CN103078323A - 电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统涉及电炉电极塌料控制领域，该系统包括电流互感器CT、电压互感器PT、电流信号处理单元、电压信号处理单元、谐波及功率因数处理单元、矢量正负序分离器、分级控制器、正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器、三阶梯滞环比较器、SPWM发生电路、驱动电路和STATCOM变换器。本发明的有益效果是：该控制系统能够对电炉短网的谐波进行抑制和无功补偿，提高了短网的有功功率，减少了回路损耗，实现了节能，并优化了电能品质。

Description

电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统

技术领域

本发明涉及电炉电极塌料的控制技术领域，具体涉及一种电炉电极塌料引起短网不平衡的D-STATCOM分级控制系统。

背景技术

电炉属于中大负载类，短网处于的是低电压（160-170V）、大电流（5万A左右）连续性的工作状态，并且由于电极拉弧等受诸多未知因素的影响，电流波动幅度大，经常造成短网功率因数低、无功大、谐波复杂、损耗高、三相不平衡等诸多随机的现象，采用简单的补偿技术和常规的设计方法不但起不到应有的效果，反而会带来损坏电极、影响生产以及造成事故等负面的影响。

对于电弧炉，由于其三相电极塌料情况的不同，电弧电阻的随机性必然造成三相电流的不对称，较平稳的熔化期负序分量差不多占到正序分量的20%，严重时负序分量会达到正序分量的50%-70%，而且由于电弧炉前端有大容量变压器的存在，电弧炉的功率因数很低，一般不超过0.75，严重的时候会达到0.1。

以生产铁合金的碳铬炉为例，其无功功率达到9100kvar，功率因数只有0.75～0.78，谐波含量高达5％～10％，使电能消耗占到成本的30%～40%。同时，由于电压的波动、电流谐波的干扰以及电能品质的低下等因素影响，使得外围辅助设备(如循环泵等)总是处于动态的不平稳工作状态，在增加额外损耗的同时，又降低了设备的可靠性和寿命。

显然，常规的无功补偿装置很难对负荷不平衡及电网电压的波动和闪变进行有效的抑制。而D-STATCOM实际应用中电网电压不平衡现象经常发生，任何电网自身的故障和负载的增减都有可能导致电网电压不平衡，而且电网故障导致的电网电压不平衡比负载引起的电网电压不平衡造成的不良后果要严重、持续时间要长。直接电压控制的D-STATCOM主要目的是维持公共连接点电压稳定，而且供电电压平衡是衡量电能质量的一个重要方面。

因此，针对上述现状，提供一种电炉电极塌料引起短网不平衡的D-STATCOM分级控制系统势在必行。

发明内容

为了解决现有无功补偿装置很难对负荷不平衡及电网电压的波动和闪变进行有效的抑制，短网有功功率低，回路损耗大，电能品质低的技术问题，本发明提供一种电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统包括电流互感器CT、电压互感器PT、电流信号处理单元、电压信号处理单元、谐波及功率因数处理单元、矢量正负序分离器、分级控制器、正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器、三阶梯滞环比较器、SPWM发生电路、驱动电路和STATCOM变换器；

所述电流互感器CT与短网的三相电极相连，用于检测短网的三相电流；

所述电压互感器PT与短网的三相电极相连，用于检测短网的三相电压；

所述电流信号处理单元与电流互感器CT相连，用于对电流互感器CT传送的三相电流信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换；

所述电压信号处理单元与电压互感器PT相连，用于对电压互感器PT传送的三相电压信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换；

所述谐波及功率因数处理单元分别与电流互感器CT、电压互感器PT相连，用于应用q-d级数理论方法，通过对短网电流基波和谐波的特性分析，采用电流分解、倍频变换的软测量方法，实现对短网三相基波电流、谐波电流以及功率因数的检测；

所述矢量正负序分离器与谐波及功率因数处理单元相连，用于分离电网电压中的正、负序分量；

所述分级控制器与矢量正负序分离器相连，用于根据传感器检测的信号分析出三相电极塌料情况下电网电压不平衡状态，从而分解出正序电流控制信号、负序电流控制信号和零序电流控制信号，输出D-STATCOM实际控制信号，分别送给正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器；

所述正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器分别将接收的正序电流控制信号、负序电流控制信号、零序电流控制信号传送给三阶梯滞环比较器；

所述三阶梯滞环比较器分别与正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器相连，用于接收正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器传来的控制信号，根据计算的功率因数偏差值，结合所设定的允许补偿误差限，分别给出增加补偿容量控制信号、保持不变控制信号以及减少补偿容量的控制信号；

