黃 華，丁 勇，常寶立，陳赤漢

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102)

鋼鐵企業(yè)由于存在大量的軋機(jī)、電弧爐等沖擊性負(fù)荷，正常生產(chǎn)時(shí)系統(tǒng)總負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)幅度大、頻次密集的有功功率波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率也出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，會(huì)對(duì)附近發(fā)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩造成影響，嚴(yán)重情況下，電弧爐沖擊會(huì)引起發(fā)電機(jī)組內(nèi)部諧振，造成機(jī)組長(zhǎng)期疲勞損傷，沖擊負(fù)荷還會(huì)對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱的地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[1-4]。為避免沖擊負(fù)荷對(duì)發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)系統(tǒng)造成的不利影響，文獻(xiàn)[5]建立了有功沖擊動(dòng)態(tài)控制模型，通過實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)的有功沖擊承受能力，對(duì)隨機(jī)的沖擊負(fù)荷進(jìn)行錯(cuò)峰控制，避免沖擊負(fù)荷的瞬變疊加放大，破壞電網(wǎng)穩(wěn)定，這種方案不可避免地會(huì)對(duì)日常生產(chǎn)造成干擾。

本文提出采用高壓大容量調(diào)功器來鏡像平衡（鏡像平衡是指任一時(shí)刻，調(diào)功器功率和沖擊負(fù)荷功率一升一降，兩者功率之和平衡在某一恒定功率）沖擊負(fù)荷造成的功率波動(dòng)，高壓調(diào)功器基于晶閘管三相交流調(diào)壓原理[6]，通過改變晶閘管的觸發(fā)角度，來改變熱水鍋爐的三相輸入電壓，從而無級(jí)調(diào)節(jié)鍋爐消耗功率，使鍋爐功率與沖擊負(fù)荷功率鏡像對(duì)稱，達(dá)到總負(fù)荷穩(wěn)定，避免了系統(tǒng)頻率的劇烈波動(dòng)。

1 調(diào)功器組成與控制策略

根據(jù)測(cè)算，1 min 內(nèi)鋼廠所有沖擊負(fù)荷的最大功率波動(dòng)約150 MW，單套高壓調(diào)功器容量40 MW，共有4 套調(diào)功器，接入10 kV 母線。高壓調(diào)功器由晶閘管閥組、負(fù)載電感、濾波器、熱水鍋爐組成，如圖1 所示。閥組由一定數(shù)目的反并聯(lián)晶閘管（VT1和VT2）串聯(lián)組成，晶閘管閥組與負(fù)載電感L0三相串聯(lián)，負(fù)載電感出線接額定功率為40 MW的熱水鍋爐，負(fù)載電感的作用是減小高壓調(diào)功器運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波，降低閥組開通時(shí)的電流上升率。為了避免高壓調(diào)功器運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波流入系統(tǒng)，配置由L1，C1組成的5 次濾波器和L2，C2組成的7 次濾波器。

圖1 高壓調(diào)功器拓?fù)浼暗刃щ娐穲D

高壓調(diào)功器與靜止無功補(bǔ)償器（SVC）相比，雖然都是基于三相交流相控調(diào)壓原理，但有著本質(zhì)上的區(qū)別。SVC 是按三相角形接線，它既可以對(duì)負(fù)荷無功進(jìn)行補(bǔ)償，使得補(bǔ)償后的系統(tǒng)無功為0，也可以對(duì)母線電壓進(jìn)行控制，維持電壓穩(wěn)定[7，8]；而高壓調(diào)功器是按三相星形接線，通過調(diào)節(jié)晶閘管閥組的導(dǎo)通角度來調(diào)節(jié)熱水鍋爐的輸入電壓，從而調(diào)節(jié)熱水鍋爐消耗的功率，也即調(diào)功器只能吸收有功，對(duì)負(fù)荷有功進(jìn)行鏡像平衡，使得系統(tǒng)有功平衡在某一恒定功率，達(dá)到頻率穩(wěn)定的目的。由于熱水鍋爐是純阻性負(fù)載，因此可以用電阻來等效，得到的高壓調(diào)功器的單相等效電路圖，如圖1（b）所示。

式（1）中：α為晶閘管閥組的觸發(fā)角；θ為晶閘管閥組的導(dǎo)通角；且α 與θ 所示關(guān)系[1]：

式（2）中：φ=arctan（WL/R）為負(fù)載阻抗角。

由式（1）、式（2）可知，輸出電壓有效值與導(dǎo)通角和觸發(fā)角相關(guān)，而導(dǎo)通角與觸發(fā)角的關(guān)系是一個(gè)非線性超越方程，因而輸出電壓與觸發(fā)角之間沒有確定的函數(shù)關(guān)系，因此在確定的負(fù)載阻抗角下，通過數(shù)值法求解出調(diào)功器的功率與觸發(fā)角的關(guān)系，如表1 所示。

表1 不同觸發(fā)角下的負(fù)荷功率

對(duì)表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到負(fù)荷功率（標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為40 MW）與觸發(fā)角的函數(shù)關(guān)系：

