系统， 其仿真规模要比动模实验大得多。使用r t d s 仿真装置，电力系统新设备和网络的设 计或改进能够被评价和准确地试验。现在人们能用数字技术建立电力系统更详细和 更广泛的模型。使用r t d s 在实时的条件下，也就是如同在实际的网络运行状态下， 设备能被试验、运转和优选；意外事故能被设计和模拟；元件间的相互影响能被更 好地分析和理解。r t d s 的应用领域主要包括直流输电仿真，f a c t s 装置研究，大型 电力系统仿真，继电保护设备的测试等【3 m 32 1 。 图2 1 为典型的r t d s 组成结构图。主要包括仿真运算硬件平台r a c k ，后台软 件r s c a d 及相关功放等。 r t d s 因其处理能力强、实时性好、具有外接控制装置闭环测试功能，逐渐成 为了此类研究的重要仿真工具。r t d s 应用于直流输电及f a c t s 装置的研究，其应 用方式主要有以下几种：一是将实验系统的主电路、外接电力系统及控制器全部放 5 华北电力大学硕十学位论文 在r t d s 中实现，不需要外接装置。这种方式可以验证核心控制算法及主电路拓扑 的正确性；二是在r t d s 中仿真外接电力系统及装置主电路，而控制器采用硬件连 接的方式，这种方式主要是验证控制器的有效性，还可以节约搭建装置主电路的费 用；三是在r t d s 中仿真外接电力系统，控制器及f a c t s 设备粟用实际的物理装置， 1 4 于这种方式需要从物理装置中向盯d s 返回模拟量，所以可信度有所降低。文 3 1 研究了t c s c 实际物理装置与盯d s 连接的方法。 器 曝嗄 ，e 赢 图2 1r t d s 组成结构罔 基于r t d s 的特点，本文在盯d s 实时数字仿真平台上，以某钢厂6 0 吨电弧炉 无功补偿工程为参考，采用第二种连接方式，完成用于s v c 控制器闭环测试的r t d s 模型的研究。 22 典型电弧炉供配电系统 图2 2 为本文中采用的某钢厂6 0 吨电弧炉供配电系统接线示意图，将外部l u 网 等值为单机无穷大系统，该系统分为3 个电捱等级，变压器t t 为系统站变压器，将 2 2 0 k v 电压变为1 1 0 k v ，t 2 为用户站变压器，将1 1 0 k v 变为3 5 k v 。电弧炉变压器 t 3 及s v c 并联于3 5 k v 母线。x l i 0 和x 3 5 分别为1 1 0 k v 母线和3 5 k v 母线短路阻抗。 s v c 采用t c r + f c 型，其中f c 兼具滤波功能。p c c 为供电部门电能质最考核点。 =一；：-钲割 ；： ：鞠雠m，”*=：=：=#1；戥暾黼隧 华北电力大学硕士学位论文 该电弧炉供配电系统的主要参数如下： 系统站变压器t 1 ：1 8 0 m v a ，2 2 0 k v 1 1 0 k v ，巩= 1 2 ； 用户站变压器t 2 ：6 3 m v a ，1 1 0 k v 3 5 k v ，巩= 1 0 5 ； 1 1 0 k v 母线短路容量：1 5 3 8 5 m v a ； 3 5 k v 母线短路容量：4 2 3 7 m v a 。 p r f 图2 2 交流电弧炉供配电系统 2 3 电弧炉供配电系统的r t d s 建模 2 3 1 建模的软硬件条件 i 汀d s 建模需要硬件、软件两方面的支持。华北电力大学电力系统保护与动态安 全监控教育部重点实验室于2 0 0 5 年购进r t d s 仿真系统，此系统由4 个r a c k 、相应 的功率放大器及运行r s c a d 用户界面软件的工作站组成。r s c a d 为用户提供了建 模所需的软件平台。在图形用户界面与r t d s 仿真装置中运行的代码之间的重要联系 是一个特殊设计的编译系统。r t d s 编译器从d r a f t 图形界面建模程序模块中取出模 型参数的同时产生处理器所需的并行处理码。