柏文言,李 雪

(國網(wǎng)冀北電力有限公司唐 山市曹妃甸區(qū)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(chǎn)生雜散電流,牽引配電站較多,引起供電距離加長[1],導(dǎo)致供電結(jié)構(gòu)繁瑣[2-4]。如果工業(yè)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(shí),交流牽引供電系統(tǒng)會出現(xiàn)電分相[5-7],電分相會導(dǎo)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(zhì)量負(fù)序的問題,這種問題會造成公共電網(wǎng)的污染問題[8]。由于中國電工業(yè)爐的不斷進(jìn)行升級,工業(yè)用電量的需求也隨之增加,研究改善運(yùn)行效果的方法尤為重要[9]。

許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究,如陳民武等[10],研究組合式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)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(tǒng)控制策略方法,但當(dāng)工業(yè)電爐產(chǎn)內(nèi)電爐使用增多,用電量較大時(shí),供電效果會出現(xiàn)較大電壓波動,對此,本文研究箱式工業(yè)電阻爐加熱的多流制牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)壓方法,其創(chuàng)新之處在于采用中壓直流牽引供電系統(tǒng)控制并聯(lián)運(yùn)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。

2 箱式工業(yè)電阻爐加熱的多流制牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)壓方法

2.1 多直流牽引配電站并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)壓控制方法

多個并聯(lián)運(yùn)行的直流牽引負(fù)荷供電配電站共同運(yùn)行,能夠維持供電系統(tǒng)中牽引負(fù)荷的持續(xù)供電,除此之外,還能有效保持維持牽引網(wǎng)直流電壓的穩(wěn)定性[12-14]。圖1表示兩牽引配電站并聯(lián)運(yùn)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(fù)荷端口電壓為uLoad,負(fù)荷取流為iLoad;配電站1和配電站2到負(fù)荷之間牽引網(wǎng)的等效電阻用Rline1、Rline2表示。當(dāng)恒功率負(fù)載的功率為P時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷的有效牽引。

圖1 兩牽引配電站并聯(lián)運(yùn)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(shí)增多系統(tǒng)消耗引起設(shè)備不安全,是因?yàn)殡姞t高溫時(shí)產(chǎn)生出現(xiàn)在配電站TSS1和TSS2之間的電流環(huán)路ic12。用式(1)表示ic12:

(1)

為使整個系統(tǒng)具有更好的魯棒性,需要在牽引網(wǎng)的直流電壓控制過程中保證空載電流環(huán)路在內(nèi)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(dá):

(2)

牽引配電站的本地信息能夠有效控制牽引網(wǎng)的直流電壓。在系統(tǒng)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(huán)路在內(nèi)的所有牽引配電站共同承擔(dān)。當(dāng)牽引配電站發(fā)生故障時(shí),其余牽引配電站可繼續(xù)維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

下垂控制在直流電網(wǎng)中存在控制有效性[15],由于牽引負(fù)荷可迅速加熱、隨機(jī)波動且不能忽略牽引網(wǎng)阻抗,所以下垂控制應(yīng)用在中壓直流供電系統(tǒng)中時(shí),會引發(fā)牽引配電站輸出電壓跌落以及不能精準(zhǔn)劃分配電站間的負(fù)荷電流的問題。根據(jù)牽引網(wǎng)不可忽視的阻抗,為保證牽引網(wǎng)線損小,負(fù)荷電流不能在并聯(lián)牽引配電站間按其自身容量成比例分配,系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)動態(tài)均流,這是由于牽引負(fù)荷的運(yùn)動特性造成的。因此,該方法采用就近提供負(fù)載電流的原理,采用降速控制抑制電流環(huán)路。該方法雖然不需要精確地分配各配電站間的負(fù)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(fù)荷的移動而發(fā)生不同的連續(xù)變化,導(dǎo)致系統(tǒng)損耗增大,甚至導(dǎo)致牽引配電站閉鎖,導(dǎo)致供電系統(tǒng)不穩(wěn)定。

