箱式工業電阻爐加熱的多流制牽引供電系統穩壓方法

柏文言,李 雪

(國網冀北電力有限公司唐 山市曹妃甸區供電分公司,河北 唐山 063299)

1 引 言

目前,電阻爐加熱供電通常利用直流制,但直流電壓較低,容易產生雜散電流,牽引配電站較多,引起供電距離加長[1],導致供電結構繁瑣[2-4]。如果工業電阻爐供電采用交流制,就可減少雜散電流,但電爐高度加熱時,交流牽引供電系統會出現電分相[5-7],電分相會導致電爐加熱間斷,曾雯效果變差,此外,交流供電模式中存在電能質量負序的問題,這種問題會造成公共電網的污染問題[8]。由于中國電工業爐的不斷進行升級,工業用電量的需求也隨之增加,研究改善運行效果的方法尤為重要[9]。

許多學者對此進行了大量研究,如陳民武等[10],研究組合式同相供電系統補償算法與控制策略;如葉宏等[11],研究雙向變流型混合供電系統控制策略方法,但當工業電爐產內電爐使用增多,用電量較大時,供電效果會出現較大電壓波動,對此,本文研究箱式工業電阻爐加熱的多流制牽引供電系統穩壓方法,其創新之處在于采用中壓直流牽引供電系統控制并聯運行多直流牽引配電站,然后利用模塊化多電平矩陣變換器FFTS抑制直流電壓波動,實現穩壓控制。

2 箱式工業電阻爐加熱的多流制牽引供電系統穩壓方法

2.1 多直流牽引配電站并聯運行穩壓控制方法

多個并聯運行的直流牽引負荷供電配電站共同運行,能夠維持供電系統中牽引負荷的持續供電,除此之外,還能有效保持維持牽引網直流電壓的穩定性[12-14]。圖1表示兩牽引配電站并聯運行等效模型,將配電站視為電壓源。圖1中,牽引配電站1輸出電壓、輸出電流分別為udc1、idc1,牽引配電站2輸出電壓、輸出電流分別為udc2、idc2,負荷端口電壓為uLoad,負荷取流為iLoad;配電站1和配電站2到負荷之間牽引網的等效電阻用Rline1、Rline2表示。當恒功率負載的功率為P時,能夠實現負荷的有效牽引。

圖1 兩牽引配電站并聯運行等效模型

各牽引配電站輸出不一致的電壓,由于牽引配電站在采用定直流電壓控制的過程中,變流器使用的元件存在一定差異,在電爐高溫時增多系統消耗引起設備不安全,是因為電爐高溫時產生出現在配電站TSS1和TSS2之間的電流環路ic12。用式(1)表示ic12:

(1)

為使整個系統具有更好的魯棒性,需要在牽引網的直流電壓控制過程中保證空載電流環路在內的所有牽引配電站參與,此策略并不需要牽引配電站互相通信,用式(2)表達:

(2)

牽引配電站的本地信息能夠有效控制牽引網的直流電壓。在系統中牽引符合存在一定功率變化,這需要包括加熱器的電流環路在內的所有牽引配電站共同承擔。當牽引配電站發生故障時,其余牽引配電站可繼續維持系統的安全穩定運行。

下垂控制在直流電網中存在控制有效性[15],由于牽引負荷可迅速加熱、隨機波動且不能忽略牽引網阻抗,所以下垂控制應用在中壓直流供電系統中時,會引發牽引配電站輸出電壓跌落以及不能精準劃分配電站間的負荷電流的問題。根據牽引網不可忽視的阻抗,為保證牽引網線損小,負荷電流不能在并聯牽引配電站間按其自身容量成比例分配,系統難以實現動態均流,這是由于牽引負荷的運動特性造成的。因此,該方法采用就近提供負載電流的原理,采用降速控制抑制電流環路。該方法雖然不需要精確地分配各配電站間的負荷電流,但仍需處理由下垂控制引起的牽引配電站輸出電壓凹陷問題。由于各牽引配電站的輸出電流隨牽引負荷的移動而發生不同的連續變化,導致系統損耗增大,甚至導致牽引配電站閉鎖,導致供電系統不穩定。

基于傳統下垂控制方法,在電壓補償加入的同時完成電壓跌落問題的處理,電壓跌落的去除則需要在雙閉環未控制回路的過程中,將電壓補償項Vu加入輸出電壓的參考值,Vu用式(3)表示:

