（电机与电器专业论文）钢铁企业无功补偿监控系统设计与仿真.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n e j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r d e s i g na n ds i m u l a t i o no fs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo nir o na n ds t e e le n t e r p r i s e s t a t i cv a rc o m p e n s a t i o n c a n d i d a t e ：j i a nm e i s t u d e n tn u n l b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 01 s c h o o l d e p a r t m e n t ：c o l l e g eo f e l e c t r o n i c sa n d i n t b r m a t i o ne n g i n e e r i n g 一一 d i s c i p l i n e ： e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：e l e c t r i c a lm a c h i n ea n da p p a r a t u s s u p e r v i s o r ：p r o f l i j u nj i n m a r c h ，2 0 1 0 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：袖艇 如lo 年j 月彬日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：五知使 三。f 口年3 月弓日 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 钢铁企业是电网的用电大户，具有负荷容量大、起制动频繁、无功冲击剧烈 等特点，负荷工作时会造成电压波动剧烈和功率因数低等问题。因此，研究钢铁 企业的无功补偿技术，对钢铁企业提高供电可靠性，降低损耗，节能减排，提高 设备效率，保证产品质量有着非常重要的意义。 本文分析了钢铁企业的负荷特点，对比了各种补偿装置的优缺点，在此基础 上进行了钢铁企业用静止无功功率补偿器( s v c ) 的选型。介绍了f c t c r 型静止 无功补偿装置的结构组成及基本原理，并提出了以f c t c r 型s v c 为基础的钢铁 企业无功补偿监控系统设计。 在监控系统的控制器设计中，采用了瞬时无功功率理论算法计算触发角，结 合了模糊控制理论控制补偿容量，并对控制策略进行了s i m u l i n k 仿真验证。在 此基础上提出了s v c 监控系统的硬件设计、软件设计和上位机界面设计方案。硬 件设计以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和c p l d 芯片e p m 7 5 1 2 a e t c l 4 4 为核心，配有信号 调理电路、锁相环等检测电路、触发脉冲信号产生电路、以及外围控制和驱动电 路；软件设计主要包括外部a d 采样、d s p 算法以及c p l d 产生各触发脉冲信号的 程序等模块。以力控组态软件为开发环境，设计了s v c 监控系统上位机界面。 最后，在实验室搭建的模拟实验平台下，对监控系统和晶闸管的触发系统进 行了联调，联调的结果符合设计的基本要求，说明了设计的合理性。 关键词：无功补偿，监控，模糊控制 a b s t r a c t i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e sh a v ea l w a y sb e e nb i gp o w e rc o n s u m e r si np o w e r s y s t e mw h i c hh a v et h e c h a r a c t e ro fb i gc a p a c i t y , f r e q u e n ts t a r t i n ga n db r a k i n g ， r e a c t i v ei m p a c ts h a r p n e s s ，a n dh a v et h ep r o b l e m so fl o wp o w e rf a c t o r , v o l t a g e f l