此外编译器还根据所搭建的模型和 i 玎d s 所具有的硬件资源给每个处理器分配任务，将元件分配给处理器的工作可以是 自动的或手动的。 2 3 2 模型的建立 首先，按照前边给出的系统参数，电弧炉供配电系统和s v c 主电路可直接利用 i 盯d s 模块库中的基本元件，如图2 3 ，但是作为大功率非线性冲击性负荷，电弧炉 模型建立是一难点。电弧炉模型的准确程度，直接影响仿真的可信度和测试的有效 性。 7 华北电力大学硕士学位论文 露：j 猕爨譬羞蔫 - h n “一_ ， 一nf 七慨t r - 世 图2 3 电弧炉负载供配电一次系统模型 24 电弧炉的r t d s 建模 已有诸多学者提出了各种电弧炉的非实时仿真建模方法，用于评 卉其引起的电 压波动和闪变、谐波、不平衡等电能质量问题m 2 ”。这些模型与实际的电弧炉负荷 仍存在较大差别，特别是不能同时反映电弧炉的功率冲击特性、电压波动特性和谐 波特性等，因而难以全面体现电弧炉对供电系统电能质量的影响【2 8 】。 对于物理仿真，文献 2 9 介绍了一种基于实测数据的大功率负荷物理仿真模型 的建模方法，该模型通过功率放大电路和耦合变压器将实测的电弧炉电流注入实验 室供配电系统的物理模型建立丁电弧炉补偿的研究平台。 本章提出基于现场实测数据的电弧炉建模方法，该模型将电弧炉等效为受现场 实测数据控制的电流源，利用模块库中的a d i n j a 模块，并采用锁相技术实现实测 数据与实时仿真数据的长列间同步。 241 现场数据测量 为建立基于现场实测数据的电弧炉模型，首先要到现场采集数据。图2 - 2 中m 点为现场数据的测量点，测量仪器采用e l s d c c 公司的电能质量数据中心( p o w e r o u a l i t yd a t ac e n l e 0 g “2 0 ，如图2 4 ，该仪器具有如下特点：采样速率可达5 1 2 点， 工频周期：可同时记录4 路电压信号、6 路电流信号和2 路测温信号，每通道最小 模数转换时间为舡s ；采用p q z i p 数据压缩技术，可记录长达1 个月的连续波形： 它还有功能强大的电能质量分析软件。 在电弧炉运行现场，将该仪器接至电弧炉配电室的电压互感器p t 和电流互感 器c t ，完整测得炼钢过程中3 5 k v 母线电压数据和电弧炉变压器一次侧电流数据。 一_ 华北电力人学硕十学位论文 2 42 接口设计 龟圆 罔2 4e l s d c c 电能质量数据c l j 心g 4 4 2 0 建立电弧炉模型，需要将实测屯流数据接入仿真系统。r t d s 公司提供基于 g t n e t 接口系统的数据传输方案，实现大容量波形数据与实时仿真系统的接入， 即r t d s 系统通过g t n e t 接口从数据文件j | 务器读取波形数据文件如图2 5 所示。 盯0 8 “警l 幽2 5 基j 。0 t n e t 的接u 设计冉案 由于当时华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教什部重点实验室r t d s 系统尚未配簧g t n e t 仁，所以凼条件限制未能采用此种方案。 本文设引如图2 6 所示的接口方案：所有实测数据( 母线电压和i b 弧炉电流) 均通 过信号发生单元转换为模拟信号后经o a d c 卡接入仿真系统。 对比冈2 s 和罔2 6 叫以再山，r t d s 公司方案实测数据采用数一信号输入，由 n d s j i s t c 【l g t n e t p l a y b a c k 模块在仿真软件r t d s d r a f r 内实现波形旧放；本 虿丁圈 华北电力大学硕十学位论文 文设计的方案中，现场实测数据采用模拟信号输入，由r l d s s h a r c 一0 a d c l n j 模块在 r t d s d r a f r 内实现信号注入。