CN1041779C - 稳定电源网络防止无功负载波动的方法和功率因数补偿装置 - Google Patents

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Abstract

稳定电源网络的方法和功率因数补偿装置。DC电弧炉8运行中产生无功负载波动，该波动可通过由功率因数补偿器31补偿。该补偿器的AC功率控制器28作为稳定起弧角信号ast的函数受控。根据滤波器支路4，4′的无功功率，该信号由一个函数发生器(26)控制，作为所需无功功率信号Qdes8和电弧炉8的无功功率实际值信号(Q8)以及滤波器无功功率信号Qr的一个函数。信号(Qdes8)是通过相角控制器35作为一个总电流强度i33的一个函数而形成的。

Description

稳定电源网络防止无功负载波动的方法和功率因数补偿装置
本发明涉及一种方法用于稳定电源装置或电源网络，防止具有可变无功负载的至少一个电子装置或设备的无功负载波动；本发明还涉及一种功率因数补偿装置。
在上述前序部分中，本发明涉及如US-A-5，155，740中揭示的先有技术。其中详细说明了一个用于DC电弧炉的闪烁补偿装置，其中无功功率控制仅是作为该电弧炉的被探测到的无功功率的函数进行控制的。
就这种补偿而言，滤波器分支和辅助设备中的电流不予考虑。如果是小的电极电流，该电弧炉的无功功率可以变得很低。如果永久性地装有电容器组，则导致补偿过度。该方法通常不被供电公司采纳。
出版刊物第CH-1T 123 090D中题为Kompensationsanlagenfurdie Industrie(工业补偿装置)，出自瑞士的BBC AktiengesellschaftBrown，Boveri & Cie公司(现名：Asea BrownBoveri AG)CH-5401Baden／瑞士，1983年12月，第1页至第12页揭示了分别对各个相在电弧炉工作期间发生的无功负载变化的控制是借助一个由三个空心电感器组成的三相无功元件通过可控硅AC控制器进行的。该控制是作为供电电压、电弧炉和补偿装置的实际电流值以及通过无功元件的所需电流值的函数而实施的。与该无功元件并联相接有电容器，电容器和与其串联的电感器、及(视情况而定)阻尼电阻器一起，作为一个无功功率源，同时做为一个滤波器抑制不同阶的谐波电流。在这种情况下，无功元件上的可变无功负载加上消耗装置的无功负载以这样的方式，即两个无功负载的和是恒定的，加上固定的电容器组的恒定电容性无功功率得到一个所需值cosf。
该系统的一个相对长的平均空载时间5ms是通过测量和分析受控变量而得到的。
EP-A1-0 498 239揭示，控制一个电弧炉可利用带有2个控制回路的DC馈电装置。一个电流控制器保证一个恒定电流对应一个规定的所需电流值。一个电极控制回路影响电极的位置，由此影响电弧的长度。即使延长电弧，该电流控制器必须增大电压或者驱动整流器使电流保持恒定。然而，这只有在存在一个电压储备时才有可能。对电极进行控制是通过一个适配的DC电压控制器来实现的。电弧电压是通过一个阻尼元件被送到一个比较器或加法器上，作为实际的DC电压值。计算每一种情况下的所需的DC电压值必须考虑变压器电压级和每一个工作点的电极电流。首先，用一个限幅器按转换器变压器的变压级并由此按功率变换器的可能的电压范围进行限幅，即功率变换器在最多刚好低于整流器极限下，以稳态阶段方式运行。所需值以平滑形式被送到加法器，是为了在万一所需电压值突然变化下，而不致使实际值突增，它可能引起电弧中断。该专利无任何有关补偿无功功率波动的说明。
本发明的目的在于进一步发展用于稳定电源装置或电源网络以防止至少一个具有如本文开头所述的那种型式的可变无功负载的电子装置或设备的无功负载波动的一种方法和一种功率因数补偿装置，从而更有效地补偿无功载波动。
根据本发明的一个方面，一种用于稳定电源装置或电源网络(1)、防止至少一个具有可变无功负载的电气装置或设备(8)的无功负载波动的方法，该方法包括以下步骤：
a)其电流强度通过一个控制信号或由被操纵的可变信号(αact)来控制以达到一个规定的所需电流值(ides)或无功功率所需值(Qdes8)；
b)在此情况下在至少一个电气设备(8)中产生的无功功率波动是作为被操纵的可变信号(αact)的一个函数而得到补偿的，和
c)作为该设备(8)的电流实际值信号(iact)或所需电流值(ides)的一个函数，
其特征在于：