u c t u a t i n ga n ds oo n t h e r e f o r e ，d o i n gr e s e a r c ho nr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o ri r o n a n ds t e e l e n t e r p r i s e sh a sg r e a tm e a n i n g o ni m p r o v i n gp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y , r e d u c i n gp o w e rl o s e ，b o o s t i n ge q u i p m e n te f f i c i e n c ya n da s s u r i n gp r o d u c tq u a l i t y t h i st h e s i sa n a l y s i s e dt h el o a dc h a r a c t e ro fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ，c o m p a r e d a l lk i n d so fc o m p e n s a t i n gd e v i c e st of i n do u tt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n d f i n a l l yu s e ss t a t i cv a tc o m p e n s a t o rs v c o ft y p ef c - t c rt od or e a c t i v ec o m p e n s a t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o na n dt h e o r yo fs v ca n dd e s i g et h es u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo fs v cu s e di ni r o na n ds t e e le n t e r p r i s eb a s e do nf c - t c r t h r o u g hs v c c o n t r o ls t r a t e g ya l g o r i t h mb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r ya n df u z z yc o n t r o lt h e o r yw ed e e p l y s t u d i e dh o wt or e a l i z ed y n a m i c c o m p e n s a t i n go fs v cd e v i c ea n dm a k eas i m u l a t i o nm o d e lt ov e r i f yi t t h ed e s i g n o f c o n t r o ls y a t e mi n c l u d i n gt h eh a r d w a r e ，s o f t w a r ei s t h ec o r eo ft h ep a p e r t h e h a r d w a r eh a st m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pa n de p m 7 51 2 a e t c l 4 4c p l da st h ec o r e ， c o u p l e dw i t hs a m p l i n gc i r c u i t ，c o n d i t i o n i n gc i r c u i t s ，p a s e l o c k e d l o o p s ，o t h e r d e t e c t i o nc i r c u i t sa n do t h e rp e r i p h e r a ld r i v i n gc i r c u i t s t h es o f t w a r ei n c l u d e st h e e x t e r n a la ds a m p l i n g ，a l g o r i t h m so fd s p , a n dt h ep r o g r a mo fg e n e r a t i n gt h et r i g g e r p u l