基于TCR_TSC的電弧爐無功補償仿真研究

唐微，趙輝，岳有軍

（天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384）

在現代鋼鐵生產行業中，電弧爐以其控制靈活，運行可靠，冶煉時間短，產品質量高，投資成本低等優點得到了廣泛的應用。然而由于其本身具有高度非線性、強耦合、大時滯的特點，運行過程中不可避免地給電網造成嚴重的不良影響，如降低供電網絡的功率因數，增加配電網絡的能量損失，使電能利用率降低等。

文獻[1]介紹了由大型電弧爐引起的電能質量問題以及抑制方案，并分別介紹了各方案的優缺點和適用條件。但是僅限于理論研究，沒有進行仿真驗證。文獻[2]提出了一種由靜止無功補償裝置和有源濾波器相結合的新型綜合補償系統。由于該裝置，通過構造合理的拓撲結構，實現對SVC和APF的分散控制。但是該方案并沒有實現兩者的聯合控制，也沒有從經濟上考慮采用混合有源濾波器與TCR的結合方法。文獻[3]提出了優化電弧爐結構設計，采用內部減少對電網的干擾和外部補償措施相結合的方法抑制電弧爐對電網的干擾，主張從電弧爐本身的設計和運行工況改善其對電網影響的現狀，沒有從根本上解決交流電弧爐引起的電能質量問題。

本文在分析電弧爐引起的電能質量問題的基礎上，設計了靜態無功補償轉置，該裝置能夠快速、準確地補償饋送到電網側的無功功率，抑制電壓波動。通過搭建三相電弧爐電氣系統仿真模型，采用TCR_TSC型SVC補償無功。仿真表明，該系統能夠明顯改善動態電能質量，具有較理想的抑制效果。

1 電弧爐對電網的影響

電弧爐對電網造成的主要影響有：電弧爐在運行過程中電極升降，爐料坍塌導致電弧頻繁的斷弧和短路，對電網產生很大的沖擊電流，引起電壓波動和閃變；電弧電流本身為非正弦波，給電網注入大量高次諧波；電極的不對稱運行產生大量的負序電流[4-6]。研究表明，以上問題是息息相關的，當電弧爐穩定運行時，諧波問題比較突出；當電弧爐處于調節狀態時，電壓必定和閃變問題較為嚴重。因此，應該綜合考慮上訴問題以解決電弧爐對電網造成的危害。

以交流電弧電阻數學模型為基礎搭建交流電弧爐供電系統模型[4]。

式中，A為最低弧柱溫度對電弧電阻阻值的影響參數；B反映了弧柱溫度變化對電阻阻值的影響；C為弧徑變化的影響；D反映了氣體熱慣性的影響；L為弧長。

該模型具有物理意義明確、表達式簡單、能夠清楚表達電弧電阻外特性的優點。從表達式可以看出，該模型反映了弧長和電弧電流對電氣系統的影響，適用于對電氣系統進行諧波分析和抑制方面的工作。

2 TCR_TSC型SVC工作原理

2.1 無功補償原理

靜止性動態無功補償器（Static Var Compensator，SVC），通過連續調節自身的無功功率，實現母線上的無功功率補償。在抑制電弧爐對電網和本身的影響途徑主要有以下2個方面：1）提高供電電壓等級，即增加供電強度，提高短路容量，使得產生的影響在允許的范圍之內。然而，負面影響并沒有因此而消除，而是饋送到更高一級的電網中，這樣層層積累，最終會導致更為嚴重的后果，因此，提高電壓等級只是治標的辦法；2）增加靜補裝置，SVC可以有效地補償功率因素、濾除高次諧波、抑制電壓波動和閃變、補償中性偏移點，從而把影響控制在允許的范圍內。

根據負載無功功率Qf的變化情況，可控硅自動連續改變電抗器的無功功率QL，使得總的無功功率QS等于0或者近似于一個常數[5]。當電弧爐負荷產生的無功功率Qf增大時，SVC的無功功率QL相應地減小。反之，QL相應地增大。無論電弧爐負荷無功功率Qf如何變化，QL+Qf的只始終為一常數，考慮濾波電容FC的無功功率QC，得電網的無功功率為QS=Qf+QL-QC即ΔQS=ΔQf+ΔQL=0。

理想情況下，濾波器設計的目的是使得注入電網的諧波電流It=Ift+ILT+ICT=0。而在實際工程設計中，濾波的投入應使得諧波電流控制在國家標準值的范圍之內。

2.2 TCR_TSC型SVC工作原理及特性

晶閘管控制電抗器（TCR），是現代靜止無功補償器SVC的裝藥組成原件，同時也是一個較大的諧波源[6]。TCR的單相電路由兩個反向并聯的晶閘管和一個固定電抗器串聯而成。TCR正常工作時，從電壓峰值到電壓零點的間隔內，觸發晶閘管，使其電抗器由關閉進入導通狀態。觸發延遲角α決定了電抗器中電流i的大小。電抗器幾乎是純感性負載，因此電感中的電流滯后于其兩端電壓約90°，α=0°時，電抗器吸收最大感性無功，α=90°時，電抗器不運行，吸收感性無功最小。單相TCR的電壓電流波形如圖1所示。

