（控制理论与控制工程专业论文）电弧炉无功补偿控制系统的研究.pdf

支急s 譬l at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n c o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i ca r cf ur na c e b yl i a n gl i 心 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 ， 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二也 思。 学位论文作者签名： 黎厕 日 期：加r d 莎7 乒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 咏百f j 签字日期：灿8 7t l , 导师签名： 签字日期： 勋铲7 。丘 ， 一、 l f 东北大学硕士学位论文 摘要 电弧炉无功补偿控制系统的研究 摘要 ，b 随着我国钢铁产业的迅速发展，电弧炉用电设备日益增多，由此产生了功率因数低、 。电压波动与闪变、谐波电流和三相负荷不平衡等诸多电能质量问题。这些问题不但影响 电弧炉自身的产量和效率，还导致电能质量变差，影响输配电系统和其它用户，所以对 其进行研究就显得十分重要。 本文首先对电弧炉电弧模型进行了仿真研究，结果表明电弧炉对电网的影响主要是 由于电弧的随机扰动而产生的剧烈无功波动造成的；此后，本文从无功补偿的角度抑制 电弧炉对电网的影响，并从现场应用和经济实用的角度考虑，选择t c r + f c 型s v c 作 为补偿装置，分析了其补偿原理和基本特性。 鉴于s v c 的补偿能力关键取决于它所采取的控制方法，本文分析了s v c 对电弧炉 补偿的控制策略，并提出了前馈+ 反馈的控制方法。前馈环节中，将同步对称分量法改 进为用单相无功功率表示补偿电纳，应用瞬时无功理论，实时计算出补偿电纳，确保系 统对响应速度的要求；反馈环节中，采用模糊控制方法，既满足了系统的控制精度，又 改善了系统的动态和稳态特性，同时还起到了稳定系统电压的作用。所以，该控制系统 能同时满足响应速度和控制精度的要求。 最后，本文在理论分析的基础上，建立了m a t l a b s i m u l i n k 的s v c 系统仿真模型， 仿真结果表明该控制系统能实现对电网的综合补偿，具有一定的先进性和合理性。 一 关键词：电弧炉；无功补偿；供电系统；前馈控制；模糊控制 一i i r k 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r e l e c t r i ca r cf u r n a c e a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t e e li n d u s t r y , e l e c t r i ca r cf u r n a c e sa r em o r ea n dm o r eu s e d i t w i l lb r i n gp o w e rq u a l i t yp r o b l e m ss u c ha sp o o r p o w e rf a c t o r , h a r m o n i c s ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n ， f l i c k e ra n dt h r e e p h a s ev o l t a g ei m b a l a n c e ，w h i c hw i l ln o to n l yd e c r e a s et h ep r o d u c t i o no f e a fi t s e l f , b u ta l s om a k ep o w e rq u a l i t yw o r s e ，a n dd oh a r mt ot h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n d p o w e rc u s t o m e r s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od or e s e a r c ho ni t f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho ne l e c t r i ca r cm o d e lo fe a fh a sb e e n c o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n f l u e n c ei sm a i n l yd u et or a n d o md i s o r d e ro ft h ea r c ， w h i c hb r i n g ss e