四■Clean Energy 第28卷第2期 电网与清洁能源 V01.28 No.2 2012年2月 Power System and Clean Energy Feb.2012 文章编号:1674—3814(2012)02—0067—04 中图分类号:TF741.5 文献标志码:A 基于TaR—TSC的电弧炉无功补偿仿真研究 唐微,赵辉,岳有军 (天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室,天津300384) Simulation of Reactive Power Compensation for Electronic arc Furnace Based on TCR TSC TANG Wei,ZHAO Hui,YUE You-jun (Tianjin Key Laboratory for Control Theory&Applications in Complicated System,Tianjin University ofTechnology,Tianjin 300384,China) ABSTRACT:During operation,the electronic arc furnace 能利用率降低等。 (EAF)features low power factor,rapid fluctuations in reactive 文献『l1介绍了由大型电弧炉引起的电能质量 power,large load changes,causing a large amount of high-order 问题以及抑制方案,并分别介绍了各方案的优缺点 harmonic current and voltage distortion,therefore exerting negative 和适用条件。但是仅限于理论研究,没有进行仿真 impacts on the d by seriously affecting the power quality and 验证。文献『21提出了一种由静止无功补偿装置和有 resuhing in a lot of energy consumption and negative impacts on the industiral output and quality.Through an analysis of the 源滤波器相结合的新型综合补偿系统。由于该装 electircal properties of the operating of EAF,an SVC reactive 置,通过构造合理的拓扑结构,实现对SVC和APF的 power compensation device of the TCR分散控制。但是该方案并没有实现两者的联合控 _TSC type is adopted to iflter the harmonics.The MATLAB/Simulink simulation results 制,也没有从经济上考虑采用混合有源滤波器与 of the device suggest that the device has good filtering effect. TCR的结合方法。文献[3]提出了优化电弧炉结构设 KEY WORDS:AC electronic arc furnace;power quality; 计,采用内部减少对电网的干扰和外部补偿措施相 reactive power compensation;harmonic;MATLAB simulation 结合的方法抑制电弧炉对电网的干扰,主张从电弧 摘要:由于电弧炉在运行过程中的功率因数低,无功功率波 炉本身的设计和运行工况改善其对电网影响的现 动急剧,负载变化大,产生大量的高次谐波电流,电压畸变, 状,没有从根本上解决交流电弧炉引起的电能质量 对电网产生不利影响,严重影响电能质量,造成大量的能量 问题。 消耗,同时影响工业产量和质量。通过对电弧炉运行时的电 本文在分析电弧炉引起的电能质量问题的基 气特性进行分析,采用TCR_TSC型SVC协调控制的补偿方法 础上,设计了静态无功补偿转置,该装置能够快速、 对无功进行补偿,滤除谐波。MATLAB/Simulink仿真结果表 准确地补偿馈送到电网侧的无功功率,抑制电压波 明该装置滤波效果良好。 关键词:交流电弧炉;电能质量;无功补偿;谐波;MATLAB ̄真 动。通过搭建三相电弧炉电气系统仿真模型,采用 TCR_TSC型svc ̄b偿无功。仿真表明,该系统能够明 在现代钢铁生产行业中,电弧炉以其控制灵 显改善动态电能质量,具有较理想的抑制效果。 活,运行可靠,冶炼时间短,产品质量高,投资成本 低等优点得到了广泛的应用。然而由于其本身具有 1 电弧炉对电网的影响 高度非线性、强耦合、大时滞的特点,运行过程中不 可避免地给电网造成严重的不良影响,如降低供电 电弧炉对电网造成的主要影响有:电弧炉在运行 网络的功率因数,增加配电网络的能量损失,使电 过程中电极升降,炉料坍塌导致电弧频繁的断弧和 短路,对电网产生很大的冲击电流,引起电压波动和 基金项目:国家高技术研究发展计划(2007AA041401):天津市 闪变;电弧电流本身为非正弦波,给电网注人大量高 自然科学基金(08JCZDJC18600,09JCZDJC23900,lOJCZDJC23100): 次谐波;电极的不对称运行产生大量的负序电流 。 天津市科技支撑计划(2006ZD32,SB20080069)。 National High Technology Research and Development Program of 研究表明,以上问题是息息相关的,当电弧炉稳定 China(2007AA041401);Tian Jin Natural Science Foundation(08JCZD JC18600,O9JCZDJC2390O,10JCZDJC23100);key technologies R&D 运行时,谐波问题比较突出;当电弧炉处于调节状 Program of Tianiin(2006ZD32.SB2O080069). 