Vu=Gd(s)(Uref-udc)

(3)

用式(4)表示具有電壓補償能力的下垂控制:

(4)

根據式(4)內,補償項PI電壓調節器用Gd(s)表示,Gd(s)=kpd+kid/s;PI電壓調節器的比例用kpd表示;PI電壓調節器的積分系數用kid表示。

2.2 直流電壓波動抑制方法

2.2.1 FFTS交、直流側功率分析

模塊化多電平矩陣變換器(fractional frequency transmission system,簡稱FFTS)作為具有全控特性電力電子器件具有“儲能”特性,能夠對不具備平衡性的FFTS交、直側瞬時有功功率進行重新設置,在交流供電系統出現對稱性問題時,使FFTS交流側電流重新回到對稱運行的狀態,并使電流、功率以及直流側電壓均保持恒定。

當FFTS三項系統出現不對稱現象的交流側時,會造成FFTS的三項交流系統的電流對稱現象。當FFTS三項系統交流輸出的電壓與同等對稱現象停止時,會使三項系統交流的電流負序的分量將會被消除。所以FFTS內部虛擬電動勢用式(5)形容,交流電流用式(6)表示:

ex=E+cos(ω0t+φe+-φx)+E-cos(ω0t+φe-+φx)

(5)

ix=Icos(ω0t+φi+-φx)

(6)

由式(5)、式(6)可知, FFTS內部虛擬變換信號電流正序分量的幅值E+表示;負序變換信號電流分量幅值表示用E-;內部虛擬變換信號的初相交接點用φe+、φe-表示;系統角頻率用ω0表示;φc=-120°,φb=120°,φa=0。其中相間隔無開始的電流分量是用交流側Y0/V變壓器間隔的,所以無開始電流分量不通過式(5)研究。根據式(5)、式(6),FFTS各項瞬時有功功率由式(7)表示:

(7)

根據式(7),以式(8)表示FFTS交流側瞬時有功功率:

(8)

根據式(7)、式(8),FFTS交流信號幾點側瞬時有功功率直流信號分量用pac0表示;2倍頻直流信號分量用pac2表示。

(1)FFTS各相單元的平均功率pdcx不一致會引發各相電流環路中直流分量不一致,這種情況發生在交流系統不對稱模式下。

(2)在各瞬時有功電流功率中,均具有負序電流2倍頻直流分量px-存在,上述直流分量會導致負序電流性質的2次諧波電流環路電源釋放現象的出現,但不會進入FFTS直流側的序列產生。

(3)在各瞬時有功電流功率中,均具有繞組電流序2倍分量px0的存在,上述繞組電流分量會導致FFTS系統三圈電流環路中出現繞組電流性質的2倍頻波動分量的出現,之所以直流側配電壓組、電流的功率會出現2倍波動,是由于此有功電流功率分量加入FFTS直流側造成的。

2.2.2 FFTS直流回路模型

根據2.2.1小節,FFTS的三相電流環路可用式(9)描述:

icirx=icirx0+icirx2-+icirx20

(9)

根據式(9),2次諧波電流環路的負序用icirx2-表示;2次諧波電流環路的零序分量用icirx20表示,并滿足icira0+icirb0+icirc0=idc0,icira2-+icirb2-+icirc2-=0,icira20=icirb20=icirc20;直流電流的直流成分用idc0表示。把式(9)代入式(10)可知式(11)、式(12):

(10)

(11)

(12)

根據式(11)、式(12),2次諧波電流環路模型是由負序網絡和零序網絡組合構成,直流側等效阻抗用Zf描述;2次諧波橋壁不平衡電壓固有分量與添加分量的負序成分和零序成分分別用ucirx2inh-、ucirx2int-、ucirx2inh0、ucirx2int0表示,且ucira2inh0=ucirb2inh0=ucirc2inh0,ucira2int0=ucirb2int0=ucirc2int0。

2.2.3 直流電壓波動抑制原理

換流器交流側瞬時有功功率用pac表示;無功功率用qac表示;換流器本身損耗瞬時有功功率用Vp表示;換流器流入直流側瞬時有功功率用pdc表示。pac、Vp與pdc需滿足式(13),它們一直維持均衡。

pac=Vp+pdc

(13)

根據式(8)、式(13)可知式(14):

pac0+pac2=Vp+pdc

(14)

