基于TCR_TSC的電弧爐無功補償仿真研究

唐微，趙輝，岳有軍

（天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點實驗室，天津300384）

在現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)中，電弧爐以其控制靈活，運行可靠，冶煉時間短，產(chǎn)品質(zhì)量高，投資成本低等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于其本身具有高度非線性、強耦合、大時滯的特點，運行過程中不可避免地給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的不良影響，如降低供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，增加配電網(wǎng)絡(luò)的能量損失，使電能利用率降低等。

文獻[1]介紹了由大型電弧爐引起的電能質(zhì)量問題以及抑制方案，并分別介紹了各方案的優(yōu)缺點和適用條件。但是僅限于理論研究，沒有進行仿真驗證。文獻[2]提出了一種由靜止無功補償裝置和有源濾波器相結(jié)合的新型綜合補償系統(tǒng)。由于該裝置，通過構(gòu)造合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對SVC和APF的分散控制。但是該方案并沒有實現(xiàn)兩者的聯(lián)合控制，也沒有從經(jīng)濟上考慮采用混合有源濾波器與TCR的結(jié)合方法。文獻[3]提出了優(yōu)化電弧爐結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用內(nèi)部減少對電網(wǎng)的干擾和外部補償措施相結(jié)合的方法抑制電弧爐對電網(wǎng)的干擾，主張從電弧爐本身的設(shè)計和運行工況改善其對電網(wǎng)影響的現(xiàn)狀，沒有從根本上解決交流電弧爐引起的電能質(zhì)量問題。

本文在分析電弧爐引起的電能質(zhì)量問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計了靜態(tài)無功補償轉(zhuǎn)置，該裝置能夠快速、準(zhǔn)確地補償饋送到電網(wǎng)側(cè)的無功功率，抑制電壓波動。通過搭建三相電弧爐電氣系統(tǒng)仿真模型，采用TCR_TSC型SVC補償無功。仿真表明，該系統(tǒng)能夠明顯改善動態(tài)電能質(zhì)量，具有較理想的抑制效果。

1 電弧爐對電網(wǎng)的影響

電弧爐對電網(wǎng)造成的主要影響有：電弧爐在運行過程中電極升降，爐料坍塌導(dǎo)致電弧頻繁的斷弧和短路，對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊電流，引起電壓波動和閃變；電弧電流本身為非正弦波，給電網(wǎng)注入大量高次諧波；電極的不對稱運行產(chǎn)生大量的負(fù)序電流[4-6]。研究表明，以上問題是息息相關(guān)的，當(dāng)電弧爐穩(wěn)定運行時，諧波問題比較突出；當(dāng)電弧爐處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時，電壓必定和閃變問題較為嚴(yán)重。因此，應(yīng)該綜合考慮上訴問題以解決電弧爐對電網(wǎng)造成的危害。

以交流電弧電阻數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)搭建交流電弧爐供電系統(tǒng)模型[4]。

式中，A為最低弧柱溫度對電弧電阻阻值的影響參數(shù)；B反映了弧柱溫度變化對電阻阻值的影響；C為弧徑變化的影響；D反映了氣體熱慣性的影響；L為弧長。

該模型具有物理意義明確、表達(dá)式簡單、能夠清楚表達(dá)電弧電阻外特性的優(yōu)點。從表達(dá)式可以看出，該模型反映了弧長和電弧電流對電氣系統(tǒng)的影響，適用于對電氣系統(tǒng)進行諧波分析和抑制方面的工作。

2 TCR_TSC型SVC工作原理

2.1 無功補償原理

靜止性動態(tài)無功補償器（Static Var Compensator，SVC），通過連續(xù)調(diào)節(jié)自身的無功功率，實現(xiàn)母線上的無功功率補償。在抑制電弧爐對電網(wǎng)和本身的影響途徑主要有以下2個方面：1）提高供電電壓等級，即增加供電強度，提高短路容量，使得產(chǎn)生的影響在允許的范圍之內(nèi)。然而，負(fù)面影響并沒有因此而消除，而是饋送到更高一級的電網(wǎng)中，這樣層層積累，最終會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果，因此，提高電壓等級只是治標(biāo)的辦法；2）增加靜補裝置，SVC可以有效地補償功率因素、濾除高次諧波、抑制電壓波動和閃變、補償中性偏移點，從而把影響控制在允許的范圍內(nèi)。

根據(jù)負(fù)載無功功率Qf的變化情況，可控硅自動連續(xù)改變電抗器的無功功率QL，使得總的無功功率QS等于0或者近似于一個常數(shù)[5]。當(dāng)電弧爐負(fù)荷產(chǎn)生的無功功率Qf增大時，SVC的無功功率QL相應(yīng)地減小。反之，QL相應(yīng)地增大。無論電弧爐負(fù)荷無功功率Qf如何變化，QL+Qf的只始終為一常數(shù)，考慮濾波電容FC的無功功率QC，得電網(wǎng)的無功功率為QS=Qf+QL-QC即ΔQS=ΔQf+ΔQL=0。

理想情況下，濾波器設(shè)計的目的是使得注入電網(wǎng)的諧波電流It=Ift+ILT+ICT=0。而在實際工程設(shè)計中，濾波的投入應(yīng)使得諧波電流控制在國家標(biāo)準(zhǔn)值的范圍之內(nèi)。