s es i g n a l a l g o r i t h mi n c l u d e st h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n dt h e f u z z yc o n t r o lt h e o r y , w h i c hc a nb eu s e dt or e a l i z ed y n a m i cc o m p e n s a t i n ga c c o r d i n gt o t h r e e p h a s eb o l t a g e ，c u r r e n ti n s t a n t a n e o u sv a l u e t h ei n t e r f a c eo f h o s tc o m p u t e ru s e d i ns v cc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do np o w e r c o n t r o ls o f t w a r e i nt h ee n d ，w eh a v ed o n ec o m b i n e de x p e r i m e n tt ot h ew h o l es v cs y s t e mi nt h e l a be x p e r i m e n tf l a tw h i c hi sf o u n da l lb yo u r s e l v e s ，i n c l u d i n gp r i m a r yc i r u l e ， s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ma n dt r i g g e r i n gs y s t e m t h er e s u l t so fe x p e r i m e n tb a s i c a l l y f i tt h ep u r p o s eo fd e s i g n ，s h o w e dt h a tt h ed e s i g no fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi s r e a s o n a b l e k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，s u p e r v i s o r yc o n t r o lf u z z y c o n t r o lt h e o r y , i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章引言1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 无功补偿的研究现状。3 1 2 1 无功补偿的分类3 1 2 2s v c 装置的研究现状4 1 2 3s v c 监控系统的研究现状5 1 3 本文所做的工作6 第2 章钢铁企业无功补偿选型与原理8 2 1s v c 的分类与选型8 2 2s v c ( f c t c r 型) 的结构与原理9 2 3s v c 监控系统基本构成1 1 2 3 1 钢铁企业供电系统的电量检测1 1 2 3 2t c r 触发角算法。1 1 2 3 3 晶闸管触发脉冲。1 5 2 3 4 上位机界面。15 2 4 本章小结1 5 第3 章无功补偿算法与模糊控制器设计1 6 3 1 基于瞬时无功功率理论的算法设计1 6 3 1 1 基于瞬时无功理论的无功检测数学模型1 6 3 1 2 触发角算法的数学模型2 0 3 1 3 算法的s i m u l i n k 仿真2 2 3 1 4 算法在d s p 上的具体实现2 4 3 2 基于模糊控制理论的模糊控制器设计2 7 3 2 1 模糊控制理论介绍2 7 3 2 2 模糊控制器的结构设计3 0 3 2 3 模糊控制器的数学模型3 1 3 2 4 模糊控制器的s i m u l i n k 仿真3 5 3 3 本章小结3 8 第4 章无功补偿监控系统软硬件设计3 9 4 1 系统总体设计方案3 9 4 1 1 监控系统主芯片模块功能一4 0 4 1 2 监控系统工作流程及输入输出信号。4 0 4 2 控制器硬件设计4 1 。4 2 1 控制器处理器简介4 3 i i i 同济大学硕士学位论文目录 4 2 2 电源模块电路设计4 4 4 2 3 电压调理模块设计。