高壓大容量調功系統的研制與應用

丁 勇，黃 華，常寶立，陳赤漢，劉為群（南京南瑞繼保電氣有限公司研究院，南京 211102）

高壓大容量調功系統的研制與應用

丁 勇，黃 華，常寶立，陳赤漢，劉為群
（南京南瑞繼保電氣有限公司研究院，南京 211102）

針對沖擊性負荷，本文研制了一種高壓大容量調功系統。為平衡沖擊性負荷的有功波動，調功系統采用電極式熱水鍋爐作為阻性負載，并與晶閘管閥組串聯構成有功調節支路，通過對晶閘管觸發角的控制，連續調節支路的有功。同時本文設計了以負荷平衡為主，頻率限值為輔的系統級控制策略及開環加閉環的裝置級控制策略。現場試驗結果表明高壓大容量調功系統可以連續調節有功，快速有效地平衡沖擊性負荷的有功沖擊。

沖擊負荷；相控調壓；負荷平衡；調功系統

隨著工業現代化的發展，電網中的大容量非線性負荷不斷增加，這類負荷在運行過程中具有非常強的隨機性和沖擊性，如鋼鐵行業中的軋機和電弧爐。大容量的沖擊性負荷不僅對附近電廠的機組造成影響，對電網尤其是對網架結構較為薄弱地區的電網安全穩定運行產生影響［1-5］。

沖擊性負荷在生產過程中會產生有功沖擊和無功沖擊，有功沖擊一般由電網承擔，無功沖擊一般通過在負荷側裝設的無功補償裝置（通常是靜止無功補償器和靜止無功發生器）來補償。網架較弱或孤網運行時，大容量的有功沖擊會造成電網頻率的劇烈變化，影響用電設備的正常生產和電網的安全穩定運行［6-8］。

本文針對大容量沖擊性負荷，研制出一種高壓大容量調功系統，通過連續調節裝置吸收的有功功率，鏡像平衡沖擊性負荷的有功沖擊，使得并網點（發電機）總負荷有功功率平穩，以達到穩定電網頻率、保證弱網（孤網）系統穩定運行的目的。

1 系統結構及原理

針對某用電企業的大容量沖擊性負荷，設計容量為160 MW的調功系統。該系統由4個降壓變和4套額定容量為40 MW的單體調功器構成，降壓變掛接于站內110 kV母線，各支路設備接于降壓變低壓側10 kV母線。每套調功器由1個調節支路和2個濾波支路組成，見圖1。調節支路由晶閘管閥組、限流電感、熱水鍋爐組成。鍋爐采用電極式熱水鍋爐，其發熱體為電極和離子水，離子水既是導體也是發熱體。通過改變離子水的電導率來調整熱水鍋爐的等效電阻。

調節支路是連續調節有功的主體，基于三相交流相控調壓原理，通過實時調整晶閘管觸發角來改變加在鍋爐（等效電阻）上的電壓，達到連續調節有功的目的。對于沖擊性負荷其功率快速變化的特點，采用相控調壓方式調節功率能保證響應時間小于一個工頻周波，滿足快速調節的要求。調節支路采用三相星型結構，熱水鍋爐中性點接地。由于相控調壓支路產生諧波電流且消耗無功功率，因此配置5次和7次單調諧濾波支路。

圖1 單套調功器單線示意Fig.1 Single line sketch map of active power regulator

1.1 主回路

降壓變壓器采用的接線組別為Y/D11，高壓側直接從110 kV電網受電。調節支路的限流電抗器取2 mH，其主要功能是限制電流變化率，濾除一定的電流諧波。晶閘管閥組額定電壓10 kV，每相6級串聯，每級由反并聯的2個晶閘管。靜態均壓電阻RSt、阻容（RC）阻尼回路、晶閘管控制單元TCU （thyristor control unit）、散熱器等元件組成［9-10］，單相晶閘管閥組結構見圖2。每個調節支路配備一套水冷卻系統，用于該支路晶閘管閥組的冷卻。

圖2 單相晶閘管閥組結構Fig.2 Single phase structure of thyristor valve bank

有功調節支路的負載采用功率電極式熱水鍋爐，其產生的熱量，由企業自備電廠的發電機組回收，通過鍋爐外循環一次水和機組凝結水之間的換熱器，讓機組的凝結水帶走鍋爐的熱量，將其返回給機組，以達到熱能回收和再利用的目的，其結構如圖3所示。

圖3 電極熱水鍋爐結構Fig.3 Structure of electric hot water boiler

1.2 調節原理

單相阻感負載相控調壓支路觸發原理［12］如圖4所示。

圖4 單相原理Fig.4 Single phase schematic diagram

圖中，基波阻抗角φ為

負載電壓U0為

式中：Ui為電源電壓；α為觸發角；θ為導通角。

單相電路觸發角α的移相范圍是0～180°，當α≤φ時，負載電流連續；當α＞φ時，負載電流斷續。通過對觸發角α的調節來改變加在負載上電壓，進而實現對有功的連續調節。