r i o u sr e a c t i v ep o w e rf l u c t u a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ew a yo fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nt om i t i g a t et h ei n f l u e n c eo np o w e rs y s t e mh a sb e e nc h o s e n f r o mt h ep o i n to f v i e wt h a ti sb o t hp r a c t i c a la n de c o n o m i c a l ，t h et c r + f c t y p eo fs v ch a sb e e nc h o s e na st h e s t u d yo b j e c ta n da n a l y s e si t st h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c s t h ep e r f o r m a n c eo fs v ci sd e t e r m i n e db yt h es t r a t e g yo fc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , a l lf e e d f o r w a r da n df e e d b a c kc o n t r o ls c h e m ef o ri n d u s t r i a ls v ci sp r o p o s e d t h ef o r w a r d l o o pi st og u a r a n t e es h o r tr e s p o n s et i m e ，w h i l et h ef e e d b a c kl o o pi st oe n s u r eg o o dd y n a m i c s a n ds t e a d yc h a r a c t e r i s t i c so fs v c t h ec o m p e n s a t i o ns u s c e p t a n c ei sc a l c u l a t e db yp h a s e r e a c t i v ep o w e r , w h i c hi sa m e l i o r a t e df r o mt h ef o r m e re x p r e s s i o n t h ef a s tc o m p e n s a t i o n a l g o r i t h mf o ra s y m m e t r i ci n d u s t r i a ll o a d sb a s e do ni n s t a n t a n e o u s 、r e a c t i v ep o w e rt h e o r yi s u s e di nt h ef o r w a r dl o o p ，w h i l eaf u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi sa p p l i e dt ot h ec l o s el o o p ，w h i c hc a n a l s or e g u l a t e dt h es y s t e mv o l t a g eb yc h o o s i n gt h es y s t e mv o l t a g ea st h ef e e d b a c kv a r i a b l e t h i sc o n t r o ls y s t e mc a nc o p e 、砘t 1 1t h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so fr e g u l a t i o nt i m ea n dd y n a m i c s a n ds t e a d yc h a r a c t e r i s t i c sa tt h es a m et i m e f i n a l l yb a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i s ，t h i sp a p e rc o n s t r u c tm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n m o d e l t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi so fg o o dc o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o n a b