STATCOM在电弧炉补偿中的控制策略及仿真分析

张 鹏，周碧英

（1.渭南师范学院 计算机科学系,陕西 渭南 714000;2.兰州交通大学 自动化学院,甘肃 兰州 730070）

1 引言

随着工业的发展，对电能的需求越来越大，对电能质量也提出了更高的要求。其中最常见的电能质量问题之一是由电弧炉、轧钢机、电力机车等特种冲击负荷引起的电压闪变。电弧炉在其熔化和精炼过程中，可产生不平衡的、含有大量谐波和无功分量的负荷电流，从而引起连接点母线电压产生不平衡和闪变，对公网的正常运行造成极大的危害［1-2］。目前常采用静止无功补偿器（Static Var Compensator-SVC）来解决此类电能质量问题。SVC不仅可以提高设备临近区域的电能质量，而且还可以提高电弧炉生产效率并带来更好的经济效益。但是，SVC主要原理是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，这也决定其难以实现瞬时无功功率控制。

采用更具灵活快速控制特性的STATCOM是目前最佳的解决方案。STATCOM采用逆变器作为主电路，代表新一代无功补偿技术，在无功功率补偿、提高输电系统电压稳定性和响应速度等多个方面均优于SVC。

电流滞环控制具有结构简单、响应快的特点。由于电流滞环控制的开关频率不固定，因此其输出电压波形中不含特定频率的谐波分量，可以避免特定谐波对负载的不利影响。文中对一种用于补偿电弧炉的STATCOM提出采用滞环电流控制策略，通过对电弧炉的V-I特性采用分段线性逼近的方法建立其时域模型，对所提出的控制策略及模型进行了仿真研究，验证了其正确性和有效性。

2 STATCOM—电弧炉补偿系统模型

STATCOM—电弧炉补偿系统原理如图1所示。电弧炉通过电磁接口与电网相连接，当系统运行时，时变负载（电弧炉）会在公共连接点引起电压波动或闪变，一个三相两电平STATCOM接入电网对一个时变电弧炉负荷进行补偿。

图1 STATCOM—电弧炉补偿系统原理图

对电弧炉补偿进行研究，需要有真实有效的电弧炉仿真模型［3］。在仿真研究中有多种方法用以建立电弧炉模型，如用不对称连接的电阻与电抗器构造的非线性负荷模型，根据电极电弧放电特点建立的谐波积累模型，采用随机数发生模块构造的电弧炉模型等［1、4］。这些模型在一定程度上反映电弧炉负荷的特点，但与实际电弧炉负荷仍存在较大差别，难以全面展现电弧炉负荷给系统带来的电能质量问题。如图2所示为电弧炉实际V-I特性曲线及其分段线性逼近曲线。燃弧电压vig和灭弧电压vex由电弧炉操作产生的弧长决定。

图2 电弧炉实际V-I特性曲线及其分段线性逼近曲线

电弧炉熔炼过程分为三个阶段：第一阶段是燃弧过程。电压沿曲线弧BOD从灭弧电压-vex上升到燃弧电压vig，电弧电流从-i3上升到i1，电弧炉呈现电阻特性。第二阶段是电弧熔炼开始过程。电压沿曲线弧DC从vig突降至vst，电弧电流从i1增加到i2。第三阶段是稳态电弧熔炼过程。电弧电压沿曲线弧CO线性缓慢光滑地下降到vex。可用式（1）和（2）来分段描述电压上升过程和下降过程变化。如图3所示为基于电弧炉V-I特性的分段线性化曲线。

式中：R1、R2与R3为每一部分对应的斜率，i1=vig/R1；iT=1.5i1；i2=3i1；i3=vex/R1。

图3 电弧炉V-I特性曲线分段线性化模型

3 STATCOM的控制策略

3.1 参考信号生成

在同步参考坐标中，参考坐标与交流电压以相同的频率旋转，d-q坐标电流可由瞬时有功电流和瞬时无功电流组成，可通过低通滤波器分离交、直流电流［5］。式（3）和（4）分别为瞬时有功电流与瞬时无功电流。

如图4所示为参考控制信号发生器结构框图。通过abc-dq0变换及低通滤波器获得无功电流分量可作为闪变参考电流信号。这种方法的重要特点是参考电流直接从实际负荷电流中取得，而未计及电压。因此，参考信号的产生不受电压不平衡或电压失真的影响，从而增强了补偿系统的鲁棒性。

3.2 滞环电流控制

使用滞环电流控制是降低STATCOM输出电流谐波含量的一种有效方法。滞环电流控制中开关器件根据连续检测STATCOM电流与参考正弦电流的差异而进行快速切换，其开关信号是通过比较电流误差信号与固定滞环宽度获得。滞环电流控制器结构简单，鲁棒性好，但普通的滞环电流控制器的开关频率在很大程度上依赖逆变器输出电流和交流侧电压的变化，存在滞环宽度设置困难及逆变器的保护实现困难。

图4 参考控制信号发生器结构框图

对于滞环电流控制来说，将输出相反馈电流与参考电流进行比较，通过确定参考电流的容许带宽来确定输出电流的纹波大小。若相电流超过了容许上界，则低位开关开启，高位开关关断，反之亦然。相应的开关信号发生器结构框图如图5所示。

图5 开关信号发生器结构框图

4 仿真结果及分析

4.1 无STATCOM条件下仿真结果

在没有STATCOM补偿的情况下，电弧电流完全由电源提供，因此在电源与电弧炉回路之间很容易发生较大的电压闪变。图6-8显示了系统未接入STATCOM条件下有功功率、无功功率和STATCOM连接点母线电压的变化情况。

图6 无STATCOM条件下有功功率

图7 无STATCOM条件下无功功率

图8 无STATCOM条件下连接点电压

图9 有STATCOM条件下有功功率

4.2 有STATCOM补偿条件下仿真结果

STATCOM接入系统后可根据参考电流的变化对系统进行有效的补偿。图9-11显示了接入STATCOM条件下有功功率、无功功率和STATCOM连接点母线电压的变化情况。通过比较图8和图11中衡量电压闪变的主要指标电压变化率（△V/V×%），其值从60%下降到10%，电压闪变得到了明显的抑制。

图10 有STATCOM条件下无功功率

图11 有STATCOM条件下连接点电压

5 结束语

本文对电弧炉—STATCOM补偿系统提出了参考信号不受电压不平衡或电压失真影响的滞环电流控制策略，对电弧炉实际V-I特性曲线采用分段线性逼近的方法建立了其数学模型模型，并对所提出的控制方法及模型进行了仿真研究，验证了其正确性和有效性。结果表明系统具有结构简单、鲁棒性强，达到了改善电能质量的效果。

［1］常晓伟,宋 强,许树楷,刘文华.电弧炉电能质量仿真控制平台［J］.电力自动化设备,2008,（2）:84-88.

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