由于降壓變低壓側角型連接，三相星型連接的相控調壓等效電路如圖5所示，其觸發角理論移相范圍是0～150°［11-12］。

圖5 三相等效電路Fig.5 Three-phase equivalent circuit

有功調節支路參數R=2.5 Ω，L=2 mH，其基波阻抗角φ=arctan（ωL/R）=14.1°考慮預留TCU的耦合取能時間，因此裝置須工作在電流斷續模式，即α＞φ。實際采用的觸發角移相范圍為30°～115°［11-12］。

1.3 控制系統

調功系統的控制部分，采用分層分布式架構，分為系統控制層和設備控制層，設備控制層由每套調功器對應的本體控制系統構成；系統控制層為冗余配置的主控制系統，控制系統結構見圖6。

圖6 控制系統結構Fig.6 Control system structure

本體控制系統包括獨立的控制單元、接口單元和閥控制單元。控制單元完成裝置級控制策略的實現，接受功率指令，產生閥組的觸發脈沖；接口單元進行模擬量采集和AD轉換，并通過光纖將信息傳輸給控制單元；閥控制單元將控制單元的觸發脈沖轉換成光信號傳送給閥組的TCU單元，同時完成對閥組內晶閘管的狀態監視。

主控制系統包括冗余配置的主控制單元，主控制單元完成系統級控制策略的實現，產生并分配4套裝置的有功功率指令，通過光纖高速數據發送給4套本體控制單元。

沖擊性負荷就地采集單元用來采集需要平衡的沖擊性負荷的母線電壓和負荷線路電流，計算負荷有功。就地采集單元分布在接入了沖擊性負荷的各個下級變電站。通過光纖將采集的電壓電流信息遠程傳送到主控制系統。

2 控制策略

調功系統的控制策略分為系統級控制策略和裝置級控制策略。系統級控制策略針對不同沖擊性負荷的功率特性，結合系統頻率，產生總功率指令值，并結合單套調功器熱水鍋爐的狀態，分配總功率指令至4套本體控制單元；裝置級控制策略針對接受到的功率指令值，將其轉換成晶閘管閥組的觸發脈沖，使裝置的有功出力等于指令值。

2.1 系統級控制策略

功率控制為系統級控制策略的主策略。設定一個功率參考值，實際沖擊性負荷有功超過參考值時降低調功系統的功率，低于參考值時增加調功系統的功率，實現功率的鏡像補償，最終將總功率控制在功率參考值附近。

若根據總負荷的變化情況來設置功率參考值，由于無法預知后續運行的沖擊負荷投停狀態，所以很難設置一個合理的功率參考值。當參考值偏高或偏低時，將導致無法完全補償后續負荷的波動，使總負荷出現大量的沖擊波動，因此采用對單個沖擊負荷設置功率參考值的方法。

控制原理見圖7。系統級控制策略由4個主要的控制模塊組成。

圖7 系統級控制策略框圖Fig.7 Block diagram of system-level control strategy

2.1.1 功率控制模塊

單個沖擊負荷的有功功率波動范圍比較固定，其功率參考值也比較固定。例如，負荷運行設置參考值為某個固定值，而停運則其參考值變為0。通過判斷單個負荷的投停狀態，確認了各單個負荷的功率參考值后，將所有負荷的功率參考值累加在一起，作為總的功率參考值。而沖擊負荷實時有功功率與總功率參考值的偏差即為調功系統需要出力的功率指令。

2.1.2 基值調整模塊

由于調功系統是一個可變負荷，只能吸收有功，不能發出有功，要平衡沖擊性負荷功率的上升波動，必然要求調功系統減小功率，因此調功系統正常情況下需要運行在一定的功率水平上，即功率基值。由于調功系統能源利用率不高，因此在使其完成主控制功能的基礎上應盡量減小功率基值，此功能通過一個基值調整模塊完成。在電網允許的一定的沖擊負荷波動情況下，亦可以適當降低功率基值，以提高調功系統運行的經濟性。

2.1.3 頻率限值模塊

為保證在功率波動異常的情況下系統頻率也能在合理的范圍內，在功率控制方式下，增加了頻率限值模塊。當頻率在設定范圍內變動時，頻率限制器輸出值為0，當超出設定范圍時，其輸出一個附加功率值到功率指令值中，用于反向調節頻率的變化。