i l i t y , a n da l s oi sr e a s o n a b l ea n da d v a n c e d k e yw o r d s ：e l e c t r i ca r cf u r n a c e ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；p o w e rs u p p l ys y s t e m ； f e e d f o r w a r dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l i i i 一 0 ， ， 、 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 中文摘要i i a b s t r a c t ；i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 无功补偿技术和装置4 1 3 国内外无功补偿技术的发展6 1 4 本文主要工作8 第2 章电弧炉电气系统的运行特性_ 1 1 2 1 电弧炉电气系统l l 2 1 1 电弧炉供电系统1 1 2 1 2 电弧炉的主电路及其电路模型l2 2 2 电弧模型1 4 2 3 电弧模型仿真1 6 2 4 本章小结2 0 第3 章补偿装置的选择2 l 3 1 补偿装置的选择2 l 3 2s v c 工作原理2 2 3 2 1t c r 工作原理2 2 3 2 2 固定电容器的设计2 6 3 2 3s v c 工作原理2 8 3 3s v c 的特性分析2 9 3 3 1 谐波特性2 9 3 2 2s v c 的接法：3 0 3 2 3s v c 动态特性3 2 一i v 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 4s v c 的伏安特性3 2 3 4 本章小结：- 3 3 第4 章s v c 控制系统3 5 4 1s v c 的控制策略3 5 4 2 前馈控制3 7 4 2 1 同步对称分量法3 8 4 2 2 瞬时无功功率计算4 0 4 3 反馈控制4 3 4 3 1 模糊系统的结构4 4 4 5 4 6 4 8 4 9 ! ；6 ! ；7 ! ；9 6 ：； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 电弧炉是利用电极和熔化的“炉料”( 通常炉料是由小块的废钢铁组成) 之间的电 弧产生的热量对金属炉料进行熔化的。而该电弧在整个熔化过程中会随炉料的崩落和滑 动发生大幅度的变化，从而导致电弧炉消耗电有功和无功功率均发生随机性的剧烈变 化。而处于熔化期时的交流电弧炉，对于电力系统而言更是一种变化剧烈、三相严重不 平衡( 负序电流可以高达正弦电流的7 0 ) 、功率因数极低( 电极短路时为0 1 0 2 ) 的 冲击性负荷。电弧炉所引起大且不稳定的无功电流会在交流线路阻抗上造成压降和显著 的电压波动。然而，由于电弧炉炼钢在经济上的优势，近年来不管国外还是国内，其炼 钢量均在稳步上升；特别是采用大型，如耗电在i o o m w 以上的电弧炉更成为一种趋势。 因此，对电弧炉危害的抑制越来越成为一个不可忽视的问题【1 】。 电弧炉主要在冶炼过程依据其电气特性分为两个阶段：熔化期和精炼期。主要在熔 化期对电网的影响较大。 熔化期的过程为【2 j ： 将废钢装入电弧炉后，炉盖封闭，同时插入三相电极。接通三相工频电源，则在电 极与废钢之间产生工频大电流电弧，利用电弧热量开始熔化废钢。由于废钢与电极间存 在直接电弧，随着废钢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 会极不稳定。在初始熔化期间，由于炉内温度较低，电弧维持困难，电弧频繁地时起时 灭，电流断续；随着熔化的进行，电极逐渐下降，废钢的熔化是从下部先开始的，下部 废钢熔化后，上部的钢块不稳定，于是纷纷落下，引起电极端突发的两相短路，电弧电 流出现了急剧的大幅度变化。 电弧电流的变动引起了电压闪变。由于燃弧点的移动导致电弧快速变动称周期闪 变，由于电极短路引起的急剧变动称之为非常闪变。冶炼中，电弧电流变化的程度与废 钢的大小有关，若熔材为轻质小块，电弧相对稳定，闪变问题相对轻些；落下时会引起 电极短路，这时候的闪变问题相对严重。熔化中期过后，炉底有了相当的钢液，电弧相 对稳定，闪变程度大大减轻。 精炼期的过程为： 熔化完成后，边升温加入铁矿石和氧，以便进行氧化精炼。之后，对钢渣进行还原 性精炼，加石灰等进行脱硫、脱氧。这一时期，电弧非常稳定，电流也不变动了，闪变 问题基本消失。 一】一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 从冶炼过程可以看出，电弧炉主要在熔化的前期电流波动较大，对电网产生较大的 危害，具体体现在4 个方面【1 卅： ( 1 ) 电压波动与闪变 超高功率电弧炉是供电电网很大的负载，而目在运行中经常产生突然的、强烈的电 流冲击，导致电网电压的快速波动，频率为o 1 3 0 h z 。