4 7 4 2 4 电流调理模块设计4 9 4 2 5d s p 模块设计51 4 2 6c p l d 模块设计5 2 4 2 7 其他外围电路模块设计5 5 4 3 晶闸管触发系统设计5 8 4 3 1 晶闸管阀触发系统基本要求5 8 4 3 2 晶闸管阀触发系统组成5 8 4 4 控制器软件设计6 4 4 4 1 控制器软件设计总体流程6 4 4 4 2 程序编译环境c c s 和q u a r t u s 介绍6 5 4 4 3 系统初始化6 6 4 4 4 采样程序模块6 7 4 4 5 触发程序模块6 9 4 4 6 通讯程序模块7 1 4 4 7 按键程序模块7 3 4 4 8 软件抗干扰设计7 3 4 5 上位机界面设计7 4 4 5 1 上位界面设计目的和基本原则7 4 4 5 2 上位机界面开发工具j 7 5 4 5 3 上位机界面的具体设计7 6 4 6 本章小结81 第5 章无功补偿监控系统实验验证8 2 5 1 实验简介8 2 5 1 1 实验目的8 2 5 1 2 实验设计方案8 2 5 2 实验验证8 5 5 2 1 电压电流信号采样8 5 5 2 2 触发角实验8 6 5 2 3 联调触发脉冲实验8 7 5 3 本章小结8 8 第6 章结论与展望8 9 6 1 结论8 9 6 2 进一步的工作方向8 9 致谢9 1 参考文献9 2 附录ax i n t 中断子程序9 5 i v 同济大学硕士学位论文目录 附录b 触发脉冲的c p l d 程序图9 7 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果9 8 v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 钢铁工业历来都是国家的重要原材料工业，在国民经济中占有十分重要的 地位。现代化的炼钢炼铁设备大部分都是超高功率的电气化设备，要维持钢铁 企业的正常运转就需要耗费大量的电能【l 】，因此钢铁企业历来都是电力系统中 的用电大户，其用电量在社会工业用电量中占有相当大的比例。以上海宝钢钢 铁公司为例，它的年用电量约占上海市电网的1 0 。根据2 0 0 2 年发布的行 业用电分析的数据，把各行业年用电量绘制成图1 1 所示的比例图。 圈电力蒸汽热水生产及供应业 化学工业 口黑色金属冶炼压延加工业 口建材及其他非金属矿制造业 有色金属冶炼压延加工业 圜苴仙 图1 1 各行业用电比例分布图 从统计数据可以看出，包括钢铁工业在内的黑色金属冶炼压延加工业用电 量为1 3 2 4 0 t w h ，占全年社会用电量的8 0 8 ，而其中钢铁企业用电就多达 10 7 3t w h ，占了黑色金属冶炼压延加工业的绝大部分【2 】。 钢铁企业的设备除了用电量大之外，其负荷还有鲜明的特点。 钢铁企业中拥有电弧炉、轧钢机等大型用电设备，这些设备的单机容量大， 有功功率及无功功率的变动幅度、频率都很大，并且作重复周期性的变化。随 之而产生了有功冲击和无功冲击，对电力系统的频率和电压产生极大的负面影 响。 ( 1 ) 轧钢机的负荷特性 大型轧钢机属于三相基本平衡的冲击负荷，就其冲击负荷特点，可分为两 类【3 】： 1 ) 轧制周期较短，功率变化速率高。例如初轧机、厚板轧机、型钢轧机等； 2 ) 轧制周期较长，功率变化速率低。例如冷、热连轧机等。 这两类轧机的冲击负荷幅值、功率变化速率、轧制周期的数值范围见表1 1 。 1 同济大学硕士学位论文钢铁企业无功补偿监控系统设计与仿真 表1 1 冲击负荷幅值、速率、周期 冲击负荷幅值功率平均变化速率轧制周期 轧钢机类型 a p ( m w )a q ( m w ) 上升( m w s )下降( m w s ) 平均( s ) 板坯初轧机 2 0 3 02 0 2 54 0 5 04 0 5 01 0 o o 热连轧机 4 0 7 04 0 7 04 74 71 5 0 o o 冷连轧机 3 0 4 03 0 4 03 43 43 0 0 0 0 传统的轧钢机主传动由电动机发电机交流机组供电，运行过程中主要产生 有功冲击负荷；而现代大型轧钢机主传动直流电动机采用晶闸管变流装置供电， 生产时，既有有功冲击负荷，又有无功冲击负荷，而且现代轧钢机传动装置的 机组容量日益增大，有的达数万千瓦，其负荷重复冲击异常剧烈，速度周期变 化。特别是当可逆轧机咬钢，连轧机穿带完毕多个机架同时升速瞬间，由于晶 闸管变流控制角较大，功率因数很低。随着控制角减小，功率因数上升，无功 功率相应下降，至稳速轧制时一般无功功率小于有功功率。通常平均功率因数 为0 7 0 8 。 总结了轧钢机的运行特性如下： 1 ) 无功冲击大；2 ) 有功冲击大；3 ) 产生特征谐波电流和非特征谐波电流。 冲击负荷的大量存在，加之发电机的电气和机械惯性，发电机的功率变化 总是滞后于冲击负荷的变化，于是就发生电力系统的频率变化；冲击负荷的存 在还会造成系统各点的电压波动，影响系统稳定性，严重时还有解裂的可能； 冲击负荷的存在还会对系统中的用电设备产生很大的危害。 ( 2 ) 电弧炉的负荷特性 炼钢电弧炉是三相不平衡的冲击负荷，是钢铁企业常用的一种大容量用电 设备，单台容量可达1 0 一2 0 m w ，大型电弧炉常常要求由1 1 0 - - 2 2 0 k v 电网直接 供电，超高功率电弧炉的单台容量则更大【4 1 。电弧炉在精炼期间，三相负荷均 匀对称；在起始熔炼期间，由于受炉内原料堆积不均匀及熔融差别等因素的影 响，负荷波动很大，电流可达其额定值的2 0 - - 3 5 倍，以致引起很大的网络电 压波动与闪变【5 】。 电弧炉对电能质量方面的具体影响主要表现为以下4 个方面【3 】： 1 ) 无功波动负荷大且急剧变动，引起电网电压急剧变化，发生闪变。 2 ) 使电网电流波形产生畸变，产生有害的谐波电流。 3 ) 三相负荷严重不平衡使电网产生负序分量。 4 ) 引起功率因数下降。 综上所述钢铁企业供电系统的电能质量问题严重，对其进行无功补偿，提高 运行安全性，具有重要意义。另外，无功补偿也有巨大的经济效益。以首钢中板 厂无功补偿的效益分析为例【3 7 1 ，投入前后的系统的性能参数如表1 2 所示。 2 第1 章引言 表1 2 无功补偿投入前后系统主要参数变化 名称投入前 投入后 不轧钢时3 5 k v i i 段进线电流a 7 0 8 0 3 0 4 0 不轧钢时3 5 k vi i 段功率因数 0 6 0 7 0 9 7 o 9 9 轧钢时3 5 k vi i 段进线电压波动k v 2 7 3 63 4 3 6 轧钢时3 5 k v i i 段进线电流波动，a 1 8 0 6 0 0 1 2 0 3 5 0 轧钢时3 5 k v 段进线最大无功冲击k v a r 3 3 0 0 0 1 7 5 0 0 吨钢电耗( 平均) k w h 1 0 08 0 从表1 2 中数据可知，投入补偿后电网电压波动明显改善，电网的无功冲 击大幅降低，功率因数明显提高。投入补偿前，电炉运行时的平均功率因数约 为0 6 5 ，每月功率因数罚款3 0 万元，每年罚款3 6 0 万元。无功补偿投入后平均 功率因数升高到o 9 8 。按正常生产时月平均电量3 0 6 0 万千瓦时计算，节省的网 络损耗7 4 5 4 万元。可见，无功补偿投入获得的效益相当明显。 1 2 无功补偿的研究现状 1 2 1 无功补偿的分类 无功补偿技术经过几十年的发展，形成了种类繁多的设备。无功补偿分类 图如图1 2 所示。 无功补偿装置 运动装置 静止装置 厂懿耀 _ 电力蝴袱粉 一 lf s 三m 有源装置 无源装置 有源装置 根据无功功率补偿装置是否拥有运动部件来分类，可以分为运动无功功率 3 一 一 同济大学硕士学位论文钢铁企业无功补偿监控系统设计与仿真 补偿装置和静止无功功率补偿装置。根据无功功率补偿装置开始使用的时间， 可以分为传统无功功率补偿装置和现代无功功率补偿装置。根据电压等级的不 同分类，可以分为低电无功功率补偿装置和高压无功功率补偿装置。根据装置 本身有无自带电源分类，可以分为无源无功功率补偿装置和有源无功功率补偿 装置。运动无功功率补偿装置主要是同步调相机，属于传统无功功率补偿装置， 也属于有源无功功率补偿装置。静止无功功率补偿装置主要有电力电容器、电 力电抗器、静止无功功率补偿器、静止无功功率发生器、统一潮流控制器、有 源电力滤波器，其中电力电容器和电力电抗器为传统静止无功功率补偿装置， 其他静止无功功率补偿装置属于现代静止无功功率补偿装置。电容器、电抗器 与静止无功功率补偿器属于无源无功功率补偿装置，静止无功功率发生器、统 一潮流控制器和有源电力滤波器属于有源无功功率补偿装置【l 。 进入2 0 世纪7 0 年代随着电力电子技术的发展，各种晶闸管控制的静止型动态 无功补偿装置( s v c ) 有了很好的发展，它是一种快速跟踪负载变化的动态无功 补偿装置，通过控制晶闸管的导通角来快速调节并联电抗器的大小或投切电容器 组，对调节负荷功率因数、稳定和平衡系统电压、消除流向系统的高次谐波电流、 平衡三相负荷等有显著作用1 8 j 。s v c 目前应用最为广泛，其价格适中，技术成熟， 性能可靠，近十多年来始终占据着静止无功补偿装置的主导地位。据不完全统计， 全世界正在运行的s v c 装置目前已超过一千套，总容量超过10 0 g v a r t 9 1 。 到了2 0 世纪8 0 年代后，一种采用自换相变流电路的静止无功发生器( s v g ) 出现，也被称为静止同步补偿器( s t a t c o m ) 1 2 】。它由直流电容、电压型变流 器和与系统连接的变压器构成，体积小，调节快，可以做成模块式结构，根据电 力系统需要灵活配置。