基于傳統(tǒng)下垂控制方法,在電壓補(bǔ)償加入的同時(shí)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(huán)未控制回路的過程中,將電壓補(bǔ)償項(xiàng)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(bǔ)償能力的下垂控制:

(4)

根據(jù)式(4)內(nèi),補(bǔ)償項(xiàng)PI電壓調(diào)節(jié)器用Gd(s)表示,Gd(s)=kpd+kid/s;PI電壓調(diào)節(jié)器的比例用kpd表示;PI電壓調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)用kid表示。

2.2 直流電壓波動抑制方法

2.2.1 FFTS交、直流側(cè)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?qū)Σ痪邆淦胶庑缘腇FTS交、直側(cè)瞬時(shí)有功功率進(jìn)行重新設(shè)置,在交流供電系統(tǒng)出現(xiàn)對稱性問題時(shí),使FFTS交流側(cè)電流重新回到對稱運(yùn)行的狀態(tài),并使電流、功率以及直流側(cè)電壓均保持恒定。

當(dāng)FFTS三項(xiàng)系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象的交流側(cè)時(shí),會造成FFTS的三項(xiàng)交流系統(tǒng)的電流對稱現(xiàn)象。當(dāng)FFTS三項(xiàng)系統(tǒng)交流輸出的電壓與同等對稱現(xiàn)象停止時(shí),會使三項(xiàng)系統(tǒng)交流的電流負(fù)序的分量將會被消除。所以FFTS內(nèi)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(nèi)部虛擬變換信號電流正序分量的幅值E+表示;負(fù)序變換信號電流分量幅值表示用E-;內(nèi)部虛擬變換信號的初相交接點(diǎn)用φe+、φe-表示;系統(tǒng)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(cè)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(jù)式(5)、式(6),FFTS各項(xiàng)瞬時(shí)有功功率由式(7)表示:

(7)

根據(jù)式(7),以式(8)表示FFTS交流側(cè)瞬時(shí)有功功率:

(8)

根據(jù)式(7)、式(8),FFTS交流信號幾點(diǎn)側(cè)瞬時(shí)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(fā)各相電流環(huán)路中直流分量不一致,這種情況發(fā)生在交流系統(tǒng)不對稱模式下。

(2)在各瞬時(shí)有功電流功率中,均具有負(fù)序電流2倍頻直流分量px-存在,上述直流分量會導(dǎo)致負(fù)序電流性質(zhì)的2次諧波電流環(huán)路電源釋放現(xiàn)象的出現(xiàn),但不會進(jìn)入FFTS直流側(cè)的序列產(chǎn)生。

(3)在各瞬時(shí)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(dǎo)致FFTS系統(tǒng)三圈電流環(huán)路中出現(xiàn)繞組電流性質(zhì)的2倍頻波動分量的出現(xiàn),之所以直流側(cè)配電壓組、電流的功率會出現(xiàn)2倍波動,是由于此有功電流功率分量加入FFTS直流側(cè)造成的。

2.2.2 FFTS直流回路模型

根據(jù)2.2.1小節(jié),FFTS的三相電流環(huán)路可用式(9)描述:

icirx=icirx0+icirx2-+icirx20

(9)

根據(jù)式(9),2次諧波電流環(huán)路的負(fù)序用icirx2-表示;2次諧波電流環(huán)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(jù)式(11)、式(12),2次諧波電流環(huán)路模型是由負(fù)序網(wǎng)絡(luò)和零序網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成,直流側(cè)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(fù)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(cè)瞬時(shí)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(shí)有功功率用Vp表示;換流器流入直流側(cè)瞬時(shí)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(jù)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(shù)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(cè)瞬時(shí)有功功率。Vp可負(fù)擔(dān)額外的瞬時(shí)有功功率,因?yàn)镕FTS各子模塊擁有儲能特質(zhì),不止能容納FFTS本身的有功損耗。設(shè)定:

pac0=pdc

(15)

pac2=Vp

(16)

在交流側(cè)的具體瞬時(shí)有功功率中,出現(xiàn)直流側(cè)瞬與直流分量功率相同的現(xiàn)象,當(dāng)上述現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),FFTS承擔(dān)的瞬時(shí)有功功率數(shù)值與流測瞬時(shí)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(wěn)的運(yùn)作狀態(tài),這是由于一個周波內(nèi)的△p積分?jǐn)?shù)值均為0。