其中特别是频率在l 1 0 h z 之间 的电压波动会引起照明白炽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 ( f l i c k e r ) 。强烈的闪烁会造成电动机转动不稳定，电子装置误动作甚至 损坏，也会使电网供电的用户( 包括电弧炉本身) 的实际功率减少，闪烁是对电网的一 种公害。 电压波动值d 常以调幅波的相邻的极值和( 均为有效值) 之差u 相对于 额定值u 的百分比表示： d ：坚二1 0 0 ( 1 ) u n 对于实际的、有限容量的电网，电弧炉负载引起的电网电压波动百分数为： u ：鲤1 0 0 ( 2 ) 瓯 式( 2 ) 中，a q 为无功功率的冲击量( m v a r ) ；瓯为本电弧炉供电母线最小短路容 量( m v a ) 。上式表明电压闪变是由于无功负荷的剧烈变动所致。 ( 2 ) 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，而另一部分则为无功能量。 为了使电弧能稳定燃烧，电弧炉的功率因数不能取得太高。因电弧炉负载是高感性的， 电弧炉的接入使供电电网的功率因数恶化。超高功率电弧炉运行在熔化期时，功率因数 甚至低到0 1 ，这样引起母线电压严重降低。电压降低又相应降低电弧炉的有功功率， 使熔化期延长，生产率下降。 ( 3 ) 三相不平衡 电弧炉在熔化期，各相电弧电压是独立变化的，三相电弧各自发生急剧无规则变化， 故其三相电压电流是不对称的。在正常生产情况下产生的负序电流约为电炉变压器额定 电流的2 5 左右；在不正常情况b ，如一相断弧时，可达5 6 左右，如两相短路的同时， 第二相又断弧，此时可达8 6 左右，负序电流流入电网，使电网电压产生负序分量，影 响用电设备使用效果，严重时可能造成损坏，还会使继电保护误动作。 ( 4 ) 谐波 交流电弧炉在炼钢过程中其电流会产生非正弦畸变和各次谐波，对电网造成干扰。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 电弧炉的谐波电流成份主要为2 7 次，其中2 ，3 次最大，其平均值可达基波分量的 5 1 0 ，谐波电流流入电网，使电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动以及保 护误动作等。 综上所述，电弧炉对电网的危害主要是由于其电弧的不规则性和随机性引起电网中 剧烈的无功波动造成的，必须对其危害进行治理。抑制措施主要有： ( 1 ) 改进炼钢工艺、优化设计参数 电弧炉炼钢时产生大量的高温烟气可用于预热废钢料，电弧炉安装废钢预热装置 后，可将废钢料在装炉前预热到7 0 0 。c 左右。在高温下，一部分不导电的杂质被除掉， 废钢变软且电阻率变大，熔化期电弧相对稳定，引起的电压波动和闪变相对降低。即炼 钢预热与连续加料，简称c o n s t e e l 新技术，它是一种经济、实用的方法。大块的废钢 在电弧炉内不易熔化，而且容易短接电极造成短路使电弧不稳定，增大了无功冲击，增 加了冶炼时间、降低了效率。因此，可采用废钢破碎和净化技术来降低生产成木，同时 也降低了熔化期的电压波动和闪变。提高电极调节系统的灵敏度和快速性，缩短响应 时间；充分考虑电极系统的固有共振性，消除或减少机械共振对电弧炉特性的影响；合 理选择二相电极的极心圆直径，提高电弧的稳定性；提高电弧炉一次短网的功率因数等。 ( 2 ) 改进供电设备 应用较多的是串联空芯电抗器，在电弧炉高压侧串联电抗器，采用熔化期喷吹辅助 燃料的措施，可使电压波动和闪变降低2 5 ：将交流电弧炉替换为直流电弧炉，大容量 的直流电弧炉近十年来在国外较为流行。直流电弧炉和交流电弧炉相比，所产生的电压 波动和闪变可降低4 0 5 0 9 6 左右；不产生负序电流；对二次短网和电极来说没有集肤效应： 一次侧可采用不同的接线方式。 ( 3 ) 加入无功补偿装置 电弧炉对电能质量的损害是由于无功功率的剧烈波动引起的，加入无 _ 宁i 偿装置既 可以减少对电网的损害，又能提高冶炼功率，缩短冶炼时间，提高产量，降低用电单耗， 降低电极和耐火材料的消耗，稳定炉况保证质量。 方法一可以部分减轻电弧炉对电网的危害，但是效果不够理想，方法二的投入太大， 将交流电弧炉变为直流电弧炉不太可行。法三实用可行，目前在现场中应用较多，本文 就是从这个角度对电弧炉进行无功补偿研究的。 传统的无功补偿装置很多，有同步调相机、并联电容器等等。同步调相机 ( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r - s c ) 是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁 的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。由于它是旋转电机，损 耗和噪声都比较大，运行维护复杂，响应速度慢，在很多情况下已经不能满足快速无功 二 功率控制的要求。