2.1.4 功率分配模塊

功率分配模塊采集每臺鍋爐的狀態信息，根據狀態信息完成從總功率指令到4套本體控制單元分功率指令的分配。

2.2 裝置級控制策略

為了提高裝置的響應速度，裝置級控制采用開環加閉環的控制策略。通過開環提高響應速度，閉環保證控制精度的方式達到控制目標。

開環控制采用計算公式直接由功率計算得到觸發角度值，由于功率和觸發角之間的函數關系比較復雜，程序不易實現，因此采用插值方法。

設插值函數為 f（g），輸出為觸發角的弧度值αrad，輸入g為等效負荷電導的標幺值，即

式中：P為功率指令；u為主變低壓側母線電壓；gN為額定電導。則采用的插值函數表達式為

通過仿真得出不同觸發角度對應的g，進而計算出系數a0～a5，對應的插值函數曲線見圖8。

由圖8可以看出，采用插值函數作為開環的計算公式，精度較好。

圖8 插值函數曲線Fig.8 Curve of interpolation function

閉環控制采用傳統的比例積分PI（proportional-integral）調節器，控制框圖見圖9。圖中Pref為功率指令值，Pmeans為功率實測值，UBus為母線電壓。

圖9 裝置級控制策略框圖Fig.9 Block diagram of device-level control strategy

將開環控制和閉環控制輸出的結果與同步鎖相環PLL（phase-locked loop）模塊的輸出結果一同送給脈沖生成模塊CPG（control pulse generator），最終產生晶閘管閥組的觸發脈沖。

3 實驗及運行驗證

高壓大容量調功系統已經在某鋼鐵企業投入運行，根據企業內沖擊性負荷容量確定調功系統總容量為160 MW，采用圖1中4套相同的調功器并列運行。每套調功器設備的主要參數為：110 kV主變額定容量50 MVA，調節支路額定有功容量40 MW；5次濾波支路基波無功容量10 Mvar；7次濾波支路基波無功容量5 Mvar。有功功率在0～160 MW之間連續可調，調節過程中每套調功器平均分配功率。控制系統采集企業內精煉爐、軋機等大型沖擊性負荷作為調功系統負荷平衡對象。

圖10為晶閘管閥組觸發角30°和115°時的調節支路三相電流波形，圖中電流基準為額定電流2 309.5 A。

現場負荷曲線見圖11和圖12。圖11為有功功率基值35 MW、功率參考值無變化時的功率曲線。由圖11可以看出，調功系統的有功調節功能完全能夠平抑沖擊性負荷的有功沖擊，平衡后的總負荷近似一條直線。

圖10 不同觸發角調節支路三相電流波形Fig.10 Current curves of regulator branch at different trigging angles

圖11 有功功率曲線（功率參考值不變）Fig.11 Active power curves（reference changed）

圖12 有功功率曲線（功率參考值不變）Fig.12 Active power curves（reference changed）

圖12為有功功率基值45 MW、功率參考值變化時的功率曲線。圖中當有沖擊性負荷投停即總功率參考值發生變化時，平衡后的總負荷并不是直線，而是一條緩慢變化的平緩曲線。

現場實驗結果表明，高壓大容量調功系統的負荷平衡效果明顯，同時也驗證了所提控制策略的可行性。

4 結語

本文針對大容量沖擊性負荷，研制了高壓大容量調功系統，由于容量較大，采用4套調功器并列運行的結構；同時還提出了針對負荷平衡的系統級控制策略和裝置級控制策略，現場實驗結果驗證了該調功系統的負荷平衡效果和控制策略的可行性。

通過容量來具體設計并確定設備參數。系統的一些技術特點能夠為今后類似的負荷平衡及有功調節設備的研制和設計提供了思路和參考，也為沖擊性負荷較多的大型企業自備電廠孤網運行提供了一種負荷平衡方法。

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Development and Application of High-voltage and Large-capacity Active Power Adjusting System

DING Yong，HUANG Hua，CHANG Baoli，CHEN Chihan，LIU Weiqun
（NR Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102，China）

Aim at impact load，a new high-voltage and large-capacity active power adjusting system is developed.A hot water boiler of electrode type is utilized as the impedance load.Through the trigging angle control of the thyristor valves which connect with the boiler in series，the system could adjust the active power continuously to balance load.Meanwhile，the system-level and device-level control strategy are developed.The system-level control strategy is composed of the main function which is the load balancing and the supplementary function which is the frequency limit.The device-level control strategy is proposed which uses the function of open-loop plus close loop control.Field application indicates that the high-voltage and large-capacity active power adjusting system could balance the impact active power of the impact load rapidly and effectively.

impact load；phase-controlled voltage regulator；load balance；active power adjusting system

TM761.2

A

1003-8930（2016）01-0097-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.01.017

2014-05-07；

2015-02-04

丁 勇（1981—），男，碩士，工程師，研究方向為電力電子在電力系統中的應用。Email：dingy@nari-relays.com

黃 華（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為電力電子在電力系統中的應用。Email：huanghua@nari-relays.com

常寶立（1981—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統穩定分析。Email：changbl@nari-relays.com