圖1 α=120°觸發信號寬度為周期的5%Fig.1 α=120°trigger signal width is 5%of cycle

改變晶閘管的相位控制角α的值，可以改變TCR上的感性電流，從而改變TCR吸收感性無功的大小。TCR可看作一個連續可調的可變導納，但只在感性無功范圍內起作用。

晶閘管投切電容器（TSC）的單相電路由兩個反向并聯的晶閘管，串聯一個可抑制電流的電感和電容器組成。TSC實際上等效于一個斷續可調的動態投切式補償器[7]，在實際工程中，通常把電容器進行分組，由電網無功的需要來決定要投切電容器的組數。TSC在運行中不產生無功，且具有損耗小，響應速度快，可分相補償的優點。

如果電容器兩端的電壓發生突變，產生的沖擊性電流容易損壞與其串聯的晶閘管，因此，TSC的投切時刻（晶閘管的導通時刻）的選擇很重要，精確控制晶閘管的投切時刻，可以實現TSC的無過渡過程投切。

由于TCR只在感性無功范圍發生變化，而TSC只在容性無功范圍內變化，在系統發生暫態過程，或者出現電壓偏低的情況下，單一的TCR無法對穩壓提供支撐，投入TSC發出容性無功快速提高電壓，使得系統電壓恢復到原來的狀態。然而受系統控制精度影響，投入容性無功往往會超過需要值，這時所產生的多余無功量需要用TCR產生相應的感性無功來抵消多余的容性無功。因此，我們結合TCR和TSC各自的優點制成混合型靜止補償器，采用TSC作為分級粗調，TCR進行相控細調的控制方式[8]，可以實現補償裝置投切時間的精確控制，投入沖擊電流小，無功連續可調的動態無功補償器，即TCR_TSC型SVC。

圖2TCR_TSC型SVC的電壓電流特性Fig.2 The voltage and current characteristics of TCR_TSC type SVC

圖3 為TCR_TSC型SVC的電壓電流特性，圖中折線0-A-a，0-B-b，0-C-c分別為TCR并聯一組、兩組、三組TSC所對應的電壓電流特性曲線[9]。本文采用三組TSC，故特性曲線應為0-C-a。

圖3 TCR+TSC主回路模型Fig.3 The main circuit model of TCR+TSC

2.3 TCR+TSC型無功補償器

系統主回路模型如圖3所示，TCR、TSC均以三角形連接，這種接線方式的特點是端電壓固定[10]。濾波器的主要作用是消除TCR回路產生的高次諧波。

TCR_TSC型SVC的主要功能是：首先，根據需要補償的無功電流值決定投入或切除TCR或者TSC支路；通過觸發角控制TCR輸出電流；計算過補償的感性電流。

3 仿真與結果分析

地區配電變壓器將高壓線輸送的110 kV變為11 kV，經過架空線介入工廠電弧爐變壓器和配電變壓器，在11 kV交流母線上接入TCR_TSC型SVC進行濾波。結果如圖4—6所示。本文采用的電弧爐供電系統的相關參數為：①電弧爐變壓器額定容量為Se=12 500 kV·A，Uk%=8%時，RT≈0 Ω，XT≈7.398 4×10-4Ω；②短網阻抗：R0=0.001 1 Ω，X0=0.003 733 8 Ω;③電弧爐電弧參數：TL=8 000K，TH=28 000K，C=1.01×10-4，L=25cm，cos φ=0.8，rc=0.45 cm，D+θ=-2.4 rad。

圖4 濾波前PCC點電壓波形Fig.4 The voltage waveform at PCC point before filtering

圖5 TCR濾波后PCC點電壓波形Fig.5 The voltage waveform at PCC point after filtering by TCR

圖6 TCR_TSC濾波后PCC點電壓波形Fig.6 The voltage waveform at PCC point after filtering by TCR_TSC

由于電弧爐主要產生2～9次諧波，表1中列出了濾波前后各次諧波在電網中的含量。可見，本文提出的采用TCR和TSC進行協調補償的方法是可取的，濾波效果顯著。

4 結論

本文詳細分析了電弧爐供電系統的電氣運行特性，將TCR_TSC型SVC無功補償器引入電弧爐供電系統。采用MATLAB軟件對西安某鋼廠三相電弧爐仿真表明，采用TCR和TSC協調控制的SVC補償系統，取得了較好的濾波效果。本文的工作有利于抑制電弧爐運行時產生的大量有害諧波，提高電能質量。

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