所述SPWM发生电路与三阶梯滞环比较器相连，用于用SPWM波形控制逆变电路中IGBT的通断，使其输出的脉冲电压的面积与期望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值来调节逆变电路输出电压的频率和幅值；

所述驱动电路与SPWM发生电路相连，用于在过流、短路和过压的情况下对IGBT进行保护；

所述STATCOM变换器与驱动电路相连，用于将直流电压变换为交流电压，通过控制逆变器中IGBT的驱动脉冲控制交流电压的大小、频率和相位。

本发明的有益效果是：该控制系统能够对电炉短网的谐波进行抑制和无功补偿，提高了短网的有功功率，减少了回路损耗，实现了节能，并优化了电能品质。

附图说明

图1是本发明电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统的工作原理图。

图2是本发明中的STATCOM变换器电路图。

图3是本发明中的交流采样电路图。

图4是本发明中的电流信号处理单元电路图。

图5是本发明中的测频电路图。

图6是本发明中的驱动电路图。

图7是本发明中的D-STATCOM等效图。

图8是本发明中的D-STATCOM矢量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统包括：电流互感器CT、电压互感器PT、电流信号处理单元、电压信号处理单元、谐波及功率因数处理单元、矢量正负序分离器、分级控制器、正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器、三阶梯滞环比较器、SPWM发生电路、驱动电路和STATCOM变换器。

电流互感器CT和电压互感器PT，分别用于检测短网的三相电流和电压。电流信号处理单元用于对电流互感器CT传送的三相电流信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换；电压信号处理单元用于对电压互感器PT传送的三相电压信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换。

谐波及功率因数处理单元应用q-d级数理论方法，通过对短网电流基波和谐波的特性分析，采用电流分解、倍频变换的软测量方法，在不增加硬件和免除常规坐标变换等复杂运算的基础上，较好地实现了对短网三相基波电流、谐波电流以及功率因数的检测。

在三相不对称电网的电压中除含有正序分量外还含有负序分量，为了防止装置过流，D-STATCOM必须输出相等的负序电压。因此矢量正负序分离器用于分离电网电压中的正、负序分量。

分级控制器根据传感器检测的信号分析出三相电极塌料情况下电网电压不平衡状态，从而分解出正序电流控制信号、负序电流控制信号和零序电流控制信号，输出D-STATCOM实际控制信号，分别送给正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器。正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器分别将接收的正序电流控制信号、负序电流控制信号、零序电流控制信号传送给三阶梯滞环比较器。

三阶梯滞环比较器用于接收正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器传来的控制信号，根据计算的功率因数偏差值，结合所设定的允许补偿误差限，分别给出增加补偿容量控制信号、保持不变控制信号以及减少补偿容量的控制信号。

SPWM发生电路用脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中IGBT的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。当发生塌料引起三相电网供电不平衡时，使D-STATCOM能对电炉电极进行补偿。

驱动电路主要解决在过流、短路和过压的情况下对IGBT实行比较完善的保护。过流故障一般需要稍长的时间才使电源过热，因此对它的保护都由主控制板来解决。过压一般发生在IGBT关断时，较大的di/dt在寄生电感上产生了较高的电压，这需要用缓冲电路来钳制，或者适当降低关断的速率。短路故障发生后瞬时就会产生极大的电流，很快就会损坏IGBT，主控制板的过流保护根本来不及，必须由驱动电路或驱动器立刻加以保护。

STATCOM变换器以逆变器技术为基础，等效为一个可调节的电压和电流源，通过控制该电压和电流源的幅值和相位来达到改变向电网输送无功功率大小的目的。逆变器由多个逆变桥级联而成，其主要功能是将直流电压变换为交流电压，而交流电压的大小、频率和相位可以通过控制逆变器中IGBT器件的驱动脉冲进行控制。连接变压器将逆变器输出的电压变换到系统电压，从而使STATCOM装置可以连接到电极电力系统中。

本发明电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统的工作原理是：通过电流互感器CT、电压互感器PT实时监测电网中的电压电流等参数，并通过电压和电流信号处理单元对三相电压电流进行滤波，放大及数模变换。谐波及功率因数处理单元应用q-d级数理论方法，通过对短网电流基波和谐波的特性分析，采用电流分解、倍频变换的软测量方法，对短网三相基波电流、谐波电流以及功率因数的检测。信号传入分级控制器，分级控制器会根据传感器检测的信号分析出三相电极塌料情况下电网电压不平衡状态，从而分解出正序电流控制信号、负序电流控制信号和零序电流控制信号，输出D-STATCOM实际控制信号，分别送给正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器。最后信号进入三阶梯滞环比较器，三阶梯滞环比较器由计算的功率因数偏差值，结合所设定的允许补偿误差限，分别给出增加补偿容量、保持不变以及减少补偿容量的控制信号送入到SPWM发生电路，SPWM波形控制逆变电路中IGBT的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。当发生塌料引起三相电网供电不平衡时，使D-STATCOM能对电炉电极进行补偿。