想要實(shí)現(xiàn)維持直流側(cè)電壓、電流和功率恒定;維持交流側(cè)三相電流對稱運(yùn)行這個指標(biāo),要依據(jù)FFTS交流側(cè)三相系統(tǒng)不對稱的情況。

3 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的箱式工業(yè)電阻爐加熱的多流制牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)壓方法的有效性,利用Matlab/Simulink軟件搭建多流制牽引供電系統(tǒng)仿真模型,選用某事5個等級的工業(yè)電爐加熱使用廠,對牽引網(wǎng)額定電壓進(jìn)行設(shè)定,數(shù)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(shè)置工業(yè)電爐加熱使用廠的額定功率分為5、10、20、25、30 MW,假設(shè)工業(yè)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(shí)間兩個角度對本文方法應(yīng)用后的供電系統(tǒng)供電能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果如表1所示。

表1 本文方法應(yīng)用系統(tǒng)供電能力

分析表1可知,應(yīng)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(shí)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(wěn)定達(dá)到1 000 kg/(m2·h),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法應(yīng)用后可有效提升供電系統(tǒng)供電能力,進(jìn)而提升工業(yè)爐電壓穩(wěn)定能力。

為驗(yàn)證本文方法應(yīng)用后在不同時(shí)間情況下的電壓波動情況,與未使用本文方法時(shí)的電壓波動情況進(jìn)行對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果用圖2表示。

圖2 電壓波動情況

分析圖2可知,在未應(yīng)用本文方法時(shí),在時(shí)間逐漸增加時(shí)電爐電壓波動情況較大,應(yīng)用本文方法后,隨著時(shí)間增加電爐電壓波動較小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法可有效抑制電爐電壓波動。

選用文獻(xiàn)[10]的組合式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法與控制方法與文獻(xiàn)[11]的工業(yè)電阻爐雙向變流型混合供電系統(tǒng)控制方法為本文方法對比方法,對比三種方法應(yīng)用后的負(fù)荷電壓最大跌落值、最低穩(wěn)態(tài)值。

不同方法應(yīng)用后的供電系統(tǒng)負(fù)荷電壓最大跌落值對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法負(fù)荷電壓最大跌落值

由圖3可知,文獻(xiàn)[10]的組合式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法與控制方法與文獻(xiàn)[11]的工業(yè)電阻爐雙向變流型混合供電系統(tǒng)控制方法的負(fù)荷電壓最大跌落值都高于本文方法,本文方法的負(fù)荷電壓最大跌落值最低,僅為52 V,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法可有效防止供電系統(tǒng)負(fù)荷電壓大幅度跌落,穩(wěn)壓性能較好。

不同方法在不同時(shí)間下最低穩(wěn)態(tài)值的變化情況如圖4所示。

圖4 不同時(shí)間下最低穩(wěn)態(tài)值

由圖4可知,由于設(shè)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(shí)間的最低穩(wěn)態(tài)值均在24 kV左右波動,其中文獻(xiàn)[10]的組合式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法與控制方法與文獻(xiàn)[11]的工業(yè)電阻爐雙向變流型混合供電系統(tǒng)控制方法的最低穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)值圍繞24 kV微小幅度波動,表示本文方法的穩(wěn)壓控制的供電系統(tǒng)最低穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定的各配電站輸出電壓接近。

4 結(jié) 論

本文研究箱式工業(yè)電阻爐加熱的多流制牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)壓方法,實(shí)現(xiàn)工業(yè)電阻爐雙向變流型混合供電系統(tǒng);減少不同時(shí)間下的電壓波動;減少負(fù)荷電壓的最大跌落值。隨著我國工業(yè)電爐企業(yè)的不斷發(fā)展,對供電系統(tǒng)穩(wěn)壓方法需求也越來越高,今后可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上連接多顯示端,進(jìn)行可視化控制研究,提升方法的供電系統(tǒng)供電與調(diào)度能力。