基于高壓調功器的沖擊負荷平衡研究

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)

鋼鐵企業由于存在大量的軋機、電弧爐等沖擊性負荷，正常生產時系統總負荷會出現幅度大、頻次密集的有功功率波動，導致系統頻率也出現大幅度波動，會對附近發電機組的電磁轉矩造成影響，嚴重情況下，電弧爐沖擊會引起發電機組內部諧振，造成機組長期疲勞損傷，沖擊負荷還會對網架結構較為薄弱的地區電網的安全穩定運行產生不利影響[1-4]。為避免沖擊負荷對發電機組和電網系統造成的不利影響，文獻[5]建立了有功沖擊動態控制模型，通過實時計算電網的有功沖擊承受能力，對隨機的沖擊負荷進行錯峰控制，避免沖擊負荷的瞬變疊加放大，破壞電網穩定，這種方案不可避免地會對日常生產造成干擾。

本文提出采用高壓大容量調功器來鏡像平衡（鏡像平衡是指任一時刻，調功器功率和沖擊負荷功率一升一降，兩者功率之和平衡在某一恒定功率）沖擊負荷造成的功率波動，高壓調功器基于晶閘管三相交流調壓原理[6]，通過改變晶閘管的觸發角度，來改變熱水鍋爐的三相輸入電壓，從而無級調節鍋爐消耗功率，使鍋爐功率與沖擊負荷功率鏡像對稱，達到總負荷穩定，避免了系統頻率的劇烈波動。

1 調功器組成與控制策略

根據測算，1 min 內鋼廠所有沖擊負荷的最大功率波動約150 MW，單套高壓調功器容量40 MW，共有4 套調功器，接入10 kV 母線。高壓調功器由晶閘管閥組、負載電感、濾波器、熱水鍋爐組成，如圖1 所示。閥組由一定數目的反并聯晶閘管（VT1和VT2）串聯組成，晶閘管閥組與負載電感L0三相串聯，負載電感出線接額定功率為40 MW的熱水鍋爐，負載電感的作用是減小高壓調功器運行中產生的諧波，降低閥組開通時的電流上升率。為了避免高壓調功器運行中產生的諧波流入系統，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 高壓調功器拓撲及等效電路圖

高壓調功器與靜止無功補償器（SVC）相比，雖然都是基于三相交流相控調壓原理，但有著本質上的區別。SVC 是按三相角形接線，它既可以對負荷無功進行補償，使得補償后的系統無功為0，也可以對母線電壓進行控制，維持電壓穩定[7，8]；而高壓調功器是按三相星形接線，通過調節晶閘管閥組的導通角度來調節熱水鍋爐的輸入電壓，從而調節熱水鍋爐消耗的功率，也即調功器只能吸收有功，對負荷有功進行鏡像平衡，使得系統有功平衡在某一恒定功率，達到頻率穩定的目的。由于熱水鍋爐是純阻性負載，因此可以用電阻來等效，得到的高壓調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角；θ為晶閘管閥組的導通角；且α 與θ 所示關系[1]：

式（2）中：φ=arctan（WL/R）為負載阻抗角。

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

表1 不同觸發角下的負荷功率

對表1 中的數據進行曲線擬合，得到負荷功率（標幺值，基準值為40 MW）與觸發角的函數關系：

利用式（3）的擬合函數，便可以快速根據高壓調功器功率指令計算方出晶閘管閥組的觸發角度，使得高壓調功器的實際功率快速跟蹤功率指令的變化。為了對曲線擬合計算出的觸發角誤差進行補償，將高壓調功器的功率測量值Pmeas與指令值Pref做差后進行積分調節，積分調節器輸出的閉環觸發角指令αcl與擬合函數計算出的開環觸發角指令αop相加，作為最終的觸發角度，如圖2 所示。通過f（P）函數保證控制的快速性，通過積分調節保證控制的準確性。

圖2 高壓調功器控制框圖

2 沖擊負荷平衡控制策略

沖擊負荷平衡控制策略就是通過對各路沖擊負荷進行采樣，按下式所示的沖擊平衡算法計算出高壓調功器的功率指令Pref：

式（4）中：Pi為沖擊負荷功率瞬時值；Pi_mean為沖擊負荷功率平均值；Pb為高壓調功器的功率基準值。

沖擊負荷平衡示意圖如圖3 所示。當沖擊負荷功率突然增大時，高壓調功器功率快速減小；沖擊負荷功率突然減小時，高壓調功器的功率快速增大，維持系統總負荷功率保持穩定，避免頻率大幅波動。

圖3 沖擊負荷平衡示意圖

通過對各種軋機、精煉爐等沖擊負荷功率波動曲線的研究發現，各種沖擊負荷的波動范圍較為固定，負荷平均值變化不大，可事先人為設定，因此分別計算各個負荷的實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整高壓調功器的出力，疊加高壓調功器功率基值后，就是高壓調功器的實際出力指令值，其控制邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 沖擊負荷平衡控制框圖

對于沖擊負荷的運行和停止狀態，采用負荷功率值+延時進行判斷。當負荷投運時，將負荷平均值設置為設定值；當負荷停運時，將負荷平均值設置為0，以提高系統的經濟性。

3 仿真驗證

利用PSCAD/EMTDC 仿真軟件搭建了容量為40 MW的高壓調功器仿真系統，降壓變壓器容量50 MV·A，110/10 kV，短路阻抗百分比為10.5%，負載電感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，串聯電感1.31 mH，7 次濾波器容量為5 Mvar，電容大小156.95 μF，串聯電感大小1.33 mH。

高壓調功器功率指令從0 MW 階躍到40 MW時調功器的電壓有效值、瞬時電流及功率波形如圖5 所示。經過10 ms時間，調功器功率就從0 MW 階躍到40 MW，且無超調，10 kV 母線電壓波動是由調功器功率階躍時吸收的無功功率變化導致，該電壓波動在允許范圍之內，由此證明了采用基于晶閘管的三相交流調壓原理的高壓調功器來平衡沖擊負荷的可行性。

圖5 高壓調功器階躍響試驗

4 試驗驗證

利用高壓調功器去平衡鋼廠內2150 主傳動生產線上的沖擊負荷，沖擊負荷波動范圍為0 到50 MW，沖擊負荷平均值25 MW，設置高壓調功器基值35 MW，高壓調功器最大出力70 MW，平衡效果如圖6所示。高壓調功器對沖擊負荷的波動功率進行了鏡像平衡補償，平衡后的總負荷功率曲線為一平滑的直線，達到了沖擊負荷平衡的效果。

5 結束語

針對工業軋機、電弧爐等沖擊性負荷運行時，有功功率波動幅度大且頻次密集的問題，提出采用高壓調功器來鏡像平衡沖擊負荷造成的功率波動，維持電網頻率穩定。通過PSCAD/EMTDC 仿真和現場沖擊負荷平衡試驗波形驗證了基于高壓調功器的沖擊負荷平衡方案的正確性。

圖6 沖擊負荷平衡試驗波形

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