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国分别研制成功了一套8 0 m v a 和一套1 0 0 m v a 的采用g t o 晶闸管的s v g 装置，并且成功投入商业运行【1 3 】【1 4 】。 目前国# b s v c 技术已经相当成熟并取得广泛的工程应用，尤其f c t c r 型的 s v c , b 偿装置具有动态补偿性能好，响应速度快的特性，非常适合钢铁企业的冲 击负荷做补偿。s v g 虽然诸多优点，但价格比较高，目前尚未形成商品化，而且 s v g 尚不具有s v c 可在不平衡情况下运行的优良品质，损耗远大于s v c ，在节能 效率上远不如s v c 。所以钢铁企业动态无功补偿装置首选s v c 6 1 。 1 2 2s v c 装置的研究现状 国内s v c 的发展从2 0 世纪9 0 年代开始，以荣信、中国电力科学研究院电力电 子公司、西电集团为代表的国内企业，已具备相当强的研发、生产实力。2 0 0 1 年，中国电力科学研究院研制出具有自主知识产权的t c r 型s v c ，成功应用于工 业用户治理工程和变电站无功功率和电压的控制，2 0 0 4 年鞍山红一变3 5 k v 的 4 第1 章引言 s v c 投入运行；鞍山荣信电力电子公司引进乌克兰s v c 技术，进行消化吸收及 再创新，于1 9 9 7 年推出自主知识产权的s v c ，首套1 0 k vs v c 应用于鞍钢厚板厂 宽厚板生产线无功补偿【1 6 1 ；中国西电集团最早引进a b b 公司的s v c 技术，经过多 年自主研发，现在已拥有全套自主知识产权的s v c 控制技术【l 。 国外以a b b 、s i e m e n s 、a l s t o m 为代表的企业是s v c 行业的技术领先者， 在高电压等级，大容量的s v c 项目几乎全部被这些跨国公司垄断。以a b b 为例， 目前占据全球f a c t s 市场5 0 的份额，从上世纪五十年代以来，总共生产f a c t s 六百多套。其中，s v c 设备4 1 5 套，容量达到5 9 8 0 0 舭，占据全球s v c 市场5 6 的份额。但是由于国s b s v c 产品造价昂贵，极大地限$ l j y s v c 在国内电力系统的 推广应用，导致该领域市场潜力巨大但却处于需求抑制的状况，目前国内本土企 业正在积极开拓该部分市场。据“全国电压电流及频率等级标准化委员会”预测 称，未来五年，s v c 产品每年的市场价值可达3 1 1 5 亿元，其中金属冶炼约占1 3 ， 电网约占2 2 ，煤矿约占9 ，电气化铁路约占8 。可见，s v c 的发展前景十分 乐观，应用领域非常广泛，未来成长空间巨大。 1 2 3s v c 监控系统的研究现状 无功补偿监控系统的核心是无功补偿控制器，要使动态无功补偿控制器充分 发挥其设计功能，采用准确、高效的分析与控制方法是至关重要的。首先要获得 及时、准确的有关“源”信息，如三相电压、三相电流等，然后对这些信息进行实 时、快速的分析，得到所需的控制信息，控制器根据这些控制信息，采用适当的 控制方法产生相应的动作，最终才能得到理想的补偿效果。目前国内外动态无功 补偿的研究主要集中在以下两个方面： ( 1 ) 控制信号的提取和算法改进。对于电压波动和闪变、谐波、三相不平 衡这些变化相对较缓慢、持续时间较长的电能质量问题，对称分量法、谐波分 析法是最常用的时域分析方法。它们的特点是数学表达式简单，物理概念明确。 但时域分析方法计算量大、耗时长，很难实现实时、在线控制，因此必须采用 变换的方法如瞬时无功功率理论，快速、准确地得到所需的控制信号。将传统 的分析方法与新兴的智能方法相结合是分析电能质量问题的一个趋势。 ( 2 ) 控制策略。一旦检测、分析出存在的有关电能质量问题的信息，就必 须采用有效的控制方法消除或抑制这些问题。一些电网补偿和大型冶金企业的 负荷补偿的控制策略得到进一步探讨，主要有p i d 控制18 1 、空间矢量控n t l 9 】、 模糊控制【2 0 】等智能控制手段引入s v c 控制系统，使得系统性能得到极大的提 一 向： 1 ) p i d 控制：p i d 控制是常用的控制方法，其理论完善、鲁棒性强、稳定 气 同济大学硕士学位论文钢铁企业无功补偿监控系统设计与仿真 性好、稳态精度高，易于在工程中实现。经典p i d 控制采用比例、积分、微分 等典型的控制模块，加上几种校正网络，能改善系统动态、稳态性能。但p i d 控制也存在响应有超调、对系统参数摄动和抗负载扰动能力差等缺点。 2 ) 空间矢量控制：空间矢量控制的原理( 其中最主要的是利用瞬时无功功 率理论) 是将测量得到的基于三相静止坐标系的交流量( a b c ) 经过p a r k 变换得到 基于两相旋转坐标系的直流量( d q ) ，实现解耦控制，具有良好的稳态性能与暂 态性能。