直流電弧爐的新型整流電源設(shè)計(jì)

摘 要： 分析了以帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管和相移控制兩項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)，并采取低閃變控制方式的新型整流電源的工作原理及特性。

與交流電弧爐相比，直流電弧爐對(duì)電網(wǎng)的干擾和沖擊以及給電網(wǎng)造成的閃變要小得多。但是整流器整流輸出電壓Ud是晶閘管觸發(fā)角α的函數(shù)，為了降低整流輸出電壓，必須增大α，這會(huì)增大交流電壓和交流電流之間相移因數(shù)φ，因此增加了無(wú)功功率損耗，同時(shí)也降低了功率因數(shù)，為了使無(wú)功功率損耗盡可能小，電弧爐變壓器要有抽頭切換開(kāi)關(guān)。另外，由于電流控制回路作用的結(jié)果，電弧波動(dòng)引起觸發(fā)角α波動(dòng)，因而導(dǎo)致無(wú)功功率變化，引起電壓閃變。為了限制閃變不超標(biāo)，要求直流電弧爐的短路容量Scc≥50Sf。再者，由于直流電弧爐主電路中有整流裝置，必然產(chǎn)生與整流電路有關(guān)的特征諧波，使系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波（除了較低次如二次、三次諧波之外）仍然較高。

在大型超高功率直流電弧爐和弱電網(wǎng)的情況下，上述各種現(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)的更加明顯，使系統(tǒng)在電網(wǎng)公共供電點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃變常會(huì)超過(guò)GB/T12326-90《電能質(zhì)量電壓允許波動(dòng)和閃變》的規(guī)定值，仍需配備SVC（動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置）和變壓器抽頭切換開(kāi)關(guān)等，使一次性投資提高。為了徹底解決直流電弧爐對(duì)電網(wǎng)的干擾，特別是閃變問(wèn)題，充分發(fā)揮直流電弧爐的優(yōu)點(diǎn)。九十年代中期，法國(guó)CEGELEC公司提出了一種采用帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管和相移控制兩項(xiàng)技術(shù)以及特殊控制方式的直流電弧爐用新型整流電源。本文主要是對(duì)該整流電源進(jìn)行了詳細(xì)剖析，并進(jìn)一步作了計(jì)算機(jī)仿真研究。

１ 新型整流電源特性分析

與傳統(tǒng)的整流電源相比，新型整流電源的特點(diǎn)是：以帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管和相移控制兩項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)控制電弧電流和電網(wǎng)公共聯(lián)系點(diǎn)（PCC）處的無(wú)功功率。

1.1 帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管技術(shù)

接線結(jié)構(gòu)如圖１所示，將一只續(xù)流二極管接到每組半橋上，中性點(diǎn)接到整流變壓器的中性點(diǎn)上。在這種情況下，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間是變化的（對(duì)常規(guī)的三相全控整流橋，則恒為120°），當(dāng)觸發(fā)角α在π/6～５π/6之間，二極管在部分時(shí)間導(dǎo)通續(xù)流，且隨著α的增加，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間減少，而二極管的導(dǎo)通時(shí)間增加。另外，整流器無(wú)逆變工作狀態(tài)，即無(wú)常規(guī)整流器當(dāng)α較大時(shí)有把電抗器儲(chǔ)存的能量返回電網(wǎng)的過(guò)程，這使無(wú)功功率的變化大為減少，有利于閃變的減少。P、Q曲線如圖２所示，整流器可運(yùn)行在原點(diǎn)（P=Q=0），這對(duì)經(jīng)常發(fā)生短路運(yùn)行狀態(tài)的直流電弧爐很有利。

1.2 并聯(lián)型相移控制技術(shù)

采用并聯(lián)型相移控制，就是在半橋間交*其觸發(fā)角α1和α２（α１≠α２），接線圖如圖３所示。由于給這兩組整流橋供電的兩個(gè)帶中性點(diǎn)星形連接的次級(jí)繞組位于整流變壓器的同一鐵芯上。這樣，由相移控制在整流變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組中所產(chǎn)生的偶次諧波和直流分量在整流變壓器的原邊被完全抵消。并聯(lián)型相移控制情況下，直流輸出電壓是a1、a2的函數(shù)，參數(shù)的這種視在多余度不但可以控制直流輸出電壓，而且還可以控制無(wú)功功率。但在單并聯(lián)型相移控制情況下，不可能達(dá)到P=Q=0點(diǎn)。圖４表示了此種接線方式下的P、Q曲線。

1.3 新型整流電源

新型整流電源結(jié)合了帶中性點(diǎn)的續(xù)流二極管和相移控制兩項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)具有了這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到高度可*性和可用性，降低了諧波和無(wú)功功率。新型整流電源的接線結(jié)構(gòu)如圖５所示，得到的P、Q曲線如圖６所示。