d)无功功率波动作为总电流强度(i33)的一个函数而被补偿，该总电流强度除了流过至少一个设备(8)的电流之外还至少包括流过至少一个功率因数补偿装置(4，4′)的电流。
根据本发明的另一个方面，一种功率因数补偿装置，用以实施前述防止设备的无功负载波动的方法，所述功率因数补偿装置。
a)具有至少一个具有可变无功功率的设备(8)；
b)连接至少一个具有一个电容性无功功率的滤波分支(4，4′)；和
c)连接至少一个具有至少一个可控阀(28)的功率因数补偿器(31)；
d)配备一个相角控制器(35)，该控制器的输入端操作时被连接在至少一个用来探测总电流强度(i33)的电流互感器(33)，输出端则被连接在功率因数补偿器(31)的至少一个可控阀(28)；
其特征在于，
e)相角控制器(35)通过一个第一函数发生器(26)与功率因数补偿器(31)的至少一个可控阀(28)有效连接。
本发明的一个优点在于为了补偿无功负载波动，通过探测总电流而可以较快地补偿连接在补偿装置上的所有负载的无功功率。其结果是在整个装置有一个恒定的电感性无功功率，它可以通过永久性设置的或连接的电容器组或通过谐波过滤器得以补偿。具有可变无功负载的装置也可通过无功负载波动的这种补偿被连接到非常弱的电源网络。因此有可能把大于50MW的装置连接到电源网络上，该网络的短路功率至少等于装置功率的10倍。
下面将借助一个实施例来解释本发明。
图1所示为带有一个电流控制回路，一个电板控制回路和一个无功功率控制回路的DC电弧炉。
图2示出一个特性曲线图，用于按依照图1的电弧炉的电流有效值信号和触发角有效值信号的函数确定电弧炉有功功率和无功功率。
图3示出一个特性曲线，用于按带有按依照图1所示电弧炉的装置的总无功功率的函数为无功功率控制回路确定触发角。
图1所示电弧炉(8)带有一个电极或阴极(7)，电极(7)通过两个分别以平行支路与其串联的无功元件或电感器(6，6′)、整流器(5，5′)、具有多个转换级的电弧炉变压器(2，2′)、和电流互感器(3，3′)被连接到一个具有22KV的AC电压的AC电源网络(1)上。安置在电弧炉(8)的底部一个第二电极或阳极(12)被连接到整流器(5)的正极上(未图示)。电弧(10)在阴极(7)的低端和被熔化的物质或残渣(未图示)或熔化物或熔解槽(11)的表面之间燃烧。
通过通往整流器(5，5′)的AC电源引线上的电流互感器(3，3′)检测到的部分电流实际值信号(iact 1，iact2)被送到一个加法器(23)的非负输入端和一个比较器或加法器(13)的两个负输入端。例如来自一个电位计(未图示)的规定的电流所需值信号(ides)被送到该加法器(13)的一个非负输入端，在输出端一边，加法器(13)被连接到一个电流控制器(14)，该控制器具有比例积分的特性并在输出端一边把对应于触发角的操纵整流器的可变信号(αact)提供给控制输出端一边的整流器(5，5′)的触发脉冲变压器(15)。
为了信号匹配、限定值监视和抑制不需要的频率起见，操纵整流器的可变信号(αact)通过一个阻尼元件(16′)或一个带通滤波器(16)被连接到一个加法器(17)的负输入端。而该加法器的非负输入端则输入一个可予规定的电极控制器的参考变量信号(αdes)，该信号是对应范围在15°-50°之间的所需触发角值，最好在25°-35°之间的范围内。在输出端一边，加法器(17)被连接到一个电极控制器(18)上，该控制器具有比例特性，在输出端通过一个电极调节装置(21)的一个阀门(20)的阀门放大器(19)起作用。该电极调节装置(21)，例如，带有一个调节机构和一个电极速度控制器的一个液压泵被机械地耦合到阴极(7)上，并使其高度可调节，它充当一个一阶延迟元件。
电极控制工作比电流控制慢了近十倍。阴极(7)的高度调节的实现方式是整流器(5)以例如平均为25°电角度(el)的驱动电平工作，而与电弧炉变压器(2)的次级电压和设置的所需电流值(ides)无关。为简明起见，分配给它们的数值和信号被同样地标出。
要由带通滤波器(16)抑制的频率包括0．5Hz～20Hz范围内的频率。
通过在一个恒定驱动电平下控制整流器(5)，可在AC供电电源网络(1)上得到一个恒定平均功率因数。工作点上的功率是简单地通过选择电弧炉变压器(2)的电压级和规定的直流电流来决定的。