并联电容器也是无功补偿的传统方法之一，其结构简单，费用低廉。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 然而，并联电容器不能跟踪负载无功需求的变化，只能补偿固定无变化的无功功率，且 当系统中存在谐波时，还有可能发生并联谐振，导致谐波放大。 由于传统无功补偿装置自身的局限性，从2 0 世纪7 0 年代开始逐渐被静止无功功率 补偿装置( s t o i cv a rc o m p e n s a t o r s v c ) 所取代。饱和电抗器( s a 删e dr e a c t o r s r ) 属于早期的静止无功补偿装置，其铁心工作在饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且 存在一些非线性电路的特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，故此未能占据 静止无功补偿装置的主流【5 】。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使用晶闸管的静止无功补偿装 置s v c 逐渐取代上述补偿装置成为首选方案，是目前电力系统中应用最多、最为成熟 的并联补偿设备，g e e 将静止型无功补偿器( s v c ) 定义为一种并联型的静止无功发 生器或者吸收器，其输出可以调节以交换容性或者感性电流，从而维持或者控制电力系 统中的某些特定参数( 一般为母线电压) 1 6 】。这类静止无功补偿装置没有旋转元件、可 一靠性高，可以根据电网无功的实时需求连续调节无功功率的输出，从而实现系统无功功 率的动态补偿。具有快速响应性，可频繁动作性，以及分相补偿的能力，可应用于大型 冲击性、快速周期波动、不平衡以及非线性负荷的动态无功补偿领域，改善电能质量。 因此，近十年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，己占据了静止无功补 偿器的主导地位。 一般而言，s v c 装置可以划分为两类：一类是用于高压变电站中稳定系统电压、提 高系统输电能力的s v c ；另一类是用于工业用户中补偿负荷动态无功功率变化、平衡三 相不对称负荷的s v c 。对于第一类s v c 装置，我国几乎全部依赖于进口，国外的设计 制造技术都己经较为成熟。在我国输电系统中一共有6 套大容量s v c 投入使用，分别 装设在广东江门、湖南云田等地5 0 0 k v 变电站中，用于提高电力系统稳定性【7 j 。对于第 二类s v c 装置，主要用来解决大型工业负荷的无功功率冲击，三相不平衡等问题。目 前，由于我国的钢铁企业仍沿用着过去的交流电弧炉，而电气化铁路供电系统的不平衡 补偿市场也在继续扩大，因此近年来国内一些厂家纷纷开始研制此类s v c 装置，主要 包括鞍山荣信公司，中国电力科学研究院，保定三伊公司等。然而，国内生产的无功补 偿控制器基本上是跟踪国外同类产品的研究技术，国内s v c 数字控制器的研究大概起 始于上世纪9 0 年代初，对基于数字控制器的第二类s v c 装置的实践还严重匾乏。因此， 研究面向这些工业负荷的能够补偿三相不对称的静止无功补偿装置及其数字控制器仍 然具有现实意义，不仅能改善电能质量，还能节能增效，具有长期的收益【8 】。 1 2 无功补偿技术和装置 随着电力电子的迅速发展，目前有很多种无功补偿装置，它们有各自的特点，应用 一4 一 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 的场合也不相同，下面对这些无功补偿装置，做一简单介绍。 ( 1 ) 静止无功补偿器( s v c ) s v c 是英文s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r 的缩写，是美国e p r i 建议的f a c t s 控制器的 第一代装置p j 。它是由晶闸管开关快速控制的并联电容器组和( 或) 电抗器组成，也可 与机械开关控制的电容器组配合运行；其主要功能是保证无功功率的快速调节，并具有 事故时的电压支持作用，维护电压水平、消除电压闪变、平息系统振荡等。第一台s v c 装置于二十世纪七十年代中期投入运行。 ( 2 ) 静止调相器( s t a t c o m ) s t a t c o m 是英文s t a t i cc o n d e n s o r 的缩写，是美国e p r i 建议的f a c t s 的第二代 装置，也是s v c 的改进产品，又称静止同步补偿器( s t a t c o m ) 、静止无功发生器( s v g ) 或新型静止无功发生器( a s v g ) 。它是采用大功率半导体器件( 现在主要采用可关断晶 闸管g t o ) 构成自换相变流电路的无功补偿设备。它通过直流电容器、桥式变流器、连 接电抗( 或降压变压器) 与线路相并联，向电路提供或吸收无功功率，稳定装置接入点 电压。与s v c 相比，s t a t c o m 对无功的调节能力更强，调节速度更快，运行范围更宽， 。