新型整流電源采用低閃變的控制方式，理論上可達(dá)到閃變?yōu)榱?。圖７中①和②分別為無(wú)移位和最大移位控制的兩種極端運(yùn)行狀態(tài)，原則上整流電源可工作在①和②間的任何點(diǎn)，并由下面關(guān)系式?jīng)Q定：

其中，觸發(fā)角a1和a2起平衡作用。因此給出輔助條件：

觸發(fā)角α1、α2應(yīng)滿足上述方程式（１），并同時(shí)控制無(wú)功功率和電弧電流。變量p為電流調(diào)節(jié)器的輸出量與相應(yīng)前饋量的和；變量ｑ為無(wú)功功率調(diào)節(jié)器的輸出量與相應(yīng)前饋量的和，新型整流電源控制的基本框圖如圖８所示。控制系統(tǒng)主要由電流調(diào)節(jié)器、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器、前饋環(huán)節(jié)、功率偶（ｐ、q）環(huán)節(jié)等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的給定電流和直流電弧爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電流，整流電源系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的給定（預(yù)算）的無(wú)功功率和實(shí)際運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率，以及控制系統(tǒng)的兩個(gè)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，綜合這四方面的因素，解耦p、q的關(guān)系式（１），適時(shí)發(fā)出數(shù)字脈沖以控制晶閘管的導(dǎo)通，也即調(diào)節(jié)晶閘管的上下橋臂的觸發(fā)角α1、α2，來(lái)控制整流裝置的輸出，從而使輸出的負(fù)載電流始終穩(wěn)定于給定電流，使整個(gè)整流電源系統(tǒng)的無(wú)功功率穩(wěn)定于給定（預(yù)算）無(wú)功功率。假設(shè)電網(wǎng)波動(dòng)或爐內(nèi)工況變化引起輸出的負(fù)載電流增大（減小）時(shí)，則電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)及該環(huán)節(jié)通道中的前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)綜合使控制信號(hào)減少（增大），從而控制觸發(fā)角α1、α2的增大（減少），使整流裝置輸出電壓降低（升高），控制輸出的負(fù)載電流減少（增大），直至穩(wěn)定于給定電流。新型整流電源系統(tǒng)無(wú)功功率負(fù)反饋環(huán)節(jié)及其環(huán)節(jié)通道中的前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)也同樣，通過(guò)控制觸發(fā)角α1、α2的大小，使無(wú)

功功率穩(wěn)定于給定（預(yù)算）的無(wú)功功率。新型整流電源系統(tǒng)能做到通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角α1和α2，同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)電弧電流和無(wú)功功率。

整流電源系統(tǒng)還設(shè)置了短路封鎖環(huán)節(jié)。在直流電弧爐的運(yùn)行中，塌料是熔化期頻繁發(fā)生的正常工況，這種工況對(duì)整流裝置來(lái)說(shuō)就是直流側(cè)短路。若只有恒流控制環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)就會(huì)出現(xiàn)深控狀態(tài)下的過(guò)電流輸出，若持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，就有可能損壞整流裝置。因此，有必要設(shè)置短路封鎖環(huán)。控制系統(tǒng)判斷采樣輸入的弧流和弧壓信號(hào)，根據(jù)整流裝置的輸出特性和元器件特性，以及短路運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，再結(jié)合電極位置調(diào)節(jié)器和爐子本身的情況，選定弧流、弧壓及動(dòng)作延時(shí)和信號(hào)保持時(shí)間的設(shè)定值，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)整設(shè)定值（仿真過(guò)程中，設(shè)定弧壓40V，弧流150kA，延時(shí)20ms）。當(dāng)弧流大于設(shè)定值，同時(shí)弧壓小于設(shè)定值時(shí)，該環(huán)即判斷運(yùn)行處于短路狀態(tài)，并延時(shí)一定時(shí)間。若短路狀態(tài)在延時(shí)設(shè)定值內(nèi)消除，則該環(huán)不動(dòng)作，并解除短路識(shí)別信號(hào)，恢復(fù)原態(tài)；反之，若短路狀態(tài)持續(xù)時(shí)間大于延時(shí)設(shè)定值，則該環(huán)發(fā)出一脈沖封鎖信號(hào)，將觸發(fā)角α1、α2增至150°，同時(shí)給電極調(diào)節(jié)器一個(gè)信號(hào)，全速提升電級(jí)，保持一定時(shí)間后（該時(shí)間足以使電極脫離短路狀態(tài)），觸發(fā)脈沖自動(dòng)前移至引弧時(shí)的相位。