如果目的在于使用电弧炉变压器(2)的电压级来操作不同的工作点或可变功率，那么应相应地规定所需电流值(ides)。确实，当电流减低但维持整流器(5)上的驱动电平仍保持不变时，可得到较低的功率。然而，电弧(10)变得较长，是AC电源网络(1)上较少的电压损耗造成的。而电弧炉工艺过程同时要求在较低功率时有较短的电弧(10)。为了达到这个目的，万一在所需电流值(ides)发生变化时可能也同时规定一个相应的新的所需值用于整流器(5)的驱动电平。为这一目的而设置的装置是一个函数发生器(22)。该函数发生器在EP-A1-0498 239中有更详尽的描述，该发生器规定电极控制器参考变量信号(αdes)作为图1虚线部分表示的所需电流值(ides)的一个函数，因此，同样可以扩大功率范围。
为补偿电弧炉(8)的可变无功功率，制成的装置是一个三相功率因数补偿器(31)，该补偿器在每个AC相上有一个AC功率控制器(28)与一个电感器(29)和一个开关(30)串联再被连接到AC电源网络(1)。三个AC功率控制器(28)以三角形接法互相连接，并且在各种情况下由一个触发脉冲变压器(27)控制。
另外，通过一个电流互感器(33)就可能利用用于电容性无功功率的辅助装置和滤波分支(4，4′)(未图示)分接整个装置的总电流强度(i33)，AC电源网络(1)通过一个高压变压器和两个开关被连接到一个三相高压网络(32)，该网络带220KV的AC电压。该总电流强度(i33)、通过AC电源网络(1)上的一个电压探测器(34)测得的网络电压(U)及一个规定所需相角(φdes)被输入到一个相角控制器(35)的输入端。该控制器在输出端提供一个所需无功功率信号(Qdes8)用于电弧炉(8)，该信号被送到一个加法器(25)的一个负输入端。加法器(25)的另一个负输入端则输入一个来自函数发生器(24)输出端的无功功率实际值信号(Q8)，该函数发生器在输入端收到一个来自加法器(23)的电流实际值信号(iact)，iact=iact1+iact2以及来自电流控制器(14)输出端的操纵整流器的可变信号(αact)。一个滤波器无功功率信号(QF)以对应滤波分支(4，4′)的恒定电容性无功功率方式送到加法器(25)的一个非负输入端。在输出端，该加法器(25)以对应QG=QF-Q8-Qdes8的方式，给一个函数发生器(26)提供一个总无功功率信号(QG)，该函数发生器在输出端提供一个稳定触发角信号(αst)给触发脉冲变压器(27)。
图2示出利用函数发生器(24)所获得的函数的特性曲线区域：
Q8=k1·iact·[1-(cos αact-k2·iact)2]0．5，k1和k2是装置特有系数，且0．1≤k1≤1，最好0．3≤k1≤0．6和0．7·10≤k2≤1．3·10-3，最好0．9·10-3≤k2≤1．1·10-3。在这种情况下，操纵整流器的可变信号(αact)被规定以度为单位，电流实际值信号(iact)以kA为单位，纵坐标上的有功功率(P)以MW为单位，而横坐标上的无功功率(Q)以MVar为单位。一个有功功率值(P)为50MW和一个操纵整流器的可变信号(αact)为35°的结果例如是46MVar的无功功率(Q8)。
图3示出利用函数生器(26)实现的函数的特性曲线(36)。
QG≈αst°／90°-2-(sin 2·αst)／π，
(αst)是以度为单位在纵坐标上画出的，(QG)是以％为单位在横坐标上画出的。实际上，该理想曲线(36)可以用虚线(37)表示的线段去近似，并可用来确定稳定触发角(αst)的值。
所示实例涉及一种装置，该装置具有60MW的有功功率连同100kA的直流电流以及30MVar的装置无功或补偿功率。所述装置如此设计以获得功率因数cosφ=0．9，其中已知在AC供电网络(1)下电流为100kA，整流器(5，5′)的驱动电平和操纵整流器的可变信号(αact)是35°。
             图中标号表1--AC电源网络2，2＇--具有多个转换级的电弧炉变压器3，3′，33--电流互感器4，4′--用于电容性无功功率的滤波器分支5，5＇-整流器6，6′，29--电感器，无功元件7--阴极，电极8--电弧炉10--电弧11--熔化物，熔化槽12--正极，第二电极13，17，23，25--加法器14--电流控制器15，27--触发脉冲变压器16--带通滤波器16＇--阻尼元件18--电极控制器19--阀门放大器20--阀门21--电极调节装置22、24、26--函数发生器28--AC功率控制器30--开关31--功率因数补偿器32--高压网络34--电压探测器35--相角控制器36--特性曲线37--弓形面积