两种方案均需通过设计信号同步控制环节实现仿真 系统与实测数据的同步。 r t d s r t d t s h a r c p “一 ；2 d i t s 舀 n d s s h a r c o a d c 3r t d s s h a r c c t i r t d s s h a r a d c i n j a o u t o a d c 卡 3 p c 卡d ，a 2 4 3 模拟信号的生成 图2 6 基于o a d c 的接口设计方案 圈 本文中的电弧炉模型采用图2 6 的接口设计方案，将电弧炉等效为受现场数据控 制的电流源，即图2 3 中的r t d ss h a r co a d c i n j 模块，此模块受控于基于现场实测数 据转换而得的模拟信号，模拟信号通过r t d s 的模拟输入端口实现对受控电流源的 控制。为将g 4 4 2 0 采集到的现场实测数据转换为模拟信号，此环节依托由普通计算 机和基于p c i 接口的数据转换卡p c i 2 0 0 7 a 构成的硬件平台，p c i 2 0 0 7 a 卡是一种基 于p c i 总线的d a 卡，可直接插在与之兼容的计算机内的任一p c i 插槽中，构成数据 采集、波形分析和处理系统。此卡中有d a 转换电路部分，可实现波形连续输出。 首先，存储在g 4 4 2 0 内的实测数据需预先经e l s p e c 的p q s c a d a 软件包导出形成 波形数据文件( c s v 文件) 。导出时选取时电弧炉的一个炼钢周期( 时长为1 0 分钟) 。 受导出数据采样率和时间长度的限制，采样率取每周期采5 1 2 个点，导出形成3 0 0 个c s v 数据文件后，设计数据处理程序( 编程语言选用v i s u a lb a s i c ) ，将其转换为d a t 形式的数据文件。 然后，开发p c i 2 0 0 7 a 驱动程序，实现大容量数据从数据文件到模拟信号的连续 转换。信号发生单元的启动信号由r t d s 的3 p c 卡模拟输出端口引出，信号发生单元 驱动程序流程如图2 7 所示。 l o 华北电力大学硕十学位论文 2 4 4 信号同步 图2 7 信号发生单元程序流程 模拟信号生成后，采用图2 6 的接口设计方案，将模拟信号经0 a d c 卡接入仿真 系统。因仿真系统中将外部电网等效为单机无穷大系统，而实测系统频率总在一定 范围内随机波动，当系统频率与实测信号频率不同时，对于长时间实时仿真，其积 累偏差将有可能超出允许范围，使仿真系统信号和实测数据不再同步，特别是注入 仿真系统的实测电流数据与仿真系统电压信号失去同步，将会导致仿真失败。因此， 需要对二者进行信号的同步处理。 设仿真系统内的电压信号为“，角频率为，相位为够，电弧炉电流信号为i ，实 测值分别为“、驴和f7 ，电压与电流的对应关系分别为尺和尺。仿真信号与实测 信号之间的对应关系如图2 8 所示： f = 尺( 比) “= u s i n ( 耐+ 驴) f 纠： f = r - ) + + “= us i n ( f + 驴f ) 图2 8 仿真信号与实测信号的对应关系 实现电弧炉模型的问题归结为：在f 。f7 的条件下，如何保证尺；尺。由于电弧炉电 流f7 变化剧烈，不适合作为直接的数据处理对象，因此选择“或“为调节对象。实现 尺趣有以下两种方法：其一，调节仿真系统电源电压的频率和相位缈，使“与“相位 1 l 华北电力人学硕十学位论文 保持一致；其二，仿真系统电源发定参数不变，对实测数据进行实时处理，使“与“ 相位一致。 