STATCOM在電弧爐補償中的控制策略及仿真分析

張 鵬，周碧英

（1.渭南師范學院 計算機科學系,陜西 渭南 714000;2.蘭州交通大學 自動化學院,甘肅 蘭州 730070）

1 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，對電能的需求越來越大，對電能質(zhì)量也提出了更高的要求。其中最常見的電能質(zhì)量問題之一是由電弧爐、軋鋼機、電力機車等特種沖擊負荷引起的電壓閃變。電弧爐在其熔化和精煉過程中，可產(chǎn)生不平衡的、含有大量諧波和無功分量的負荷電流，從而引起連接點母線電壓產(chǎn)生不平衡和閃變，對公網(wǎng)的正常運行造成極大的危害［1-2］。目前常采用靜止無功補償器（Static Var Compensator-SVC）來解決此類電能質(zhì)量問題。SVC不僅可以提高設(shè)備臨近區(qū)域的電能質(zhì)量，而且還可以提高電弧爐生產(chǎn)效率并帶來更好的經(jīng)濟效益。但是，SVC主要原理是依靠晶閘管等電力電子器件完成調(diào)節(jié)或投切功能，這也決定其難以實現(xiàn)瞬時無功功率控制。

采用更具靈活快速控制特性的STATCOM是目前最佳的解決方案。STATCOM采用逆變器作為主電路，代表新一代無功補償技術(shù)，在無功功率補償、提高輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和響應速度等多個方面均優(yōu)于SVC。

電流滯環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、響應快的特點。由于電流滯環(huán)控制的開關(guān)頻率不固定，因此其輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量，可以避免特定諧波對負載的不利影響。文中對一種用于補償電弧爐的STATCOM提出采用滯環(huán)電流控制策略，通過對電弧爐的V-I特性采用分段線性逼近的方法建立其時域模型，對所提出的控制策略及模型進行了仿真研究，驗證了其正確性和有效性。

2 STATCOM—電弧爐補償系統(tǒng)模型

STATCOM—電弧爐補償系統(tǒng)原理如圖1所示。電弧爐通過電磁接口與電網(wǎng)相連接，當系統(tǒng)運行時，時變負載（電弧爐）會在公共連接點引起電壓波動或閃變，一個三相兩電平STATCOM接入電網(wǎng)對一個時變電弧爐負荷進行補償。

圖1 STATCOM—電弧爐補償系統(tǒng)原理圖

對電弧爐補償進行研究，需要有真實有效的電弧爐仿真模型［3］。在仿真研究中有多種方法用以建立電弧爐模型，如用不對稱連接的電阻與電抗器構(gòu)造的非線性負荷模型，根據(jù)電極電弧放電特點建立的諧波積累模型，采用隨機數(shù)發(fā)生模塊構(gòu)造的電弧爐模型等［1、4］。這些模型在一定程度上反映電弧爐負荷的特點，但與實際電弧爐負荷仍存在較大差別，難以全面展現(xiàn)電弧爐負荷給系統(tǒng)帶來的電能質(zhì)量問題。如圖2所示為電弧爐實際V-I特性曲線及其分段線性逼近曲線。燃弧電壓vig和滅弧電壓vex由電弧爐操作產(chǎn)生的弧長決定。

圖2 電弧爐實際V-I特性曲線及其分段線性逼近曲線

電弧爐熔煉過程分為三個階段：第一階段是燃弧過程。電壓沿曲線弧BOD從滅弧電壓-vex上升到燃弧電壓vig，電弧電流從-i3上升到i1，電弧爐呈現(xiàn)電阻特性。第二階段是電弧熔煉開始過程。電壓沿曲線弧DC從vig突降至vst，電弧電流從i1增加到i2。第三階段是穩(wěn)態(tài)電弧熔煉過程。電弧電壓沿曲線弧CO線性緩慢光滑地下降到vex。可用式（1）和（2）來分段描述電壓上升過程和下降過程變化。如圖3所示為基于電弧爐V-I特性的分段線性化曲線。