利用式（3）的擬合函數(shù)，便可以快速根據(jù)高壓調(diào)功器功率指令計(jì)算方出晶閘管閥組的觸發(fā)角度，使得高壓調(diào)功器的實(shí)際功率快速跟蹤功率指令的變化。為了對(duì)曲線擬合計(jì)算出的觸發(fā)角誤差進(jìn)行補(bǔ)償，將高壓調(diào)功器的功率測(cè)量值Pmeas與指令值Pref做差后進(jìn)行積分調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)器輸出的閉環(huán)觸發(fā)角指令αcl與擬合函數(shù)計(jì)算出的開環(huán)觸發(fā)角指令αop相加，作為最終的觸發(fā)角度，如圖2 所示。通過f（P）函數(shù)保證控制的快速性，通過積分調(diào)節(jié)保證控制的準(zhǔn)確性。

圖2 高壓調(diào)功器控制框圖

2 沖擊負(fù)荷平衡控制策略

沖擊負(fù)荷平衡控制策略就是通過對(duì)各路沖擊負(fù)荷進(jìn)行采樣，按下式所示的沖擊平衡算法計(jì)算出高壓調(diào)功器的功率指令Pref：

式（4）中：Pi為沖擊負(fù)荷功率瞬時(shí)值；Pi_mean為沖擊負(fù)荷功率平均值；Pb為高壓調(diào)功器的功率基準(zhǔn)值。

沖擊負(fù)荷平衡示意圖如圖3 所示。當(dāng)沖擊負(fù)荷功率突然增大時(shí)，高壓調(diào)功器功率快速減??；沖擊負(fù)荷功率突然減小時(shí)，高壓調(diào)功器的功率快速增大，維持系統(tǒng)總負(fù)荷功率保持穩(wěn)定，避免頻率大幅波動(dòng)。

圖3 沖擊負(fù)荷平衡示意圖

通過對(duì)各種軋機(jī)、精煉爐等沖擊負(fù)荷功率波動(dòng)曲線的研究發(fā)現(xiàn)，各種沖擊負(fù)荷的波動(dòng)范圍較為固定，負(fù)荷平均值變化不大，可事先人為設(shè)定，因此分別計(jì)算各個(gè)負(fù)荷的實(shí)際功率值與功率平均值的偏差量，并將這些偏差量求和，作為總的功率偏差量用于調(diào)整高壓調(diào)功器的出力，疊加高壓調(diào)功器功率基值后，就是高壓調(diào)功器的實(shí)際出力指令值，其控制邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 沖擊負(fù)荷平衡控制框圖

對(duì)于沖擊負(fù)荷的運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)，采用負(fù)荷功率值+延時(shí)進(jìn)行判斷。當(dāng)負(fù)荷投運(yùn)時(shí)，將負(fù)荷平均值設(shè)置為設(shè)定值；當(dāng)負(fù)荷停運(yùn)時(shí)，將負(fù)荷平均值設(shè)置為0，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD/EMTDC 仿真軟件搭建了容量為40 MW的高壓調(diào)功器仿真系統(tǒng)，降壓變壓器容量50 MV·A，110/10 kV，短路阻抗百分比為10.5%，負(fù)載電感2 mH，額定容量為40 MW的熱水鍋爐用2.5 Ω的電阻來等效，5 次濾波器容量為10 Mvar，電容大小313.92 μF，串聯(lián)電感1.31 mH，7 次濾波器容量為5 Mvar，電容大小156.95 μF，串聯(lián)電感大小1.33 mH。

高壓調(diào)功器功率指令從0 MW 階躍到40 MW時(shí)調(diào)功器的電壓有效值、瞬時(shí)電流及功率波形如圖5 所示。經(jīng)過10 ms時(shí)間，調(diào)功器功率就從0 MW 階躍到40 MW，且無超調(diào)，10 kV 母線電壓波動(dòng)是由調(diào)功器功率階躍時(shí)吸收的無功功率變化導(dǎo)致，該電壓波動(dòng)在允許范圍之內(nèi)，由此證明了采用基于晶閘管的三相交流調(diào)壓原理的高壓調(diào)功器來平衡沖擊負(fù)荷的可行性。

圖5 高壓調(diào)功器階躍響試驗(yàn)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用高壓調(diào)功器去平衡鋼廠內(nèi)2150 主傳動(dòng)生產(chǎn)線上的沖擊負(fù)荷，沖擊負(fù)荷波動(dòng)范圍為0 到50 MW，沖擊負(fù)荷平均值25 MW，設(shè)置高壓調(diào)功器基值35 MW，高壓調(diào)功器最大出力70 MW，平衡效果如圖6所示。高壓調(diào)功器對(duì)沖擊負(fù)荷的波動(dòng)功率進(jìn)行了鏡像平衡補(bǔ)償，平衡后的總負(fù)荷功率曲線為一平滑的直線，達(dá)到了沖擊負(fù)荷平衡的效果。

5 結(jié)束語

針對(duì)工業(yè)軋機(jī)、電弧爐等沖擊性負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，有功功率波動(dòng)幅度大且頻次密集的問題，提出采用高壓調(diào)功器來鏡像平衡沖擊負(fù)荷造成的功率波動(dòng)，維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。通過PSCAD/EMTDC 仿真和現(xiàn)場(chǎng)沖擊負(fù)荷平衡試驗(yàn)波形驗(yàn)證了基于高壓調(diào)功器的沖擊負(fù)荷平衡方案的正確性。

圖6 沖擊負(fù)荷平衡試驗(yàn)波形

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