常规的矢量控制方法需要进行复杂的正弦、反正切函数运算，一般采 用d s p 进行处理；或者采用一些简化算法缩短实时运算时间和降低对硬件的要 求。 3 ) 模糊逻辑控制：模糊控制有较强的鲁棒性，对外来干扰、过程参数变化 和非线性因素均不敏感。但模糊控制存在稳态误差，在工作点附近容易引起小 范围振荡。将其他控制方法与模糊控制相结合，如变结构控制、人工神经网络 等，可以改善模糊控制的性能。 目前，工业控制领域中上位机界面的设计主要采用组态软件实现。组态软 件是面向监控与数据采集的开发环境，是数据采集与过程控制的专用软件，能 以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面，各种软件模块可容易地完成 监控层的各项功能，并能与工控机和网络结合，可向管理层提供软、硬件接口， 进行系统集成。 组态软件的功能多样，可对测控信息进行存储、显示、计算、分析、打印， 界面操作灵活方便，能满足用户所需的测控要求；具有丰富的画面显示组态功 能；具有通信功能和良好的开放性；具有多任务的软件运行环境、数据库管理 及资源共享功能。组态软件的发展，解决了编写程序工作量大、周期长，易犯 错等问题。随着个人计算机的普及和技术成熟，利用p c 机进行工业监控，成 为工业控制领域的重要研究方向，这不仅降低了监控成本，也使市场空间得以 扩大，更使组态软件成为工业监控系统中的灵魂。 1 3 本文所做的工作 本文在分析钢铁企业用电负荷特性和比较各种补偿装置优缺点及应用场合 的基础上，采用了f c t c r 型的静止无功补偿器对钢铁企业用电系统进行动态 补偿，并在此基础上进行了无功补偿的监控系统的设计。 该监控系统包括控制器和上位机界面，其中控制器是以美国德州仪器( t i ) 公司的数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片和a l t e r a 公司的可编程逻 辑器件( c p l d ) e p m 7 5 1 2 a e t c l 4 4 芯片为核心，配有检测电路( 包括采样电 6 第1 章引言 路、调理电路、锁相环等) 和其它外围控制和驱动电路构成。对于控制所需要 的信号，包括系统电压和电流等，给出了利用瞬时无功功率理论和模糊控制策 略；上位机界面利用当前已经成熟的力控组态软件建立，它不仅可以使系统运 行高效、可靠、故障报警准确及时，而且还可以太大提高管理效率，降低设计 成本。 最后，在s i m u l i n k 环境下进行了模型仿真验证；在实际低压系统试验平台 下进行了s v c 样机功能验证，结果符合设计的基本要求，达到了预期效果。 为完成钢铁企业无功补偿监控系统的设计，本文主要做了以下几个方面的 工作，本文的总体结构如图1 3 所示。 ( 1 ) 查阅国内外文献，分析钢铁企业用电特性和负荷特点。 ( 2 ) 比较不同类型s v c 的特征和优缺点，提出了f c t c r 的补偿形式， 并详细的分析了f c t c r 型静止无功补偿器的补偿原理。 ( 3 ) 本文在检测方法上应用了瞬时无功功率理论，推出瞬时无功理论的补 偿电纳算法模型，结合模糊控制理论，并根据三相电压、电流的瞬时值导出各 相的触发信号。综合两种控制方法的优点，改善了s v c 整体性能。 ( 4 ) 设计了以d s p + c p l d 为核心的控制器，同时给出了控制器详细的软 件设计、硬件设计的方案。 ( 5 ) 基于力控组态软件设计了钢铁企业无功补偿监控系统的上位机界面， 同时给出了数据库、界面的详细设计过程。 ( 6 ) 根据设计的s v c 主电路参数、补偿电纳计算模型、模糊控制模型在 s i m u l i n k 下建立仿真模型，对s v c 进行了仿真验证，分析仿真结果。 ( 7 ) 在实验室条件下搭建了简易的低压实验平台，对s v c 监控系统和晶 闸管的触发系统进行了联调实验。 图1 3 本文总体结构图 7 第2 章钢铁企业无功补偿选型与原理 第2 章钢铁企业无功补偿选型与原理 第一章已有钢铁企业进行无功补偿首选s v c 的结论，本章将进一步研究钢 铁企业用s v c 的选型、原理及其监控系统的构成。 2 1s v c 的分类与选型 国际大电网会议将s v c 分为：机械投切电容器( m s c ) 型、机械投切电抗 器m s r 型、自饱和电抗器( s r ) 型、晶闸管控制电抗器( t c r ) 型、晶闸管 投切电容器( t s c ) 型。晶闸管投切电抗器( t s r ) 型、自换向或电网换向式 转换器( s c c l c c ) 型7 种【3 j 。 由于机械投切的s v c 只适用于波动不频繁，变化速率小的无功负荷。