本文采用第一种方法，即在r t d s d r a 兀冲使用i f - f t d s s h a r c s l d s r c 可调节电 源模型，设定其初始频率伽，通过搭建的频率测量模块和相位测量模块，逐周波比 较实测电压信号频率7 与仿真电压频率，并计及二者相位偏差转化而得的频率调 节量4 ，得到总的频率调节量4 ，实时更新可控电源模块的频率参数，从而使仿 真电压跟踪实测电压频率及相位变化， 尺嘏7 ，其控制策略如图2 9 所示。仿真中， 实现现场实测信号与仿真信号的同步，即 现场实测电压信号仅用于信号的同步。 6 0 堇 4 0 o2 0 昌 。 锄一2 0 一4 0 一6 0 6 0 蔓 4 0 2 0 墓一2 占 螂一4 0 6 0 图2 9r t d s 与实测电压信号的同步控制 时间s ( a ) 仿真开始 时i 日j s ( b ) 仿真巾某时段 图2 1 0 仿真信号与实测信号的同步 ：仿真信号一：实测信号 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 0 为3 5 k v 母线线电压玑b 仿真信号与实测信号的同步波形，( a ) 为仿真开 始时的同步波形，( b ) 为仿真过程中某时段的同步波形。从图中可以看出，通过采 用锁相同步技术，仿真母线电压信号与现场实测电压信号在仿真过程中相位保持了 一致。需说明的是，对于仿真电压幅值的变化，其仅与仿真模型中电弧炉供电系统 阻抗、电弧炉电流、s v c 控制器所采用的补偿算法等因素相关，而与实测电压幅值 变化无关，二者的差异取决于系统等值参数与现场实际参数的差异。 2 5 电弧炉模型实时数字仿真结果及分析 为验证本章提出的电弧炉建模方法，在r t d s 搭建如前文所述的实时数字仿真系 统，对仿真结果进行分析。 图2 1 1 显示了仿真开始1 分钟内电弧炉的有功功率和无功功率的变化( 功率基准 值为1 0 0 m w 和1 0 0 m v ，a r ) 。其特点是，电弧炉对系统的功率需求随时问随机变化， 功率冲击现象明显。 晏 糌 唇 雷 怔 晏 槲 督 器 怅 时间s 图2 1 1 仿真信号与实测信号的同步 由于本章所采用的建模方法是将电弧炉等效为受现场实测电流数据控制的电 流源，在不计0 a d c 卡数据转换误差的情况下，电弧炉电流仿真波形与实测波形完 全一致。为了说明电弧炉实时仿真模型所反映的电弧炉电流谐波特性，选取比较典 型的两个时间段内a 相电流厶的仿真波形，对其进行f f t 分析，2 、3 、4 次谐波电流 厶2 、厶3 、厶4 的变化曲线如图2 1 2 ( a ) 、( b ) 所示。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 6 小结 2 o 一2 2 0 2 ( a ) 仿真中时段一 ( b ) 仿真中时段二 图2 1 2 电弧炉电流的谐波特性 本章参考实际的s v c 工程，实现了基于实测数据的电弧炉实时仿真系统的模 型，并通过锁相技术实现了实测数据与仿真数据的同步。通过仿真结果的分析，验 1 4 华北电力大学硕士学位论文 证了所搭建的模型能够全面而真实地再现实际电弧炉负荷的负载特性。 在所搭建的实时数字仿真平台上，可深入进行如下研究工作：评估s v c 系统的 功能特性和电能质量改善效果；对s v c 系统主电路各参数进行优化；针对电弧炉负 荷的其它补偿方案及控制算法的研究，为进一步的研究工作奠定了坚实的基础。 需要指出的是，由于电弧炉电弧的随机性以及不同电弧炉的特性并不完全相 同，基于特定实测数据的电弧炉模型，虽然不具有通用性但却具有一定的代表性。 就建模方法而言，对电力系统中其它难以给出精确解析表达式的负荷均可采用本文 介绍的基于实测数据的建模方法和数据同步技术，并将模型用于r t d s 实时仿真研 究，如故障分析、装置测试等，不同之处仅在于所取现场实测数据的不同。