态时,电压必定和闪变问题较为严重。因此,应该综 —叠 Clean Energy 唐微,等: ̄=J=TCRTSC的电弧炉无功补偿仿真研究 _合考虑上诉问题以解决电弧炉对电网造成的危害。 以交流电弧电阻数学模型为基础搭建交流电 弧炉供电系统模型 。 R(t, )= e /la+ ̄ — 删} (1) 式中, 为最低弧柱温度对电弧电阻阻值的影响参 数; 反映了弧柱温度变化对电阻阻值的影响;C为 弧径变化的影响;D反映了气体热惯性的影响;£为 弧长。 该模型具有物理意义明确、表达式简单、能够 清楚表达电弧电阻外特性的优点。从表达式可以看 出,该模型反映了弧长和电弧电流对电气系统的影 响,适用于对电气系统进行谐波分析和抑制方面的 工作。 2 TCR TSC型SVC工作原理 2.1 无功补偿原理 静止陛动态无功补偿器(Static Var Compensator, SVC),通过连续调节自身的无功功率,实现母线上 的无功功率补偿。在抑制电弧炉对电网和本身的影 响途径主要有以下2个方面:1)提高供电电压等级, 即增加供电强度,提高短路容量,使得产生的影响 在允许的范围之内。然而,负面影响并没有因此而 消除,而是馈送到更高一级的电网中,这样层层积 累,最终会导致更为严重的后果,因此,提高电压等 级只是治标的办法;2)增加静补装置,SVC可以有效 地补偿功率因素、滤除高次谐波、抑制电压波动和 闪变、补偿中性偏移点,从而把影响控制在允许的 范围内。 根据负载无功功率Q 的变化情况,可控硅自动 连续改变电抗器的无功功率Q 使得总的无功功率 Q 等于0或者近似于一个常数阁。当电弧炉负荷产生 的无功功率p增大时,SVC的无功功率Q 相应地减 小。反之,9 相应地增大。无论电弧炉负荷无功功率 Qf ̄II何变化,QL+Q,的只始终为一常数,考虑滤波电 容 的无功功率Q ,得电网的无功功率为Q。=pr+ QI_Qc ̄[IAQs=△Q广卜△Q【 Oo 理想情况下,滤波器设计的目的是使得注人电 网的谐波电流 =厶+,I ,f 0。而在实际工程设计中, 滤波的投人应使得谐波电流控制在国家标准值的 范围之内。 2.2 TCR TSC型SVCT作原理及特性 晶闸管控制电抗器(TCR),是现代静止无功补 偿器SVC的装药组成原件,同时也是一个较大的谐 波源[61。TCR的单相电路由两个反向并联的晶闸管和 一个固定电抗器串联而成。TCR正常工作时,从电压 峰值到电压零点的间隔内,触发晶闸管,使其电抗 器由关闭进入导通状态。触发延迟角O/决定了电抗 器中电流i的大小。电抗器几乎是纯感性负载,因此 电感中的电流滞后于其两端电压约90 ̄,O/=o时,电 抗器吸收最大感性无功, =90。时,电抗器不运行, 吸收感性无功最小。单相TCR的电压电流波形如图l 所示。 图1 a=120。触发信号宽度为周期的5% Fig。1 ̄r=120。trigger signal width is 5%of cycle 改变晶闸管的相位控制角 的值,可以改变TCR 上的感性电流,从而改变TCR吸收感性无功的大小。 TCR可看作一个连续可调的可变导纳,但只在感性 无功范围内起作用。 晶闸管投切电容器(TSC)的单相电路由两个反 向并联的晶闸管,串联一个可抑制电流的电感和电 容器组成。TSC实际上等效于一个断续可调的动态 投切式补偿器[71,在实际工程中,通常把电容器进行 分组,由电网无功的需要来决定要投切电容器的组 数。TSC在运行中不产生无功,且具有损耗小,响应 速度快,可分相补偿的优点。 如果电容器两端的电压发生突变,产生的冲击 性电流容易损坏与其串联的晶闸管,因此,TSC的投 切时刻(晶闸管的导通时刻)的选择很重要,精确控 制晶闸管的投切时刻,可以实现TSC的无过渡过程 投切。 由于TCR只在感性无功范围发生变化,而TSC 只在容性无功范围内变化,在系统发生暂态过程, 或者出现电压偏低的情况下,单一的TCR无法对稳 压提供支撑,投人TSC发出容性无功快速提高电压, 使得系统电压恢复到原来的状态。然而受系统控制 —昭 _ 7O 唐微,等:基于TCR_TSC的电弧炉无功补偿仿真研究 Ctean Energy Vol_28 No.2 表1 滤波前后各次谐波含量 Tab.1 The harmonic content before and after filtering 由于电弧炉主要产生2~9次谐波,表1中列出了 滤波前后各次谐波在电网中的含量。可见,本文提 出的采用TCR和TSC进行协调补偿的方法是可取 的,滤波效果显著。 4结论 本文详细分析了电弧炉供电系统的电气运行 特性,将TCR TSC型SVC无功补偿器引入电弧炉 供电系统。采用MATLAB软件对西安某钢厂三相电 弧炉仿真表明,采用TCR和TSC协调控制的svcSb偿 系统,取得了较好的滤波效果。本文的工作有利于 抑制电弧炉运行时产生的大量有害谐波,提高电能 质量。 参考文献 『11 翁利民,陈允平,舒立平.大型炼钢电弧炉对电网及自身 的影响和抑制方案[J].电网技术,2004,28(2):64—67. WENG Li—min,CHEN Yun-ping,SHU Li—ping.Influence of electric arc steel fumace on the power system and its suppression[J].Power System Technology,2004,28(2):64— 67(in Chinese). [2]2 张定华,桂卫华,王卫安.大型电弧炉无功补偿与谐波抑 制的综合补偿系统[J].