由于可忽視換流器的有功損耗數值低于比額定有功功率。因此,兩電平VSC,Vp≈0,表示均衡的交、直流側瞬時有功功率。Vp可負擔額外的瞬時有功功率,因為FFTS各子模塊擁有儲能特質,不止能容納FFTS本身的有功損耗。設定:

pac0=pdc

(15)

pac2=Vp

(16)

在交流側的具體瞬時有功功率中,出現直流側瞬與直流分量功率相同的現象,當上述現象出現時,FFTS承擔的瞬時有功功率數值與流測瞬時有功功率的2倍頻波動分量相同。上述過程不會對FFTS子模塊電爐電壓平均值造成影響,能夠保持FFTS始終保持平穩的運作狀態,這是由于一個周波內的△p積分數值均為0。

想要實現維持直流側電壓、電流和功率恒定;維持交流側三相電流對稱運行這個指標,要依據FFTS交流側三相系統不對稱的情況。

3 實 驗

為驗證本文提出的箱式工業電阻爐加熱的多流制牽引供電系統穩壓方法的有效性,利用Matlab/Simulink軟件搭建多流制牽引供電系統仿真模型,選用某事5個等級的工業電爐加熱使用廠,對牽引網額定電壓進行設定,數值為24 kV,在牽引配電站中,輸出電壓最大跌落值為額定值的±5%,設置工業電爐加熱使用廠的額定功率分為5、10、20、25、30 MW,假設工業電爐加熱使用廠,從電爐加熱的電加熱管初始溫度與表面最高工作溫度加熱時間兩個角度對本文方法應用后的供電系統供電能力進行實驗分析,結果如表1所示。

表1 本文方法應用系統供電能力

分析表1可知,應用本文方法后,可縮短不同有功功率消耗電爐加熱的使用時常,即使有功功率消耗為30 MW的等級5加熱爐,加熱使用功率也穩定達到1 000 kg/(m2·h),實驗結果表明,本文方法應用后可有效提升供電系統供電能力,進而提升工業爐電壓穩定能力。

為驗證本文方法應用后在不同時間情況下的電壓波動情況,與未使用本文方法時的電壓波動情況進行對比,實驗結果用圖2表示。

圖2 電壓波動情況

分析圖2可知,在未應用本文方法時,在時間逐漸增加時電爐電壓波動情況較大,應用本文方法后,隨著時間增加電爐電壓波動較小,實驗結果表明本文方法可有效抑制電爐電壓波動。

選用文獻[10]的組合式同相供電系統補償算法與控制方法與文獻[11]的工業電阻爐雙向變流型混合供電系統控制方法為本文方法對比方法,對比三種方法應用后的負荷電壓最大跌落值、最低穩態值。

不同方法應用后的供電系統負荷電壓最大跌落值對比結果如圖3所示。

圖3 不同方法負荷電壓最大跌落值

由圖3可知,文獻[10]的組合式同相供電系統補償算法與控制方法與文獻[11]的工業電阻爐雙向變流型混合供電系統控制方法的負荷電壓最大跌落值都高于本文方法,本文方法的負荷電壓最大跌落值最低,僅為52 V,實驗結果表明,本文方法可有效防止供電系統負荷電壓大幅度跌落,穩壓性能較好。

不同方法在不同時間下最低穩態值的變化情況如圖4所示。

圖4 不同時間下最低穩態值

由圖4可知,由于設置各牽引配電站輸出電壓為24 kV,因此各方法的控制下的不同時間的最低穩態值均在24 kV左右波動,其中文獻[10]的組合式同相供電系統補償算法與控制方法與文獻[11]的工業電阻爐雙向變流型混合供電系統控制方法的最低穩態值都在24 kV以下波動,但本文方法可有效保證配電站的最低穩態值圍繞24 kV微小幅度波動,表示本文方法的穩壓控制的供電系統最低穩態值與設定的各配電站輸出電壓接近。

4 結 論

本文研究箱式工業電阻爐加熱的多流制牽引供電系統穩壓方法,實現工業電阻爐雙向變流型混合供電系統;減少不同時間下的電壓波動;減少負荷電壓的最大跌落值。隨著我國工業電爐企業的不斷發展,對供電系統穩壓方法需求也越來越高,今后可在現有基礎上連接多顯示端,進行可視化控制研究,提升方法的供電系統供電與調度能力。