２ 仿真結(jié)果及討論

控制對(duì)象直流電弧爐，作為一個(gè)復(fù)雜的非線性、多因素時(shí)變系統(tǒng)，極難抽象出合適的數(shù)學(xué)模型用以對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)描述，所以，新型整流電源系統(tǒng)擬采用模糊控制器，但基本模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié)，而且對(duì)輸入量的處理是離散而有限的，采用模糊控制的系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)誤差比較大。為了使系統(tǒng)有較好的控制性能，提出了一種多模態(tài)分段控制算法來(lái)綜合利用ＰＩ調(diào)節(jié)器與模糊控制器的長(zhǎng)處。這樣，可以使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和抗參數(shù)變化的魯棒性，而且可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度誤差控制。模糊—ＰＩ控制器結(jié)構(gòu)圖如圖９所示。

由于其中二種控制方式在系統(tǒng)工作過(guò)程中是分段切換使用，不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)而相互影響，所以二者可以分別設(shè)計(jì)和調(diào)試。在從模糊控制模態(tài)向PI模態(tài)切換時(shí)，一般都選在誤差語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為“零（ZO）”時(shí)。即當(dāng)e=ZO時(shí)，切換至PI控制，用以下PI算法：

其中，kp—比例系數(shù)，KI—積分系數(shù)，U—輸出控制量。

新型整流電源系統(tǒng)設(shè)定電壓值VS=700V、電流值IS=100KA和給定無(wú)功功率Qhvo=28MVA，控制系統(tǒng)采用模糊—PI控制器。新型整流電源系統(tǒng)輸出的電流、電壓、無(wú)功功率以及功率因數(shù)的仿真結(jié)果曲線如圖10(a)(b)所示，新型整流電源與傳統(tǒng)三相全控整流橋運(yùn)行的對(duì)比曲線如圖10(c)所示。

從仿真結(jié)果曲線來(lái)看，新型整流電源系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中的超調(diào)量小，σ％=9.8%，上升時(shí)間ｔｒ和調(diào)節(jié)時(shí)間ts都比較短，分別為100步和150步左右，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的穩(wěn)態(tài)精度較高，諧波較小，系統(tǒng)運(yùn)行的平均功率因數(shù)高，cosφ=0.94，閃變Pst≤０．８２％，新型整流電源系統(tǒng)具有較好的性能指標(biāo)。新型整流電源與傳統(tǒng)三相全控整流橋運(yùn)行仿真

結(jié)果曲線對(duì)比如圖10(C)所示，新型整流電源系統(tǒng)顯著地提高了電網(wǎng)運(yùn)行的平均功率因數(shù)，降低了無(wú)功功率及其波動(dòng)，減少了閃變。兩種整流電源有關(guān)參數(shù)對(duì)比情況見(jiàn)表１。

計(jì)算機(jī)仿真研究結(jié)果表明，新型整流電源與傳統(tǒng)的三相全控整流橋相比具有不少的優(yōu)勢(shì)，能達(dá)到比傳統(tǒng)整流電源更高的性能指標(biāo)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（１）無(wú)功功率及其波動(dòng)顯著減少，相應(yīng)的閃變也大大減少。這樣就可以考慮省去SVC裝置。

（２）減少了總的電流、電壓諧波畸變。原因有兩個(gè)，一是整流變壓器一次側(cè)的基波電流較??；二是各個(gè)半橋的α1≠α2，設(shè)α=α1-α2，在α變動(dòng)20°時(shí)，5次諧波移動(dòng)100°，而７次諧波移動(dòng)140°，對(duì)每次諧波來(lái)說(shuō)，總有一個(gè)α1和α2值使這次諧波相抵消。這樣，總的諧波畸變都有所改善。

（３）系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行功率因數(shù)。由于功率因數(shù)較高，新型整流電源的整流變壓器就不需要調(diào)節(jié)電壓的多抽頭轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，其設(shè)計(jì)容量也可適當(dāng)減少，從而使整流變壓器的成本和維修費(fèi)用降低。

（４）新型整流電源的過(guò)流能力強(qiáng)。這是由于直流電流交替地通過(guò)晶閘管和續(xù)流二極管輸出，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間是可變的，導(dǎo)通時(shí)間越短，其輸出電流可越大。這種過(guò)流能力可用于恒無(wú)功功率的運(yùn)行狀態(tài)，以降低閃變；也可用于恒有功功率的工作狀態(tài)或增加直流輸出電流，以提高生產(chǎn)率。

（５）降低了初次投資費(fèi)用。盡管新型整流電源由于增加了續(xù)流二極管使整流裝置價(jià)格增加了20%～25%，但采用新型整流電源后，高壓側(cè)不需要設(shè)置SVC裝置，無(wú)功功率補(bǔ)償電容減少，諧波濾波電路簡(jiǎn)化，以及整流變壓器不需要電壓分檔轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，這些使得新型整流電源的總費(fèi)用顯著降低。另外，在相同的晶閘管配置情況下，新型整流電源可增加直流輸出電流，提高生產(chǎn)率。在保持相同的直流輸出電流和生產(chǎn)率的情況下，可將整流變壓器的容量減少20%，從而進(jìn)一步降低投資成本。