cosφ--功率因数
i33--总电流强度
iact--电流实际值信号
iact1，act2--部分电流实际值信号
ides--所需电流值信号
QF--来自4，4′的滤波器无功功率信号
QG--总无功功率信号
Q8--来自8的无功功率实际值信号
Qdes8--来自8的理想无功功率信号
U1--1的电源电压
αact--操纵整流器的可变信号，触发角实际值
αdes--电极控制器参考变量信号，触发角所需值
αst--用于27的触发角，稳定触发角信号
φdes--所需相角

Claims (9)

1．一种用于稳定电源装置或电源网络(1)、防止至少一个具有可变无功负载的电气装置或设备(8)的无功负载波动的方法，该方法包括以下步骤：
a)其电流强度通过一个控制信号或由被操纵的可变信号(αact)来控制以达到一个规定的所需电流值(ides)或无功功率所需值(Qdes8)；
b)在此情况下在至少一个电气设备(8)中产生的无功功率波动是作为被操纵的可变信号(αact)的一个函数而得到补偿的，和
c)作为该设备(8)的电流实际值信号(iact)或所需电流值(ides)的一个函数，
其特征在于：
d)无功功率波动作为总电流强度(i33)的一个函数而被补偿，该总电流强度除了流过至少一个设备(8)的电流之外还至少包括流过至少一个功率因数补偿装置(4，4′)的电流。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于无功功率波动
a)作为至少一个具有可变无功负载的设备的无功功率实际值信号(Q8)的一个函数而被补偿，和
b)作为一个所需无功功率信号(Qdes8)的一个函数而被补偿，而该信号是作为总电流强度(i33)的一个函数形成的。
3．根据权利要求2的方法，其特征在于所需无功功率信号(Qdes8)是一种控制信号，该控制信号是
a)作为供给至少一个设备(8)的一个AC电源网络(1)的供电电压(U1)的函数形成的，
b)另外还作为总电流强度(i33)的函数而形成的，和
c)作为一个规定的所需相角(φdes)的函数形成的。
4．根据权利要求1或2的方法，其特征在于无功功率实际值信号(Q8)是根据：Q8=k1·iact[1-(cos αact-k2·iact)2]0．5形成的，k1和k2为设备特定系数，且0．1≤k1≤1，0．7·10-3≤k2≤1．3·10-3。
5．根据权利要求1或2的方法，其特征在于无功功率实际值信号(Q8)是根据：Q8=k1·iact[1-(cos αact-k2·iact)2]0．5形成的，k1和k2为设备特定系数，且0．3≤k1≤0．6，和0．9·10-3≤k2≤1．1·10-3。
6．根据权利要求3的方法，其特征在于无功功率波动作为一个稳定的触发角信号(αst)的一个函数得到补偿，该触发角信号是根据下式构成的，
QG≈αst°／90°-2-(sin2．αst)／π，其中QG是一个用于整个设备的无功功率的总无功功率信号，根据QG=QF-Q8-Qdes8得到的，其中QF=滤波器无功功率信号，Q8=无功功率实际值信号，和Qdes8=至少一个设备(8)的所需无功功率信号。
7．一种功率因数补偿装置，用以实施根据前述权利要求之一的方法，所述功率因数补偿装置
a)具有至少一个具有可变无功功率的设备(8)；
b)连接至少一个具有一个电容性无功功率的滤波分支(4，4′)；和
c)连接至少一个具有至少一个可控阀(28)的功率因数补偿器(31)；
d)配备一个相角控制器(35)，该控制器的输入端操作时被连接在至少一个用来探测总电流强度(i33)的电流互感器(33)，输出端则被连接在功率因数补偿器(31)的至少一个可控阀(28)；
其特征在于，
e)相角控制器(35)通过一个第一函数发生器(26)与功率因数补偿器(31)的至少一个可控阀(28)有效连接。
8．根据权利要求7的功率因数补偿装置，其特征在于，
a)相角控制器(35)通过一个加法器(25)与第一函数发生器(26)有效连接，
b)加法器(25)通过第二函数发生器(24)与至少一个设备(8)有效连接。
9．根据权利要求7或8的功率因数补偿装置，其特征在于，在加法器(25)的输入端引入一个滤波器无功功率信号(QF)。
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