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章s v c 控制器的算法分析及与r t d s 的接口设计 在第二章中已经建立了能够真实再现电弧炉负荷特性的电力系统模型，本章将 在此基础上，从对称分量法出发分析s v c 装置的基本补偿原理，对本文中使用的物 理待测控制器的控制算法进行推导并在r t d s 中建模，最后完成了s v c 控制器与 r t d s 的接口设计，形成数字一物理混合闭环系统。 3 1s v c 补偿原理和对称分量法 3 1 1 理想的补偿电纳网络 假设供电电压三相平衡【3 4 1 ，任何不接地的星形连接的负载都可以表示为： 以 砜 玩 口刍一g f 加+ ，l c b ，曲 v ，6 c g f ，6 c + _ | 水马，6 c ，。= g f ，。+ 】i c 且，。 ( 3 1 ) 补偿导纳 图3 1 第一步补偿 负载q 式( 3 1 ) 中，表示负载，c 1 表示经过第一步补偿，如图3 1 所示，第一步补偿后补 偿器和负载呈现电阻特性，此时只是修正了负载的功率因数。由于g f ，口6 g f ，b 。乒g f ， 所以补偿后的负载仍然是三相不平衡负载。第二步考虑单相负载g ，脚情况，通过在a 、 b 相间连接电容b 。2 ，。6 ，在b 、c 相间连接电容b 。2 加后得到三相平衡阻性负载，等效网 1 6 华北电力火学硕士学位论文 络如图3 2 ，c 2 表示经过第二步补偿。 a 图3 2 第二步补偿 可以看到经过补偿后的负载是三相平衡的。此时电源不需供给无功功率，同理 a b 相和b c 相也可以用同样方法加以平衡。由此得出三相不平衡补偿的理想化公式： 阳。= 一马面+ ( g f 矿g f k ) 压 1 主：二二三：二置二二耋三髟菇【皿，m = 一局，“+ ( g f k g f 曲) 3 ( 3 2 ) 其中，占。，加曰。，6 。、玩，。d 是s v c 应该补偿的导纳。 因此可以得出负荷补偿的如下原则： ( 1 ) 任何一个不平衡负载都可以通过并联一个补偿网络转变为一个平衡的、 阻性负载，而不必要在负载和系统电源之间交换有功。 ( 2 ) 该补偿网络可以完全由电感和电容构成。 3 1 2 对称分量法的补偿公式推导 因为上一小节式( 3 2 ) 中的电纳很难直接测量得到，需推导出具有电压和电流 的实用公式。在不平衡负荷由三相正序电压供电时，令： n = e f 2 柏为旋转因子，s 代表电源，代表负荷，c 代表s v c ，厂代表f c ，代表 t c r ，u 为s v c 接入点相电压有效值。 则正序三相平衡电压为： 1 7 华北电力大学硕士学位论文 因此线电压是： 仨 = u = u zu 【，。- 【， u 6 。口2u u 。= 口u u 6 = ( 1 一口2 ) u u 。；( 口2 一口) u 一玑一( 口一1 ) u ( 3 3 ) ( 3 4 ) 如图3 1 所示三相电压给不平衡负荷供电，三角形接法的负荷每支路的电流是： 因此线电流是： j 如6 = v 口6 u 曲= 口6 ( 1 一口2 ) u ，加；b c u 6 c ；。k ( a 2 一口) u ，f ，c n k ，。u “；k ，。( a 1 ) u ( 3 5 ) ，。= ，。6 一，。= k 一6 ( 1 一a 2 ) 一v ，。( a 一1 ) p ，f = ，f ，b c j f ，4 b k ，k ( a 2 一a ) 一x ，曲( 1 一a2 ) j u ( 3 - 6 ) ，。= ，。一，k = 嘭，。( 口一1 ) 一v 加( a 2 一a ) p 线电流的对称分量法由下式给定： 一( 龇+ ；c ) 一( 如砒2 j c ) e ( 如2 砒j c ) 1 8 ( 3 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，o ，t ，z 分别是零序、正序、负序电流，将式( 3 5 ) 代入此式可得三相电 流的序分量，如式( 3 8 ) 。 ，o = 0 ，u ；去【v ，4 。( 1 一a 2 ) 一z 。( 口一1 ) + v 加( 口3 一口2 ) 一v ，。( a a 3 ) + v ，。( 口3 一a 2 ) 一x 加( 口4 一口3 ) 】 = 言u 【v 加+ v 6 c + k ，。】 ( 3 - 8 ) ，f 1 2 = 丢【v 加( 1 一口2 ) 一，。( 口一1 ) + k ，6 c ( a 4 一口3 ) 一z 加( a 2 一a 4 ) + v ，。( 口2 一口) 一v 加( 口3 一口2 ) 】 。丢6 _ ( 口z v 柚+ v ，6 c + 口k ，。 式( 3 - 8 ) 中，若是平衡负荷，则，啦= 0 ，因为负荷平衡时，m ，曲= y f ，6 。= y f ，。口，而 口2 + 1 + 口；o 。 而三角形接法的补偿器的线电流与三相负荷的序分量相似： j c 0 = 0 o 申虬+ 统加+ 尻，。】 ( 3 - 9 ) o 巾k + 皿加+ 啦脚) 】 若要求补偿器进行平衡补偿，要求补偿后负序电流为o ，则，啦= j 啦+ ，。：= o ， 即，啦的实部、虚部均为0 。 若要求进行无功补偿，则正序电流虚部为o ，l ( ，蹦) 一l ( ，u + ，c ，1 ) = 0 由上边三组式子可求解补偿电纳b 。，加眈，6 b 。，。4 j ，z + ，三毋 一c 一。圭一，孚，b c a 一皿加一c 一三+ ，雩，e ，。n 】2 。 。3 1 。， ，。( ，- ) + 三u c b 。，曲+ 皿，k + 皿，。，= 。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 得： 嘉阿，) 勘( 一风( 叫】 击阡1 ) - 2 h ( 叫】 协 皖删嘉阡，) m ( 叫+ 风( 叫 对于f c + t c r 型s v c 可得： 玩加= e ，曲+ b ，加 b c j b c = b t b c + b fb c b c = b t 商4 七b f 商4 ( 3 1 2 ) 一嘉m ) 幽) 一风( | _ 击阿寸2 h ( 协 一嘉阿) + h ( 叫+ 风( 叫】 由上式可以看出，直接求f c 和负载电流之和的正序分量虚部i m ( ，f ，1 ) ，负序分 量实部r e ( ，f ， 2 ) ，负序分量虚部i i i l ( ， ) 以及电压有效值u 就可以很容易的得到补偿 导纳。 3 2 基于瞬时有功、无功电流的控制算法 本文采用的s v c 物理待测控制器是保定三伊电力电子有限公司生产，其控制算 法是基于瞬时无功功率理论的。本小节对物理待测控制器采用的控制算法进行推 导。 3 2 1 o 的运算方式 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算。岛为出发点即可得到三相电路 n 华北电力大学硕士学位论文 谐波和无功电流的方法称为o 计算方式，该计算方式框图如下【8 1 ： 配3 中，c 3 2 ：粤 图3 3 f p 、计算框图 1一!一三 22 o 鱼一鱼 22 rs i n 耐 ， c ：l i i c o s 耐 l 在该方法中需要用到和e 。同相位的s i n 耐和c o s 耐，它们由一个锁相环电路和正 余弦发生器产生，对三相瞬时电流进行采样后，经过3 2 变换得到两相瞬时电流， 再根据定义计算出f ”，最后经过低通滤波器滤除谐波产生的交流分量，得到三 相电流中的基波正序分量对应的有功电流；，和无功电流；g 。 3 2 2 基于如、算法的实用化补偿公式推导 由式( 3 1 3 ) 可以看出，直接求负载侧电流正序分量虚部i i i l ( ，f ， 1 ) ，负序分量实部 r e ( ，舭) ，负序分量虚部i i l l ( ，2 ) 以及电压有效值u 就可以很容易的得到补偿导纳。 下面