， 补偿电流谐波含量更少，而且，它使用的直流电容元件比s v c 使用的交流电容元件体 积小，大大减小装置的体积和成本。 ( 3 ) 晶闸管控制的串联电容器( t c s c ) t c s c 是英文t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r 的缩写，是美国e p r i 建议的串联 型f a c t s 的第一代装置。与常规机械控制的串联电容补偿相比，它利用晶闸管控制串 接在输电线路中的电容器组，可大范围调节线路阻抗，并且可以快速进行连续平滑调节， 能提高电力输送能力、平息地区性振荡、提高系统的暂态稳定性。 ( 4 ) 静止同步串联补偿器( s s s c ) s s s c 是英文s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r 的缩写，是美国e p r i 建议的串 联型f a c t s 的第二代装置。其基本结构与s t a t c o n 类似，不同之处是其输入变压器 串联接入输电线路。s s s c 既可增大，也可减小线路的输送功率。 ( 5 ) 可控硅控制的移相器( t c p s ) t c p s 是英文t 1 1 y r i s t o rc o m r o l l e dp h a s es h i f t e r 的缩写，其主要功能是通过改变输入 端与输出端电压之间的相位角来调整输电线路上的潮流大小甚至潮流方向。与机械分接 头移相器相比，它可以非常快速地改变串联电压的大小和方向，并可使移相器的转换容 量进一步增大，从而使相位角的调节范围也随之增大，其功能大为增强：可平息振荡， 防止事故后开关过负荷，可抑制事故后线路功率增大所造成的暂态不平衡过程或电压降 低，可减轻导致保护连锁动作失步或异常无功需求的大量穿越。 ( 6 ) 统一潮流控制器( u p f c ) 一5 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 u p f c 是英文u n i t e dp o w e rf l o wc o n r e o l l e r 的缩写，是美国e p r i 建议的串联型 f a c t s 的第三代装置。它将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相 电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并 可提高输送能力以及阻尼系统振荡。其基本思想是用一种统一的可控硅控制装置，仅仅 通过控制规律的变化，就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿和移相等几种不同的功 能【1 0 1 。 ( 7 ) 超导磁储能器( s m e s ) s m e s 是英文s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e 的缩写，它由电力电子换流 器( s c r 或g t o 等构成) 控制的一个大容量超导储能线圈组成。它动作快，几乎没有 损耗，维护工作量也很少，充、放电效率在9 5 以上。s m e s 对于电力系统的作用主要 在以下几个方面【l l 】：电网调峰；节省系统的备用容量；提高电力系统稳定性；静止无功 补偿；改善电能品质；承受电网的冲击；用作分散电源。 可控串联补偿装置是目前的主攻方向，它也被称为晶闸管控制的串联补偿( t c s c ) 。 目前已有装置投入了现场运行。例如，由a b b 公司在a e p 系统中安装的t c s c 装置， 通过对晶闸管的导通和开断的控制，可以形成从0 到6 0 ，每步1 0 的补偿度，从而 实现灵活的潮流控制、增大输电线路的容量。该装置已于1 9 9 1 年第四季度投入运行， 成为世界上第一个t c s c 装置，并且还有其它的t c s c 装置正在计划投入运行。采用串 接电容改变输电线路的功率分配及增加系统稳定性的想法很早就有人提出了。并行的两 条输电线路的功率分配取决于线路电抗虬j 和线路功角6 的大小： 1 ，1 ， 只，= 卫生s i n 五， ( 1 1 ) “x u “ 其中：k 、圪为线路两端电压的幅值；x u 为线路电抗；磊：为线路功角，即两端电 压相差角。而通过控制串联电容容抗的大小，即可改变x ，的值，从而改变尸的分配。 1 3 国内外无功补偿技术的发展 1 9 7 7 年，美国g e 公司首次在实际电力系统中示范运行了使用晶闸管的静止无功补 偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的支持下，西 屋电气公司( w e s t i n gh o u s ee l e c t r i cc o r p ) 制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入 实际运行。随后世界各大电气公司都竞相推出了系列产品。