新型防晃電技術(shù)在整流系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 斌，彭曉瑋

（1. 江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.湖南科瑞變流電氣股份有限公司，湖南 株洲 412000）

晃電是指供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行中因雷擊、 對(duì)地短路、發(fā)電廠故障、大功率設(shè)備的投入或切除及其他原因造成電網(wǎng)電壓短時(shí)大幅波動(dòng)， 甚至短時(shí)斷電的現(xiàn)象[1]。 氯堿行業(yè)中特殊的工藝環(huán)境對(duì)供電的可靠性有極高的要求， 在工藝生產(chǎn)的過程中絕對(duì)不允許因供電的原因影響設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。 但隨著環(huán)網(wǎng)和并網(wǎng)日益增多，饋電容量日益擴(kuò)容，晃電現(xiàn)象發(fā)生的頻率越來越高。 晃電的存在可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。

為保證整流系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行， 本文針對(duì)晃電進(jìn)行了簡要的分析， 研究了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)晃電的部分處理措施， 提出了一種新型的用于整流系統(tǒng)的防晃電技術(shù)，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 晃電

1.1 晃電的基本類型及特點(diǎn)

晃電的基本類型共有4 種，即電壓驟降、驟升、短時(shí)斷電、電壓閃變[2]。 分別定義如下：（1）電壓驟降， 電壓下降至標(biāo)稱電壓10%～90%， 且持續(xù)時(shí)間為10 ms 至1 min （典型持續(xù)時(shí)間為 10～600 ms）；（2）電壓驟升，電壓上升至標(biāo)稱電壓110%～180%，且持續(xù)時(shí)間為 10 ms 至 1 min；（3） 短時(shí)斷電， 持續(xù)時(shí)間在0.5 個(gè)周波至 3 s 的供電中斷[3]；（4）電壓閃變，電壓波形包絡(luò)線呈規(guī)則的變化或電壓幅值一系列的隨機(jī)變化，一般表現(xiàn)為人眼對(duì)照明異常所引起的視覺感受。

本文所提及的“晃電”是指電壓驟降這一類型，也是最常見的一種晃電形式。

1.2 晃電的危害

整流系統(tǒng)為離子膜電解提供了連續(xù)、 穩(wěn)定的電源，是氯堿工業(yè)連續(xù)性生產(chǎn)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。雖然晃電持續(xù)時(shí)間比較短， 但對(duì)整流設(shè)備的影響卻十分巨大。 發(fā)生晃電時(shí)，整流器會(huì)因電網(wǎng)電壓降低，致使輸出電流降低，整流器可能輸出飽和，仍無法達(dá)到電流設(shè)定值；且在晃電結(jié)束的瞬間，整流系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)過電流，對(duì)電解槽離子膜造成電流沖擊，加速離子膜老化，削減離子膜的使用壽命，增加生產(chǎn)成本。

2 防晃電的措施

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場需求的增加，研究出各種各樣的防晃電方案。

2.1 使用防晃電設(shè)備

目前， 使用最廣泛的防晃電設(shè)備是不間斷電源（UPS）和防晃電交流接觸器。 前者在晃電發(fā)生時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，為電路持續(xù)供電，確保電路正常運(yùn)行；后者在控制電壓突然跌落到非正常工作電壓時(shí)， 將欠壓信號(hào)傳輸?shù)娇刂齐娐分校?控制系統(tǒng)立即對(duì)信號(hào)做出分析，使接觸器在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)處于保持狀態(tài)，達(dá)到“躲過”晃電，保持供電的目的。

2.2 運(yùn)用防晃電技術(shù)

晃電是客觀存在的，是人力無法徹底根除的。雖然UPS 和防晃電交流接觸器在防晃電方面應(yīng)用較多，但不可避免地存在局限性。UPS 能儲(chǔ)存的電力無法支持大功率設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)， 不能發(fā)揮出有效的防晃電效果[4]。防晃電交流接觸器本身易損壞，施工量大，經(jīng)濟(jì)性低[5]。 在大功率整流系統(tǒng)中，這兩種防晃電設(shè)備均不適用。

