直流电弧炉新型整流电源的研究

    摘 要： 分析了以带中性点的续流二极管和相移控制两项技术为基础，并采取低闪变控制方式的新型整流电源的工作原理及特性。

    关键词： 整流电源 续流二极管 相移控制技术 模糊控制       

    与交流电弧炉相比，直流电弧炉对电网的干扰和冲击以及给电网造成的闪变要小得多。但是整流器整流输出电压Ud是晶闸管触发角α的函数，为了降低整流输出电压，必须增大α，这会增大交流电压和交流电流之间相移因数φ，因此增加了无功功率损耗，同时也降低了功率因数，为了使无功功率损耗尽可能小，电弧炉变压器要有抽头切换开关。另外，由于电流控制回路作用的结果，电弧波动引起触发角α波动，因而导致无功功率变化，引起电压闪变。为了限制闪变不超标，要求直流电弧炉的短路容量Scc≥50Sf。再者，由于直流电弧炉主电路中有整流装置，必然产生与整流电路有关的特征谐波，使系统产生的谐波（除了较低次如二次、三次谐波之外）仍然较高。

    在大型超高功率直流电弧炉和弱电网的情况下，上述各种现象会表现的更加明显，使系统在电网公共供电点所产生的电压波动和闪变常会超过GB/T12326-90《电能质量电压允许波动和闪变》的规定值，仍需配备SVC（动态无功功率补偿装置）和变压器抽头切换开关等，使一次性投资提高。为了彻底解决直流电弧炉对电网的干扰，特别是闪变问题，充分发挥直流电弧炉的优点。九十年代中期，法国CEGELEC公司提出了一种采用带中性点的续流二极管和相移控制两项技术以及特殊控制方式的直流电弧炉用新型整流电源。本文主要是对该整流电源进行了详细剖析，并进一步作了计算机仿真研究。

    １ 新型整流电源特性分析

    与传统的整流电源相比，新型整流电源的特点是：以带中性点的续流二极管和相移控制两项技术为基础，同时控制电弧电流和电网公共联系点（PCC）处的无功功率。

    1.1 带中性点的续流二极管技术

    接线结构如图１所示，将一只续流二极管接到每组半桥上，中性点接到整流变压器的中性点上。在这种情况下，晶闸管的导通时间是变化的（对常规的三相全控整流桥，则恒为120°），当触发角α在π/6～５π/6之间，二极管在部分时间导通续流，且随着α的增加，晶闸管的导通时间减少，而二极管的导通时间增加。另外，整流器无逆变工作状态，即无常规整流器当α较大时有把电抗器储存的能量返回电网的过程，这使无功功率的变化大为减少，有利于闪变的减少。P、Q曲线如图２所示，整流器可运行在原点（P=Q=0），这对经常发生短路运行状态的直流电弧炉很有利。

    1.2 并联型相移控制技术

    采用并联型相移控制，就是在半桥间交叉其触发角α1和α２（α１≠α２），接线图如图３所示。由于给这两组整流桥供电的两个带中性点星形连接的次级绕组位于整流变压器的同一铁芯上。这样，由相移控制在整流变压器两个次级绕组中所产生的偶次谐波和直流分量在整流变压器的原边被完全抵消。并联型相移控制情况下，直流输出电压是a1、a2的函数，参数的这种视在多余度不但可以控制直流输出电压，而且还可以控制无功功率。但在单并联型相移控制情况下，不可能达到P=Q=0点。图４表示了此种接线方式下的P、Q曲线。

    1.3 新型整流电源

    新型整流电源结合了带中性点的续流二极管和相移控制两项技术，同时具有了这两项技术的优点，可达到高度可靠性和可用性，降低了谐波和无功功率。新型整流电源的接线结构如图５所示，得到的P、Q曲线如图６所示。

    新型整流电源采用低闪变的控制方式，理论上可达到闪变为零。图７中①和②分别为无移位和最大移位控制的两种极端运行状态，原则上整流电源可工作在①和②间的任何点，并由下面关系式决定：

 

    其中，触发角a1和a2起平衡作用。因此给出辅助条件：

                              

    触发角α1、α2应满足上述方程式（１），并同时控制无功功率和电弧电流。变量p为电流调节器的输出量与相应前馈量的和；变量ｑ为无功功率调节器的输出量与相应前馈量的和，新型整流电源控制的基本框图如图８所示。控制系统主要由电流调节器、无功功率调节器、前馈环节、功率偶（ｐ、q）环节等构成。控制系统根据系统的给定电流和直流电弧炉实际运行时的电流，整流电源系统对电网的给定（预算）的无功功率和实际运行时的无功功率，以及控制系统的两个前馈补偿环节，综合这四方面的因素，解耦p、q的关系式（１），适时发出数字脉冲以控制晶闸管的导通，也即调节晶闸管的上下桥臂的触发角α1、α2，来控制整流装置的输出，从而使输出的负载电流始终稳定于给定电流，使整个整流电源系统的无功功率稳定于给定（预算）无功功率。假设电网波动或炉内工况变化引起输出的负载电流增大（减小）时，则电流负反馈环节及该环节通道中的前馈补偿环节综合使控制信号减少（增大），从而控制触发角α1、α2的增大（减少），使整流装置输出电压降低（升高），控制输出的负载电流减少（增大），直至稳定于给定电流。新型整流电源系统无功功率负反馈环节及其环节通道中的前馈补偿环节也同样，通过控制触发角α1、α2的大小，使无功功率稳定于给定（预算）的无功功率。新型整流电源系统能做到通过调节触发角α1和α2，同时独立调节电弧电流和无功功率。