电网技术,2008,32(12):23—29. ZHANG Ding-hua,GUI Wei—hua,WANG Wei—an. Comprehensive compensation system combining reactive power compensation and harmonic suppression for 1arge— scale electirc arc-furnace[J].Power System Technology, 2008,32(12):23-29(in Chinese). 『31 苏德良,孙会.大容量电弧炉对电网干扰的抑制方法研 究『J1.电网技术,2001,25(9):64—66. SU De-liang,SUN Hui.Measures to reduce impact of arc fumace on power quality[J1.Power System Technology, 2001,25(9):64—66(in Chinese). 『41 刘小河,赵刚,于娟娟.电弧炉非线性特性对供电网影响 的仿真研究[J】.中国电机工程学报,2004,6(24):30—34. LIU Xiao—he,ZHAO gang,YU Juan-juan.Simulations on the impaction in power supply network caused by the nonlinear characteristics of electirc raC fumace System[J]. Proceedings of the CSEE,2004,6(24):30—34(in Chinese). 【5】 方忠民,赵延明.基于sVC的电弧炉谐波抑制研究【J1.应 用研究,2008(1):62—65. FANG Zhong-min,ZHAO Yan—ming.Study of harmonic suppression for arc furnace based on SVC[J].Application Research。2008(1):62—65(in Chinese). f6】 郑伟杰,徐文远.TC E线性特性的线性耦合导纳矩阵 模 ̄d[J1.中国电机工程学报,2008,1(28):59—64. ZHENG Wei-jie,XU Wen-yuan.Harmonically coupled linear model ofr harmonic analysis of TCR[J].Proceedings of the CSEE,2008,1(28):59-64(in Chinese). 『7】 江少成,常宇.几种静止型动态无功补偿(svc)装置的 性能及应用场合分析叽浙江电力,2009(5):32—36. JIANG Shao-cheng,CHANG Yu.Performance and applied fields of several static-type dynamic static var compen— sators【J].ZHEJIANG Electrical Power,China,2009(5): 32-36(in Chinese). 【8】 林丽琴,吴文宣.TCR+TSC ̄_SVC协调控制的仿真分析【Jj. 电力与电工,2009,29f3 :1-4. LIN Li-qin,WU Wen-xuan.Analysis for simulation of coordinated control ofr SVC type TCR-TSC[J].Electirc Power and Electircal Engineering,2009,29(3):1-4(in Chinese). 【9】 曾海林用于新型整流变压器的TcR+ c型sVc装置【D】. 长沙:湖南大学。2010. 『1 o1石新春,杨梅玲.一种采用零压型开关的TSC低压无功 补偿装置[J】.电网技术,2000,12(24):41—44. SHI Xin-chun,YANG Mei-ling.A new TSC reactive power compensation device adopting zero——voltage switch techn—。 ology[J].Power System Technology,2000,12(24):41—44 (in Chinese). [1 1]李宏,董瑾.无功补偿技术的研究叨.现代电子技术,201 1, 34(6):175—178. LI Hong ̄DONG Jin.Development ofreactive power compen— sation Technology叨.Modem Electronics Technique,201 1, 34(6):175-178(in Chinese). I1 21刘凤霞,黄晓彤,刘前进.配电网无功补偿算法研究综 述[J】_西北水电,2005(3):59—64. LIU Feng-xia,HUANG Xiao-tong,LIU qian-jin.Reserach summary of reactive power compensation algorithms in distirbution network[J].Northwest Hydropower,2005(3): (下转第79页) Clean Energy 第28卷第2期 电网与清洁能源 79 电力,2009,37(1):1-3. 【27】ABBEY C,JO S G.Supercapacitor enery gstorage orf wind YANG Qi,WEI Bin.Design and analysis of stand-alone hybrid wind/PV power system『J].Shaanxi Eletric Power, enery applgications[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2007,43(31:769—776. 