2.2 TCR_TSC型SVC工作原理及特性

晶閘管控制電抗器（TCR），是現(xiàn)代靜止無功補償器SVC的裝藥組成原件，同時也是一個較大的諧波源[6]。TCR的單相電路由兩個反向并聯(lián)的晶閘管和一個固定電抗器串聯(lián)而成。TCR正常工作時，從電壓峰值到電壓零點的間隔內(nèi)，觸發(fā)晶閘管，使其電抗器由關(guān)閉進入導(dǎo)通狀態(tài)。觸發(fā)延遲角α決定了電抗器中電流i的大小。電抗器幾乎是純感性負(fù)載，因此電感中的電流滯后于其兩端電壓約90°，α=0°時，電抗器吸收最大感性無功，α=90°時，電抗器不運行，吸收感性無功最小。單相TCR的電壓電流波形如圖1所示。

圖1 α=120°觸發(fā)信號寬度為周期的5%Fig.1 α=120°trigger signal width is 5%of cycle

改變晶閘管的相位控制角α的值，可以改變TCR上的感性電流，從而改變TCR吸收感性無功的大小。TCR可看作一個連續(xù)可調(diào)的可變導(dǎo)納，但只在感性無功范圍內(nèi)起作用。

晶閘管投切電容器（TSC）的單相電路由兩個反向并聯(lián)的晶閘管，串聯(lián)一個可抑制電流的電感和電容器組成。TSC實際上等效于一個斷續(xù)可調(diào)的動態(tài)投切式補償器[7]，在實際工程中，通常把電容器進行分組，由電網(wǎng)無功的需要來決定要投切電容器的組數(shù)。TSC在運行中不產(chǎn)生無功，且具有損耗小，響應(yīng)速度快，可分相補償?shù)膬?yōu)點。

如果電容器兩端的電壓發(fā)生突變，產(chǎn)生的沖擊性電流容易損壞與其串聯(lián)的晶閘管，因此，TSC的投切時刻（晶閘管的導(dǎo)通時刻）的選擇很重要，精確控制晶閘管的投切時刻，可以實現(xiàn)TSC的無過渡過程投切。

由于TCR只在感性無功范圍發(fā)生變化，而TSC只在容性無功范圍內(nèi)變化，在系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)過程，或者出現(xiàn)電壓偏低的情況下，單一的TCR無法對穩(wěn)壓提供支撐，投入TSC發(fā)出容性無功快速提高電壓，使得系統(tǒng)電壓恢復(fù)到原來的狀態(tài)。然而受系統(tǒng)控制精度影響，投入容性無功往往會超過需要值，這時所產(chǎn)生的多余無功量需要用TCR產(chǎn)生相應(yīng)的感性無功來抵消多余的容性無功。因此，我們結(jié)合TCR和TSC各自的優(yōu)點制成混合型靜止補償器，采用TSC作為分級粗調(diào)，TCR進行相控細(xì)調(diào)的控制方式[8]，可以實現(xiàn)補償裝置投切時間的精確控制，投入沖擊電流小，無功連續(xù)可調(diào)的動態(tài)無功補償器，即TCR_TSC型SVC。

圖2TCR_TSC型SVC的電壓電流特性Fig.2 The voltage and current characteristics of TCR_TSC type SVC

圖3 為TCR_TSC型SVC的電壓電流特性，圖中折線0-A-a，0-B-b，0-C-c分別為TCR并聯(lián)一組、兩組、三組TSC所對應(yīng)的電壓電流特性曲線[9]。本文采用三組TSC，故特性曲線應(yīng)為0-C-a。

圖3 TCR+TSC主回路模型Fig.3 The main circuit model of TCR+TSC

2.3 TCR+TSC型無功補償器

系統(tǒng)主回路模型如圖3所示，TCR、TSC均以三角形連接，這種接線方式的特點是端電壓固定[10]。濾波器的主要作用是消除TCR回路產(chǎn)生的高次諧波。

TCR_TSC型SVC的主要功能是：首先，根據(jù)需要補償?shù)臒o功電流值決定投入或切除TCR或者TSC支路；通過觸發(fā)角控制TCR輸出電流；計算過補償?shù)母行噪娏鳌?/p>

3 仿真與結(jié)果分析

地區(qū)配電變壓器將高壓線輸送的110 kV變?yōu)?1 kV，經(jīng)過架空線介入工廠電弧爐變壓器和配電變壓器，在11 kV交流母線上接入TCR_TSC型SVC進行濾波。結(jié)果如圖4—6所示。本文采用的電弧爐供電系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)為：①電弧爐變壓器額定容量為Se=12 500 kV·A，Uk%=8%時，RT≈0 Ω，XT≈7.398 4×10-4Ω；②短網(wǎng)阻抗：R0=0.001 1 Ω，X0=0.003 733 8 Ω;③電弧爐電弧參數(shù)：TL=8 000K，TH=28 000K，C=1.01×10-4，L=25cm，cos φ=0.8，rc=0.45 cm，D+θ=-2.4 rad。

圖4 濾波前PCC點電壓波形Fig.4 The voltage waveform at PCC point before filtering

圖5 TCR濾波后PCC點電壓波形Fig.5 The voltage waveform at PCC point after filtering by TCR

圖6 TCR_TSC濾波后PCC點電壓波形Fig.6 The voltage waveform at PCC point after filtering by TCR_TSC

由于電弧爐主要產(chǎn)生2～9次諧波，表1中列出了濾波前后各次諧波在電網(wǎng)中的含量。可見，本文提出的采用TCR和TSC進行協(xié)調(diào)補償?shù)姆椒ㄊ强扇〉?，濾波效果顯著。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了電弧爐供電系統(tǒng)的電氣運行特性，將TCR_TSC型SVC無功補償器引入電弧爐供電系統(tǒng)。采用MATLAB軟件對西安某鋼廠三相電弧爐仿真表明，采用TCR和TSC協(xié)調(diào)控制的SVC補償系統(tǒng)，取得了較好的濾波效果。本文的工作有利于抑制電弧爐運行時產(chǎn)生的大量有害諧波，提高電能質(zhì)量。

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