    整流电源系统还设置了短路封锁环节。在直流电弧炉的运行中，塌料是熔化期频繁发生的正常工况，这种工况对整流装置来说就是直流侧短路。若只有恒流控制环进行调节就会出现深控状态下的过电流输出，若持续时间较长，就有可能损坏整流装置。因此，有必要设置短路封锁环。控制系统判断采样输入的弧流和弧压信号，根据整流装置的输出特性和元器件特性，以及短路运行时的状态，再结合电极位置调节器和炉子本身的情况，选定弧流、弧压及动作延时和信号保持时间的设定值，并根据实际运行状况调整设定值（仿真过程中，设定弧压40V，弧流150kA，延时20ms）。当弧流大于设定值，同时弧压小于设定值时，该环即判断运行处于短路状态，并延时一定时间。若短路状态在延时设定值内消除，则该环不动作，并解除短路识别信号，恢复原态；反之，若短路状态持续时间大于延时设定值，则该环发出一脉冲封锁信号，将触发角α1、α2增至150°，同时给电极调节器一个信号，全速提升电级，保持一定时间后（该时间足以使电极脱离短路状态），触发脉冲自动前移至引弧时的相位。

    ２ 仿真结果及讨论

    控制对象直流电弧炉，作为一个复杂的非线性、多因素时变系统，极难抽象出合适的数学模型用以对真实的物理系统描述，所以，新型整流电源系统拟采用模糊控制器，但基本模糊控制器由于不具有积分环节，而且对输入量的处理是离散而有限的，采用模糊控制的系统中稳态误差比较大。为了使系统有较好的控制性能，提出了一种多模态分段控制算法来综合利用ＰＩ调节器与模糊控制器的长处。这样，可以使系统具有较快的响应速度和抗参数变化的鲁棒性，而且可以对系统实现高精度误差控制。模糊—ＰＩ控制器结构图如图９所示。

   

    由于其中二种控制方式在系统工作过程中是分段切换使用，不会同时出现而相互影响，所以二者可以分别设计和调试。在从模糊控制模态向PI模态切换时，一般都选在误差语言变量的语言值为“零（ZO）”时。即当e=ZO时，切换至PI控制，用以下PI算法：

    

    其中，kp—比例系数，KI—积分系数，U—输出控制量。

    新型整流电源系统设定电压值VS=700V、电流值IS=100KA和给定无功功率Qhvo=28MVA，控制系统采用模糊—PI控制器。新型整流电源系统输出的电流、电压、无功功率以及功率因数的仿真结果曲线如图10(a)(b)所示，新型整流电源与传统三相全控整流桥运行的对比曲线如图10(c)所示。

    从仿真结果曲线来看，新型整流电源系统启动过程中的超调量小，σ％=9.8%，上升时间ｔｒ和调节时间ts都比较短，分别为100步和150步左右，系统进入稳态后的稳态精度较高，谐波较小，系统运行的平均功率因数高，cosφ=0.94，闪变Pst≤０．８２％，新型整流电源系统具有较好的性能指标。新型整流电源与传统三相全控整流桥运行仿真结果曲线对比如图10(C)所示，新型整流电源系统显著地提高了电网运行的平均功率因数，降低了无功功率及其波动，减少了闪变。两种整流电源有关参数对比情况见表１。

    计算机仿真研究结果表明，新型整流电源与传统的三相全控整流桥相比具有不少的优势，能达到比传统整流电源更高的性能指标。主要表现在以下几个方面：

    （１）无功功率及其波动显著减少，相应的闪变也大大减少。这样就可以考虑省去SVC装置。

    （２）减少了总的电流、电压谐波畸变。原因有两个，一是整流变压器一次侧的基波电流较小；二是各个半桥的α1≠α2，设α=α1-α2，在α变动20°时，5次谐波移动100°，而７次谐波移动140°，对每次谐波来说，总有一个α1和α2值使这次谐波相抵消。这样，总的谐波畸变都有所改善。

    （３）系统具有较高的运行功率因数。由于功率因数较高，新型整流电源的整流变压器就不需要调节电压的多抽头转换开关，其设计容量也可适当减少，从而使整流变压器的成本和维修费用降低。

    （４）新型整流电源的过流能力强。这是由于直流电流交替地通过晶闸管和续流二极管输出，晶闸管的导通时间是可变的，导通时间越短，其输出电流可越大。这种过流能力可用于恒无功功率的运行状态，以降低闪变；也可用于恒有功功率的工作状态或增加直流输出电流，以提高生产率。

    （５）降低了初次投资费用。尽管新型整流电源由于增加了续流二极管使整流装置价格增加了20%～25%，但采用新型整流电源后，高压侧不需要设置SVC装置，无功功率补偿电容减少，谐波滤波电路简化，以及整流变压器不需要电压分档转换开关，这些使得新型整流电源的总费用显著降低。另外，在相同的晶闸管配置情况下，新型整流电源可增加直流输出电流，提高生产率。在保持相同的直流输出电流和生产率的情况下，可将整流变压器的容量减少20%，从而进一步降低投资成本。