基于上述情況， 本文提出了一種新型的用于整流系統(tǒng)的防晃電技術(shù)，無需額外增加任何設(shè)備，就能防止晃電帶來的不良影響。 其基本思想是利用整流控制系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性， 檢測到晃電的發(fā)生和結(jié)束，迅速切換運(yùn)行狀態(tài)。

3 新型防晃電技術(shù)的原理

3.1 控制策略

整流系統(tǒng)在正常運(yùn)行的過程中， 其輸出電流和觸發(fā)角會(huì)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)， 且輸出電流與電流設(shè)定值相等。 當(dāng)晃電發(fā)生時(shí)， 整流系統(tǒng)的輸入電壓驟降，引起其輸出電流降低，為了使輸出電流與電流設(shè)定值保持一致，控制器立即增大觸發(fā)角。然而在晃電結(jié)束的瞬間，整流系統(tǒng)的輸入電壓瞬間恢復(fù)，但觸發(fā)角仍保持較大的值， 導(dǎo)致此時(shí)整流系統(tǒng)的輸出過電流， 如圖1 所示，Ui表示整流系統(tǒng)的輸入電壓的有效值，Uo表示整流系統(tǒng)的直流輸出電壓。

圖1 整流系統(tǒng)輸入、輸出電壓示意圖

雖然可通過增快整流系統(tǒng)的響應(yīng)速度來解決過電流問題，但過快的響應(yīng)速度，可能會(huì)適得其反，使得整流系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生振蕩。

針對(duì)以上問題， 設(shè)計(jì)了新型防晃電技術(shù)的控制策略。 當(dāng)控制器檢測到晃電發(fā)生，切換至開環(huán)模式，將觸發(fā)角鎖定在晃電發(fā)生前穩(wěn)定狀態(tài)的角度， 整流系統(tǒng)繼續(xù)輸出。當(dāng)控制器檢測到晃電結(jié)束的瞬間，控制器切換至閉環(huán)模式，整流系統(tǒng)恢復(fù)閉環(huán)穩(wěn)態(tài)，繼續(xù)穩(wěn)定輸出。

3.2 狀態(tài)切換原理

整流系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要分為4 種，即初態(tài)，瞬態(tài)，開環(huán)運(yùn)行和閉環(huán)穩(wěn)態(tài)。初態(tài)是指整流系統(tǒng)的輸出電流、電壓為0，觸發(fā)角為0°時(shí)的工作狀態(tài)；瞬態(tài)是指整流系統(tǒng)處于升/降電流的狀態(tài)；閉環(huán)穩(wěn)態(tài)是指系統(tǒng)處于反饋控制下且輸出電流值與設(shè)定值偏差不大的狀態(tài)；開環(huán)運(yùn)行是指晃電發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)處于固定觸發(fā)角運(yùn)行的狀態(tài)。當(dāng)滿足相應(yīng)的切換條件時(shí)，部分狀態(tài)之間可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

無晃電發(fā)生時(shí)，整流系統(tǒng)正常運(yùn)行。 首先，整流系統(tǒng)處于初態(tài)，此時(shí)沒有輸出；然后人工進(jìn)行升/降電流的操作，整流系統(tǒng)的輸出電流沒有達(dá)到設(shè)定值，處于瞬態(tài)；當(dāng)整流系統(tǒng)的輸出電流與設(shè)定值相等，且觸發(fā)角保持穩(wěn)定時(shí)，處于閉環(huán)穩(wěn)態(tài)。

一旦晃電發(fā)生， 控制器檢測到輸出電流驟降超過設(shè)定值的10%，立即做出相應(yīng)的處理：其一，控制器鎖定為晃電前閉環(huán)穩(wěn)態(tài)下的觸發(fā)角；其二，控制器切換到開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)控制器檢測到輸出電流值與設(shè)定值相差較小且保持穩(wěn)定后，即檢測到晃電結(jié)束，控制器切換至閉環(huán)穩(wěn)態(tài)，整流系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果

針對(duì)本文提出的整流系統(tǒng)防晃電技術(shù)， 使用MATLAB 進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)， 仿真模型分為兩大部分。第一部分為三相交流電仿真模型，采用兩個(gè)階躍信號(hào)疊加并與三相交流電源模塊相乘， 模擬晃電現(xiàn)象；第二部分為可控硅整流器的輸出仿真模型，包含采樣濾波處理和PI 運(yùn)算。