如图2所示，STATCOM(Static Synchronous Compensator，静止无功发生器)是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，从而使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。STATCOM的主电路有多种结构，本发明采用电压型桥式电路，其电路基本结构如图所示，直流侧采用电感储能元件串联连接电抗器并入电网，其中，Us表示电网电源电压，Zs表示电源及线路阻抗，T是配电变压器，Z_L表示负载阻抗。L1、L2、C、R构成STATCOM交流侧输出LCL滤波器。图2采用三相全桥逆变电路，由六个IGBT和二极管构成电压型三相桥式逆变电路，IGBT做为全控器件，利用驱动信号控制其导通与关断，二极管完成续流作用，为感性负载提供续流回路，避免功率器件承受过高的瞬态电压。

如图3所示，本发明的检测环节采用交流采样法，能实时精确的反映电参量瞬时值的大小。其控制器的测量采样系统，主要由PT、CT、LEM模块和AD转换模块组成。PT、CT分别用于测量STATCOM输出端的三相电压和三相电流信号，LEM模块用于采集STATCOM直流侧的电容电压信号。被测模拟量信号经AD转换器进行模/数转换后送入控制器，控制器运用所测得的信号瞬时值，经适当的变换后，求出瞬时无功和瞬时电压矢量的有效值，并以此为依据，对STATCOM进行闭环控制。

如图4所示，本发明的电流信号处理单元选用了1片TI公司的A/D转换芯片ADS8364，作为交流信号的输入。ADS8364是TI公司的高性能AD转换芯片，其采样速率为250KSPS，采样精度为16位，双极性输入，可对交流信号直接采样。ADS8364具有6个模拟输入通道，模拟量输入范围为士5V，6个通道全部转换需要4us。片内有同时采样、分时转换电路。同时，ADS8364为并行接口，输出以二进制补码的形式给出，方便与DSP芯片的接口。因此，非常适合用于三相电力系统的数据采集和逆变桥的控制等场合。

ADS8364芯片的模拟量输入，为双极性全差分输入，模拟量经过两个运算放大器与参考电压做差后，再送入ADS8364，其要求被转换的电压值要在0~+3.3伏之间。通过运放电路将从互感器输出的交流信号转换成所需要的电压值。

如图5所示，在STATCOM装置的运行中，同步信号的产生采用最为简单的过零同步，即对系统三相电压信号进行处理后，取一相基波正序电压作为同步信号。当该同步信号过零时，作为脉冲发生器的同步点。也同时通过测量连续两个正向或负向过零点之间的时间，作为周期计算出同步信号的频率，时刻监视电网频率的变换，以便根据电网频率的变换来改变所发脉冲的频率，使其等效的正弦电压和系统的电压频率保持一致。

正弦电压信号经过两级RC低通滤波网络，采用二阶RC网络进行滤波整形后接入一个电压比较器。由于DSP芯片的捕捉口所需要的电压在0~+3.3伏之间，而本电压比较器的电源为单电源+5伏，因此输出方波需要经过电阻分压后，才能输入到DSP的捕获单元CAP引脚。图中的R2和R3即为分压电阻，电容C的作用是滤掉高次谐波产生的干扰，并使下降、上升沿一定的持续时间，使DSP能够捕捉到CAP脚上的足够宽度的脉冲上升沿，进而经过变换来计算电网的频率。

如图6所示，本发明中的IGBT驱动信号是由DSP脉冲发生器中的PWM模块产生，而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路性能的优劣，是系统可靠工作、正常运行的关键所在。本发明以IR2110门极驱动器为核心，设计了一种可靠的IGBT驱动电路。利用控制器产生相应的调制信号，产生SPWM驱动波形。然后通过驱动电路放大整形后驱动。全桥逆变时对角线上两个开关管交替导通，同一桥臂上的两个开关管互补导通。开关管由驱动脉冲控制，采用不同脉宽的PWM信号可以调节输出的电压或者电流，达到调节功率输出的目的。

如图7和图8所示，当电网电压不平衡时，系统电压中会含有正序分量、负序分量和零序分量，但通常D-STATCOM与电网连接时都会通过变压器，使得电流零序分量受阻。因此为了分析方便，只对系统电压的正序分量和负序分量进行考虑。设三相电压为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=U^{+}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})+U^{-}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\β})\\ u_b=U^{+}\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\α})+U^{-}\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\β})\\ u_c=U^{+}\cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\α})+U^{-}\cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\β})\end{array}\right\}$