2009,37(1):1-3(in Chinese). 【28】傅旭,李海伟,李冰寒.大规模风电场并网对电网的影响 及对策综述fJ1-陕西电力,2010,38(1):53—56. FU Xu,LI Hai-wei,LI Bing-han.Review on influences of large-scale wind farms power systems and counter— [23】梁振峰,杨晓萍,张娉.分布式发电技术及其在中国的发 展[J】.西北水电,2006(1):5 1—53. IANG Zhen-feng,YANG XiLao—ping,ZHANG Pin. Distibutred powergenerationtechnologyanditsdevelopment measures[J】.Shaanxi Eletric Power,2010,38(1):53-56(in in China[J].Northwest Water Power,2006(1):51-53(in Chinese). [241 TAGUCHI A,IMAYOSHI T,NAGAFUCHI T,et a1.A study of SMES control logic for power system stabilization[J】. Chinese). 【29】JENKINS E J N.Comparison of het response of double fed and fixed—speed induction generator wind turbines to changes in network frequency[J].IEEE Transactions on IEEE Trans on Applied Superconductivity,2007,17(2): 2343—2346. Enery gConversion,2004,19(4):800—802. [30]孙春顺,王耀南,李欣然.飞轮辅助的风力发电系统功率 [251陈星莺,刘孟觉,单渊达.超导储能单元在并网型风力发 电系统的应用[J].中国电机工程学报,2001,21(12):63— 66. 和频率综合控制硼.中国电机工程学报,2008,28(29):111一 l16. SUN Chun-shu ̄WANG Yao-nan,LI Xin-rarh Synthesized power and ̄equeney control of wind power generation CHEN Xing—ying,LIU Meng-jHe,SHAN Yuan-da. Application of super conducting magnetic energey storage system assisted through flywheels[J].Proceedings of the system-SMES in wind power system of network-forming[J]. CSEE,2008,28(291:111-116(in Chinese). Proce-edings ofthe CSEE,2001,21(12):63-66(in Chinese). 【26】M0HD H A,TOSHIAKI M,JUNJI T.Stabilization of power system including nd generator by fuzzy logic— 收稿日期:2011—01—07。 作者简介: contolrled superconducting magnetic enery sgtorage【C】. Procedings of International Conference on Power Electronics and Drives Systems.Knala Lumpur,Malaysia. 20o5:】6】1—1616. ∈∈芒《 《≤{—E 芒《 ‘∈{{《《∈暑岳芒芒《暑∈芒—言《《<毒∈毒 ‘0∈ C-0{《 畚 骆妮(1987一),女,硕士研究生,主要研究方向为储能电池 成组技术。 (编辑《 {《 《{0 《芒 徐花荣) ∈0e<e∈《{0 <《e£{亡e《 (上接第70页) 59-64(in Chinese). DONG Yun—long.Summary of reactive power compensa— tion technique[J].Enery gConservation,2003(9):13—19(in Chinese). 收稿日期:2011-04—06。 【131钟科,龙云波.基于电网电压定向矢量变换的TCR控制 装置的研究【J】.陕西电力,2010(7):25—29. ZHONG Ke,LONG Yun—bo.Study on TCR contolr devices based on voltage orientation vector transformation叨.Shanxi 作者简介: Electirc Power,2010(7):25-29(in Chinese). 唐系统: 微(1987一),女,硕士研究生,研究方向:电弧炉智能控制 【14】梅雪,吴为麟.智能型无功补偿控制器[J].能源工程, 2001(4):36—37. MEI Xue,WIJT Wer-lin.Reactive power compensation con- 赵辉(1963一),男,教授,博士生导师,研究方向:控制理论 与控制工程,智能控制等; 岳有军(197O一),男,副教授,研究方向:智能控制。 troller[J].Enery gEngineering,2001(4):36-37(in Chinese). 【l5】董云龙.无功补偿技术综述【J1.节能,2003(9):13—19. (编辑徐花荣)