仿真的基本條件： 三相交流電每相的峰值為311 V，負(fù)載阻值為0.031 38 Ω，整流系統(tǒng)的電流設(shè)定值為14.85 kA，PI 參數(shù)可根據(jù)需要設(shè)置， 本次設(shè)置Kp=0.03，Ki=0.001。 當(dāng)系統(tǒng)處于閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，直流輸出電流約為14.85 kA， 直流輸出電壓約為470 V，觸發(fā)角為 13°。

（1）對(duì)無防晃電技術(shù)整流系統(tǒng)的仿真

設(shè)定整流系統(tǒng)在30 s 時(shí)產(chǎn)生晃電，三相交流電壓驟降50%， 且持續(xù)時(shí)間為0.5 s。 仿真結(jié)果如圖2所示。從上至下的曲線依次為：整流系統(tǒng)的交流輸入波形、整流系統(tǒng)的實(shí)際輸出波形。 由圖2 可知，當(dāng)有晃電發(fā)生時(shí)，整流系統(tǒng)的交流輸入驟降，輸出電流也隨之降低。在晃電結(jié)束的瞬間，整流系統(tǒng)的交流輸入瞬間恢復(fù)，但是由于此時(shí)的觸發(fā)角過大，導(dǎo)致輸出電流瞬間達(dá)到15.18 kA，出現(xiàn)過電流的情況。

圖2 無防晃電整流系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖

（2）對(duì)有防晃電技術(shù)整流系統(tǒng)的仿真

晃電產(chǎn)生及持續(xù)時(shí)間與上述一致，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 有防晃電整流系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖

由圖3 可知，加入防晃電措施后，在晃電結(jié)束的瞬間， 整流系統(tǒng)的輸出電流與晃電前的輸出電流保持一致，未出現(xiàn)過電流的情況。

通過兩種仿真結(jié)果的對(duì)比， 初步驗(yàn)證了本文所提出的用于整流系統(tǒng)的防晃電技術(shù)是可行且有效的。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該防晃電技術(shù)的可行性， 搭建了可控硅整流系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)包括整流控制器，整流主柜，純水冷卻器，整流調(diào)壓變壓器，配電柜等。

可控硅整流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。 三相交流電通過配電柜，再經(jīng)整流調(diào)壓變壓器，輸送至整流柜。由于各方面條件的限制，無法直接模擬出晃電， 擬對(duì)配電柜上的開關(guān)進(jìn)行分合閘模擬極端情況下的晃電，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

圖4 可控硅整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

第1 步：使整流主柜的輸出電流達(dá)到額定值，待其穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，整流系統(tǒng)處于閉環(huán)穩(wěn)態(tài)；

第2 步：分閘，即模擬晃電發(fā)生；

第3 步：合閘，即模擬晃電結(jié)束。

按以上步驟，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最終，整流系統(tǒng)加入防晃電技術(shù)前后的輸出電流波形分別見圖5 和圖6。

從圖5 可知，當(dāng)沒有采取任何防晃電措施時(shí)，晃電的出現(xiàn)導(dǎo)致了整流系統(tǒng)控制失調(diào)及輸出過電流的問題。 而圖6 表示采用了本文所提出的整流系統(tǒng)防晃電技術(shù)后的良好效果，在晃電結(jié)束的瞬間，整流主柜的輸出沒有出現(xiàn)過電流的情況， 且平滑過渡到閉環(huán)穩(wěn)態(tài)。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該防晃電技術(shù)是切實(shí)可行的。

圖5 無防晃電技術(shù)整流系統(tǒng)的輸出波形

圖6 有防晃電技術(shù)整流系統(tǒng)的輸出波形

5 總結(jié)

在電力系統(tǒng)無法避免“晃電”產(chǎn)生的情況下，如何采取有效措施應(yīng)對(duì) “晃電” 是需要面對(duì)的一大難題。 本文提出的新型防晃電技術(shù)能夠保障整流系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，有效避免和減少安全事故的發(fā)生，確保設(shè)備和整個(gè)生產(chǎn)自動(dòng)化過程的安全運(yùn)行， 提高了連續(xù)生產(chǎn)的可靠性。