式中：R1、R2與R3為每一部分對應的斜率，i1=vig/R1；iT=1.5i1；i2=3i1；i3=vex/R1。

圖3 電弧爐V-I特性曲線分段線性化模型

3 STATCOM的控制策略

3.1 參考信號生成

在同步參考坐標中，參考坐標與交流電壓以相同的頻率旋轉(zhuǎn)，d-q坐標電流可由瞬時有功電流和瞬時無功電流組成，可通過低通濾波器分離交、直流電流［5］。式（3）和（4）分別為瞬時有功電流與瞬時無功電流。

如圖4所示為參考控制信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖。通過abc-dq0變換及低通濾波器獲得無功電流分量可作為閃變參考電流信號。這種方法的重要特點是參考電流直接從實際負荷電流中取得，而未計及電壓。因此，參考信號的產(chǎn)生不受電壓不平衡或電壓失真的影響，從而增強了補償系統(tǒng)的魯棒性。

3.2 滯環(huán)電流控制

使用滯環(huán)電流控制是降低STATCOM輸出電流諧波含量的一種有效方法。滯環(huán)電流控制中開關(guān)器件根據(jù)連續(xù)檢測STATCOM電流與參考正弦電流的差異而進行快速切換，其開關(guān)信號是通過比較電流誤差信號與固定滯環(huán)寬度獲得。滯環(huán)電流控制器結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性好，但普通的滯環(huán)電流控制器的開關(guān)頻率在很大程度上依賴逆變器輸出電流和交流側(cè)電壓的變化，存在滯環(huán)寬度設(shè)置困難及逆變器的保護實現(xiàn)困難。

圖4 參考控制信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

對于滯環(huán)電流控制來說，將輸出相反饋電流與參考電流進行比較，通過確定參考電流的容許帶寬來確定輸出電流的紋波大小。若相電流超過了容許上界，則低位開關(guān)開啟，高位開關(guān)關(guān)斷，反之亦然。相應的開關(guān)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 開關(guān)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 無STATCOM條件下仿真結(jié)果

在沒有STATCOM補償?shù)那闆r下，電弧電流完全由電源提供，因此在電源與電弧爐回路之間很容易發(fā)生較大的電壓閃變。圖6-8顯示了系統(tǒng)未接入STATCOM條件下有功功率、無功功率和STATCOM連接點母線電壓的變化情況。

圖6 無STATCOM條件下有功功率

圖7 無STATCOM條件下無功功率

圖8 無STATCOM條件下連接點電壓

圖9 有STATCOM條件下有功功率

4.2 有STATCOM補償條件下仿真結(jié)果

STATCOM接入系統(tǒng)后可根據(jù)參考電流的變化對系統(tǒng)進行有效的補償。圖9-11顯示了接入STATCOM條件下有功功率、無功功率和STATCOM連接點母線電壓的變化情況。通過比較圖8和圖11中衡量電壓閃變的主要指標電壓變化率（△V/V×%），其值從60%下降到10%，電壓閃變得到了明顯的抑制。

圖10 有STATCOM條件下無功功率

圖11 有STATCOM條件下連接點電壓

5 結(jié)束語

本文對電弧爐—STATCOM補償系統(tǒng)提出了參考信號不受電壓不平衡或電壓失真影響的滯環(huán)電流控制策略，對電弧爐實際V-I特性曲線采用分段線性逼近的方法建立了其數(shù)學模型模型，并對所提出的控制方法及模型進行了仿真研究，驗證了其正確性和有效性。結(jié)果表明系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強，達到了改善電能質(zhì)量的效果。

［1］常曉偉,宋 強,許樹楷,劉文華.電弧爐電能質(zhì)量仿真控制平臺［J］.電力自動化設(shè)備,2008,（2）:84-88.

［2］栗 春,姜齊榮,王仲鴻.STATCOM電壓控制系統(tǒng)性能分析［J］.中國電機工程學報,2000,（8）:46-50.

［3］呂曉東,劉小河.電弧爐電極調(diào)節(jié)器對電網(wǎng)電壓波動影響的仿真研究［J］.中國電機工程學報,2006,（7）:95-100.

［4］鄒篤鐳,盧育惠.電弧爐供電線路的無功補償原理與控制系統(tǒng)［J］.東北大學學報（自然科學版）,1990,11（2）:165-171.

［5］Hanson D J,Woodhouse M L,Horwill C,etal.STATCOM:a new era of reactive compensation ［J］.Power Engineering Journal，16（3）:151-160.