式中，U⁺，U^-分别是系统基波电压的正序和负序分量的幅值，α，β是正序、负序基波电压的初始相角。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I^{+}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\γ})+I^{-}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ})\\ i_b=I^{+}\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\γ})+I^{-}\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\δ})\\ i_c=I^{+}\cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\γ})+I^{-}\cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\δ})\end{array}\right\}$

式中，I⁺，I^-分别是D-STATCOM交流侧输出的正、负序电流幅值，γ，δ为其初始相角。将电网的电压和D-STATCOM系统交流侧输出电流作为三相静止到两相静止变化有：

u_αβ=U⁺e^j(ωt+α)+U^-e^-j(ωt+β)    （1）

i_αβ=I⁺e^j(ωt+γ)+I^-e^-j(ωt+δ)    （2）

式中，j是时间变量。

在两相旋转坐标系d-q中，式（1）、（2）又可以写成：

u_dq=U⁺e^jα+U^-e^-j(2ωt+β)=u_d+ju_q    （3）

i_dq=I⁺e^jα+I^-e^-j(2ωt+β)=i_d+ji_q     （4）

式中，U_dq、U_d、U_q为d-q坐标系下的电压值，i_dq、i_d、i_q为d-q坐标系下的电流值。

由此可得装置输出的瞬时有功功率为：

$p=\frac{3}{2}(u_d{i}_d+u_q{i}_q)---\left(5\right)$

将式（3）、（4）带入式（5）可得D-STATCOM输出有功功率为：

$p=\frac{3}{2}(U^{+}{I}^{+}\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})+U^{-}{I}^{-}\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\δ})+U^{+}{I}^{-}\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α}+\mathrm{\δ})+U^{-}{I}^{+}\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\β}-\mathrm{\γ}))$

当链式STATCOM三相为三角形连接时，根据补偿需要将检测到的补偿线电流转化为对应STATCOM三相的相电流指令，二者之间的关系如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ab}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ca}}={\stackrel{\·}{I}}_a\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bc}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ab}}={\stackrel{\·}{I}}_b\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ca}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bc}}={\stackrel{\·}{I}}_c\end{array}\right.---\left(6\right)$

本发明最终需要补偿的电流值利用公式（6）进行计算，最后根据得到的补偿电流值对D-STATCOM进行控制补偿。

Claims (1)

1.电炉电极塌料引起短网不平衡的分级控制系统，其特征在于，该系统包括电流互感器CT、电压互感器PT、电流信号处理单元、电压信号处理单元、谐波及功率因数处理单元、矢量正负序分离器、分级控制器、正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器、三阶梯滞环比较器、SPWM发生电路、驱动电路和STATCOM变换器；

所述电流互感器CT与短网的三相电极相连，用于检测短网的三相电流；

所述电压互感器PT与短网的三相电极相连，用于检测短网的三相电压；

所述电流信号处理单元与电流互感器CT相连，用于对电流互感器CT传送的三相电流信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换；

所述电压信号处理单元与电压互感器PT相连，用于对电压互感器PT传送的三相电压信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换；

所述谐波及功率因数处理单元分别与电流互感器CT、电压互感器PT相连，用于应用q-d级数理论方法，通过对短网电流基波和谐波的特性分析，采用电流分解、倍频变换的软测量方法，实现对短网三相基波电流、谐波电流以及功率因数的检测；

所述矢量正负序分离器与谐波及功率因数处理单元相连，用于分离电网电压中的正、负序分量；

所述分级控制器与矢量正负序分离器相连，用于根据传感器检测的信号分析出三相电极塌料情况下电网电压不平衡状态，从而分解出正序电流控制信号、负序电流控制信号和零序电流控制信号，输出D-STATCOM实际控制信号，分别送给正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器；

所述正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器分别将接收的正序电流控制信号、负序电流控制信号、零序电流控制信号传送给三阶梯滞环比较器；

所述三阶梯滞环比较器分别与正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器相连，用于接收正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器传来的控制信号，根据计算的功率因数偏差值，结合所设定的允许补偿误差限，分别给出增加补偿容量控制信号、保持不变控制信号以及减少补偿容量的控制信号；

所述SPWM发生电路与三阶梯滞环比较器相连，用于用SPWM波形控制逆变电路中IGBT的通断，使其输出的脉冲电压的面积与期望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值来调节逆变电路输出电压的频率和幅值；

所述驱动电路与SPWM发生电路相连，用于在过流、短路和过压的情况下对IGBT进行保护；

所述STATCOM变换器与驱动电路相连，用于将直流电压变换为交流电压，通过控制逆变器中IGBT的驱动脉冲控制交流电压的大小、频率和相位。

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