近1 0 多年来，s v c 在世界 范围内其市场一直在迅速而又稳定的增长，已经占据了静止无功补偿装置的主导地位。 但在国内这方面的实践还比较匮乏。国内拥有的无功补偿控制器，基本上是8 0 年 代的技术，在国内一系列的大型钢铁企业的电弧炉无功补偿装置的改造、建设中面对国 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 外公司( s i e m e n s 、a b b ) 的数字无功补偿控制器的竞争，逐渐丧失市场竞争力。 鉴于无功补偿技术的重要性，国内外学者把无功补偿的控制算法和控制系统设计的 研究作为重点，试图改进算法和借助人工智能来提高s v c 的性能。 本文主要研究第二类s v c 装置，这类s v c 的特点是采用无功功率和三相不平衡综 合补偿算法进行补偿。对于这种综合补偿算法的研究是从上世纪斯坦米兹提出的理想补 偿网络【1 2 】开始的，理想补偿网络通过对电路正序和负序相量图的分析，利用纯无功元件， 以负荷导纳的形式来表示补偿电纳，补偿之后的负荷从系统侧看是纯有功且平衡的。但 是，用负荷电纳表示的理想补偿网络在设计补偿器时是不容易计算的，为了得到以电压 和电流表示的补偿算法，引出了对称分量法【l 引。对称分量法将理想补偿条件与电流的序 分量相结合，从而得到了以电压和电流相量表示的补偿电纳表达式。目前，大部分的补 偿算法都是以对称分量法为基础的。 将对称分量法加以适当的变换，就可以得到以瞬时电流和电压表示的补偿电纳。方 法一是采样法【1 4 以引，即通过对特定时刻( 电压过零变正) 三相电流的采样，从而得到利 用瞬时负荷电流、电压表示的补偿电纳公式。这种方法需要分别监测三相电压的过零点， 并在其过零变正时刻采样基波电流的瞬时值。当三相电流中存在谐波时需要复杂的滤波 电路和电压锁相环电路，且要求电压、电流信号的相移和过零时刻非常准确。仿真表明 该方法抗干扰能力较弱。方法二是功率平均法【l 。卜1 9 】，即利用有功或无功的平均值来求取 补偿电纳。该方法需要计算电压和电流的瞬时乘积并进行积分运算，响应速度较慢。另 外，为了得到无畸变的电压信号和对应的基波线电流，在对电压、电流信号处理时需要 较复杂的硬件电路，从而导致补偿电纳的计算精度不高。 基于对上述两种补偿算法的改进和研究，许多学者提出了一些新的补偿算法。文献 2 0 提出了一种基于同步对称分量法的新型补偿算法，该算法充分考虑了电压、电流信 号的不对称和畸变现象，通过坐标变换得到正虚电压同步信号的相位和角速度，并以电 压的相位和角速度为基准将三相电流信号转换到正序电压同步旋转坐标，从而可以很方 便地得到电流正序、负序分量的虚部和实部，得到了电流正负序分量之后，这样就可以 由对称分量法推导得到的实用化电纳公式求出补偿电纳。文献 2 0 】还给出了基于该算法 的实验结果，分析之后可以发现，该方法的优点是当电网电压含有谐波干扰时，采用的 同步对称分量法仍能准确地计算出补偿电纳值，从而进行无功功率和三相平衡化补偿； 其缺点是由于对电压正序分量的同步提取时采用了移相滤波器和低通滤波器，从而导致 整个s v c 装置的响应速度较慢，从实验波形来看，大约为3 4 个周波。 上述算法以向量为基础，一般需要低通滤波器以获得电流的基波分量，然后分别计 算有效值和相位以得出电流向量，或者利用同步对称分量法计算出负荷电流的正负序分 量，最后代入补偿电纳的向量表达式计算补偿电纳。该类方法计算量较大，响应速度较 一7 一 东北大学硕士学住论文 第1 章绪论 慢。 随着瞬时无功功率理论的发展，一些学者提出了基于瞬时值的补偿算法。文献 2 1 2 2 提出了种通用瞬时功率理论，是基于最小能量传输损失或电流最小做功能力损失的。 该理论的核心是：当利用无源装置将负载补偿到只消耗有功电流时，在三相线路参数一 致的情况下，电源发出的电流在传输线路上所引起的传输损失最小。利用一个周期内电 流平方的积分来代表电流的做功能力。根据这种思想定义的无功电流、瞬时有功功率、 瞬时无功功率的定义可与传统无功功率、f r y z e 的单相无功理论以及赤木泰文的三相无 功理论相统一。 以上是对s v c 控制算法的研究，根据三相的电流和电压计算出系统所需要的补偿 电纳值，但是这些算法一般都是开环控制，计算出电纳值进行实时补偿。这类控制的优 点在于响应速度快，能达到电力系统对快速响应的要求，但是有一个缺点就是控制精度 不高，所以要引入反馈环节，最常规的线性控制方法p i 、p i d 对s v c 控制效果不佳， 由于s v c 属于非线性装置，应该采用非线性的控制方法，才能达到控制要求。 文献 2 3 中采用模糊p i 对s v c 进行切换控制，在偏差较小时采用p i 控制，调整精 度，在偏差较大时采用模糊控制，目的在于调整速度，通过这样的设置可以使控制器兼 顾控制速度和精度，保留模糊控制器和p i 控制器的控制优点，控制的关键在于偏差大 小的选取，切换偏差选取的不合适，对控制精度和速度有很大的影响。 文献 2 4 】基于瞬时无功理论的控制器，实时计算出补偿电纳，响应速度快，采用这 样的控制算法，计算准确。