目前 在工业领域广泛运用的是自饱和电抗器( s r ) 型、晶闸管控制电抗器( t c r ) 型、晶闸管投切电容器( t s c ) 型的三种形式s v c 。且这几种s v c 既可以单独 使用，也可以任意联用，从而实现对波动无功负荷的补偿。三种常用的s v c 特 性、优缺点比较见表2 1 【3 1 。 表2 1 常用s v c 性能比较表 s r f cf c t c rt s c 控制范围感性、容性感性、容性容性 电纳调节连续无源连续有源逐级有源 控制可调性有限好有限 电压控制 有限 好 有限 稳定信号无有无 分相平衡有限有有限 响应速度快 快 快 谐波量很小小无 过压过负荷能力很大 大无 电压或频率变化敏感度敏感不敏感 不敏感 损耗中等小小 噪音大小小 投资大一般小 补偿系统的中心环节， 适合高压系统， 因其制造复杂且价格与f c 配合抵消多送的 应用 对频繁变化的 较高得不到广泛应用 无功，抑制闪变、电压 负荷无功补偿 波动，实际应用最广 8 同济大学硕士学位论文钢铁企业无功补偿监控系统设计与仿真 通过比较可以看出t c r 型的s v c 具有反应时间短( 5 m s - - - 2 0 m s ) ，运行可靠， 相对于s r 型可实现无级、分相调节，能平衡有功和适用范围广等优点，而且 t c r 型s v c 装置还具有很大的灵活性，占地面积相对较小，产生的高次谐波 和噪音较小。相对于t s c 来说控制较简单、开发时间短、成本低，t c r 型s v c 可以有效治理闪变，减小谐波电流，更具实用价值。同济大学和正泰电气公司 通力合作，通过各方面的调研和论证选择了f c t c r 型s v c 做为钢铁企业负荷 的无功补偿装置，更详细的论证见参考文献【6 】。本文即是以f c t c r 型的静止 无功补偿为基础开发钢铁企业无功补偿监控系统。 2 2s v c ( f c t c r 型) 的结构与原理 本文以轧钢机负荷为例，设计了f c t c r 型s v c 的一次系统接线图如图2 1 所示，其中t c r 支路由电抗器l 和两个反向串联晶闸管v 1 、v 2 构成，用于提 供连续可调的感性无功，该支路的等效基波电纳值是晶闸管触发角的函数，可 以连续调节。为了扩大s v c 调节范围，可以用多个f c 支路( h 3 、h 5 、h 7 ) 并联接入系统，用于作为滤波支路和提供容性无功。 h 7 t c r 图2 1f c t c r 型s v c 系统接线图 s v c 的核心是晶闸管可控制电抗器( t c r ) ，它是依靠调节t c r 中晶闸管 的触发延迟角口的大小起到可变电感的作用，实现感性无功的快速、平滑调节。 t c r 的单相原理图由图2 2 所示，其基本结构是2 个反向并联的晶闸管和一个 电抗器相串联，再与交流电压源u 相连，改变晶闸管的控制角a ，流经电抗器 的电流波形将发生变化而使电流波形中的基波分量发变化，这相当于改变了电 9 第2 章钢铁企业无功补偿选型与原理 抗器的感抗，使t c r 等效于一个连续可变的电感器。 u i 卜= 二i _ 上一 图2 2 单相t c r 原理图 v l 图2 3 表示了图2 2 回路电压和电流波形，每一电流波形对应一个触发角仅。 由分析知，晶闸管的发角为9 0 0 到1 8 0 0 ，基波无功功率为1 0 0 到0 。忽略回 路电阻晶闸管在a = 9 0 0 时完全导通，电流是标准正弦波，如图2 3 ( a ) 所示； ji u i 叠瓢，。 胃2 一 i v l 、 a = 9 0 _ n 爪 t l 王v l 鼓i 、 一 渺 溉 a q n 一 一一 ln 图2 3 不同触发角下电抗器的电流波形图 ( a ) a = 9 0 0 时的电抗器电流波形；( b ) a 9 0 0 时的电抗器电流波形 当a 9 0 0 时电流波形为间断脉冲波，如图2 3 ( b ) 所示。电感中电流0 将 受到控制，即随着仅角的增大，电感电流基波分量，相应减小，谐波分量增加 使电抗器的等效电抗增加；在电感电流可控条件下，电抗器等效电感值 l = u ( o d l l ) 随之可控，t c r 吸收的感性无功功率q = = u 2 ( c o l ) 也可平滑调 节，其规律是：当a 接近1 8 0 。时，电流接近0 ，q 接近o ；a 接近9 0 。时，q 接 近最大值。 1 0 同济大学硕士学位论文钢铁企业无功补偿监控系统设计与仿真 2 3s v c 监控系统基本构成 监控系统的无功补偿工作过程为：首先采集钢铁企业的供电系统的电流、 电压信号，然后监控系统的算法根据钢铁企业无功补偿对电流谐波、电压波动 和功率因数等指标的要求，计算出t c r 中晶闸管的触发角口。通过控制晶闸管 的触发来改变电抗器l 的电流大小，