由于其对测量数据的依赖性高，所以要求测量的精度和准确 度要高。 文献 2 5 】采用双闭环p i d 控制方法，内环为电压环，维持系统电压稳定，减少波动 和闪变，响应速度快；外环为功率校正环，目的是提高功率因数，采用这样控制方法可 以同时达到稳定电压和调整功率因数的目的，但文中对于非线性环节的处理不够精确。 1 4 本文主要工作 本文以工业电弧炉为研究背景，针对电弧炉在冶炼期间，电弧变化剧烈，造成对电 网的冲击，功率因数下降，影响电网的供电质量的现象，提出了采用静止无功补偿器 s v c 对电弧炉进行无功补偿。文中分析了电弧炉的电气系统，对电弧炉等效阻抗模型进 行了仿真；分析了s v c 的补偿原理，并对其主要特性进行了分析和仿真研究；设计了 前馈+ 反馈控制系统，起到稳定电压和调整精度的作用，并仿真验证了该系统。 第1 章绪论部分论述了课题研究的意义，分析电弧炉的电气特性及对电网的危害， 总结了抑制电弧炉对电网影响的方法，提出了采用无功补偿的方法减少电弧炉对电网的 损害。 一8 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第2 章从电弧模型的角度，对电弧炉电气系统进行了仿真，所用模型能很好的模拟 电弧炉的外特性，对控制模型的验证提供了准确的背景。 第3 章讨论了无功补偿装置的选择，并分析所选的t c r + f c 型的s v c 的特性与原 理，通过数学分析给出了s v c 的基波阻抗特性与谐波特性。分析了滤波器原理，并根 据补偿容量设置了滤波器参数。 第4 章中介绍了s v c 控制策略，针对电弧炉三相不对称的特点，改进同步对称分 量法，将算法表示为由单相无功功率计算三相补偿电纳。控制器采用前馈+ 反馈控制， 前馈环节能使系统快速响应，反馈环节采用模糊控制方法，目的在于提高控制精度。通 过m a t l a b 仿真，验证了控制器能够很好满足系统对快速响应和控制精度的要求。 一9 一 ：奄饿 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 东北大学硕士学位论文 第2 章电弧炉电气系统的运行特性 第2 章电弧炉电气系统的运行特性 电弧炉电气系统是整个系统的核心，为电弧炉炼钢提供能源，电弧炉电气运行是电 弧炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、设备等诸多方面的问题， 直接影响电弧炉炼钢生产的各项技术指标，因此了解其意义对无功补偿的意义重大，可 以通过对电气模型的了解，和对电弧模型的建立，仿真得到电弧炉在冶炼过程中的外特 性，了解谐波、电压闪变和波动的产生机理。通过对谐波的分析，得到在电弧炉在工作 过程中产生的谐波次数，根据结果进行滤波器的设计。根据电弧炉的功率因数，计算无 功补偿的容量。因此对电气系统的研究有指导作用。 2 1 电弧炉电气系统 2 1 1 电弧炉供电系统 图2 1 电弧炉供电系统示意图 f i g 2 1p o w e rs u p p l ys y s t e mo ft h ee a f 图2 1 为电弧炉供电系统示意图【2 6 1 。图中s 丁为地区变电站变压器，将公用电网的 高压变为中压( 1 0 k v - - 3 0 k v ) 。刀为电炉变压器。x k 是p c c 点的短路电抗，x ，为 汀至电炉变压器f t 之间传输线的电抗值( 忽略电阻) 。在电炉变压器刀的一次侧，接 有电抗器以缓解电流的波动。砭及x c 是电炉变压器至电弧间的短网电阻与电抗。 无功补偿装置的安装位置一般在电炉变压器刀的一次侧，这样可以对电炉变压器 刀的二次侧进行无功补偿。 以上是专线供电的电弧炉电气系统。对于中小容量的电弧炉，地区变电站变压器 s t 还可能接有其他用电负荷。 东北大学硕士学位论文第2 章电弧炉电气系统的运行特性 2 1 2 电弧炉的主电路及其电路模型 电弧炉的主电路如图2 2 所示【2 7 1 。电炉通过短网、电炉变压器、电抗器、断路器和 隔离开关接到高压供电网上。在高压侧，一般要加上无功补偿装置进行无功补偿。 l - 垂一一一一圣j 二 。 毒一一辛：j j 享雹三菩； 彳彳 一 1 i x , i x l 8 o 图2 2 电弧炉主电路 1 一高压电缆：2 _ 隔离开关；3 一高压断路器；仁电抗器； 5 一电抗器短路开关；6 一电炉变压器； 7 一电极；8 一电弧；雌属 f i g 2 2m a i nc i r c u i to f3 - p h a s ea ce a f ( 1 ) 短网 短网由铜排、软电缆、铜管及石墨电极等组成。由于三相短网之间的几何位置很近， 通过电流为数千安至数万安，故短网的电路模型中应考虑互感效应。描述短网电路模型 的参数有电阻、自感与互感，这些参数可通过相关的短路实验测得。 工业中所用的电弧炉，一般短网中的铜排、导线管及软电缆等部分的排列是以第二 相为中心，一、三相几何对称【2 8 】。这时短网三相的电阻、电感及互感参数不再相等。但 因为这是一种轴对称网络，故一相、三相的电阻、自感相等，一、二相，二、三相之间 的互