SVC对电弧炉闪变补偿效果的计算机仿真研究文档格式.docx

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作为闪变指标后，由于该方法是利用长时间的累积概率函数对闪变进行统计判定，原来的设计和评估方法不再适用。

而利用计算机仿真的方法事先对安装补偿装置后系统的闪变状况进行分析，是一种经济有效的分析方法，所以国际上对建立适用的仿真模型的研究一直受到广泛的关注[3－6]。

本文根据国内外在该领域的研究成果，并结合我国的实际运行经验，在EMTDC/PSCAD上，首先对现有的电弧炉和闪变仪模型进行分析，对模型参数进行了优化，建立了适合我国实际情况的模型。

其次建立了实用的SVC模型，并据此建立了采用SVC的电弧炉闪变补偿系统的模型，并利用计算机仿真的方法，通过对既有文献中所研究的实际系统，进行了大量仿真试验，仿真结果和原试验结果的比较证明了所提出模型的正确性。

2电弧炉和闪变仪

2.1电弧炉模型

为了分析电弧炉的闪变，本文采用了文献[3]中的模型，并进行了必要的修改。

电弧炉模型见图1。

该模型分为两部分，前一部分用受控电压源、负电阻和二极管的组合模拟电弧炉的V-I特性，两个二极管交替导通用来模拟交流电弧炉的电极换向过程。

在原模型中负电阻分别串联在两个受控源支路中，然后并联在一起。

如果把并联部分看作一个回路，当电流很大而受控源电压很小时，回路中的两个二极管会同时导通，在回路中形成环流，因而在某些情况下，原模型不能正确模拟电极换向过程。

本文把负电阻拿到并联支路外侧，因此不存在两个二极管同时导通的条件。

模型的另一部分用随机函数来模拟变化的弧长，用控制环节模拟电弧炉的电极升降调节系统。

此外，这个模型还可以模拟电流小于最小值时的情况。

当电流小于最小值时，电弧断弧，而控制系统又会把弧长调整到参考值附近使电弧续燃。

只要合理设置弧长和参考电压，就可以模拟电弧炉在不同冶炼时期的状态，因而电弧炉模型可以用来研究不同阶段电弧炉的闪变。

图1三相交流电弧炉PSCAD仿真模型

2.2闪变仪模型

1986年,国际电工委员会（IEC）依据1982年国际电热协会（UIE）推荐,制定了闪变仪的功能和设计规范。

其功能结构如图2所示。

图2IEC闪变仪设计框图

方框1是电压适配器，用来把输入电压调节到闪变仪的输入范围，同时产生自检信号。

方框2是检波环节，用来把工频电压中的调幅波检测出来。

方框3反映了人眼对频率的选择性。

方框4模拟眼-脑的非线性觉察特性，同时还模拟人脑的短期记忆效应，它的输出是瞬时闪变视感度（Pf）。

方框5是闪变的统计评定环节，其中最重要的是短时间闪变值（Pst）的统计。

首先对瞬时闪变视感度进行分级，然后统计每级的时间概率，做出CPF（累积概率函数）曲线，最后根据IEC规定的算法，对不同的时间概率所对应的瞬时闪变视感度取不同的权重，计算出Pst。

本文的闪变仪模型是根据IEC标准设计的（图3）。

图3IEC闪变仪PSCAD模型原理图

图中上边的一排组件用来模拟框1～框4，其中的电压适配器由RMS模块和除法器来完成。

加权滤波环节中的带通滤波器由截至频率为0.05Hz的一阶巴特沃斯高通滤波器和截至频率为35Hz的六阶巴特沃斯低通滤波器来实现。

视感度加权传递函数用两个二阶传递函数模块实现。

平方低通滤波环节中的低通滤波器采用的是截至频率为0.53Hz的一阶低通滤波器。

剩下的部分用来对闪变进行抽样、记录和计算，输出是Pst。

两个时间常数分别对应统计开始时刻和统计结束时刻。

由于RMS模块达到稳定需要一段时间，因此数据统计的开始时刻应该在瞬时闪变视感度达到稳定以后。

在模型的统计模块中还调用了Matlab，用于绘制CPF曲线。

IEC闪变仪模型抽样频率为100Hz，分级数为1024，统计时间为10min，依据IEC的校验标准，得到如下结果：

表1Pst预期为1时的校验结果

每分钟变化次数

（%）

实测Pst

相对误差（%）

1

2.724

0.9951

-0.49

2

2.211

1.0061

0.61

7

1.459

1.0028

0.28

39

0.906

1.0133

1.33

110

0.725

1.0078

0.78

1620

0.402

0.9893

1.07

4000

2.40

1.0160

1.60

从表中可以看出，实测结果与预期值之间的相对误差在

以内，符合IEC标准规定的精度要求，从而可以证明本文中的闪变仪模型是正确的。

2.3电弧炉模型和闪变仪模型的仿真验证

本文首先对[3]中的例子进行了验证，并与文中的闪变统计曲线进行了对比（图4）。

仿真结果与[3]中的结果非常接近，说明该模型对瞬时闪变视感度的记录和统计是准确的。

图4闪变的统计曲线

对于短时间闪变值Pst，作者对[4]～[6]中的电弧炉实例进行了验证，仿真结果与实际结果相比误差很小，因此，本文中的电弧炉模型和闪变仪模型可以用来对实际电弧炉的闪变进行研究。

3SVC对电弧炉的闪变补偿

3.1SVC模型

SVC是目前电力系统应用最多、最为成熟的并联补偿设备，它也是一类较早得到应用的FACTS控制器。

SVC包括与负荷并联的电抗器或电容器，或二者的组合，且具有可调/可控部分。

可调/可控电抗器包括晶闸管控制的电抗器（TCR）或晶闸管投切的电抗器（TSR）两种形式。

电容器则通常包括与谐波滤波器电路结合成一体的固定的或机械投切的电容器，或在需对电容进行高速或非常频繁投切时所采用的晶闸管投切的电容器（TSC）等形式。

本文中的SVC模型是常见的固定电容+晶闸管可控电抗式（FC-TCR）SVC。

图5是SVC主电路结构图。

SVC由△接的一组TCR，滤波器和控制系统组成。

TCR支路采用触发延迟控制，形成连续可调的感性电抗。

滤波器由LCR支路组成，除了可以滤除特定次数的谐波外，还发出容性无功。

控制系统采集电弧炉和SVC中的电压和电流信号，经计算并通过控制环节给出控制量，最后输出晶闸管的触发信号。

图5SVC主电路

控制系统采用面向负荷的控制策略。

它首先利用派克变换将ABC三相电压和电流变换为

坐标系中的两相电压和电流，再根据瞬时无功功率理论分别计算负荷和SVC的瞬时无功功率，然后根据计算得到的负荷和SVC的无功功率，计算出需要投入的电纳，最后计算出晶闸管导通角。

图6是SVC控制系统的控制环节。

其左侧部分是用来计算瞬时无功的。

计算得到的无功功率，都用标幺值表示。

图6SVC的控制系统仿真原理图

图7是触发脉冲发生电路的结构。

图7SVC触发电路原理图

3.2仿真

为了验证文中模型的正确性，本文采用了[7]中的实例进行仿真。

FerriereNordSpA为一个位于意大利北部的钢厂，自2002年起安装了一台SVC用于抑制电弧炉引起的闪变，同时提高电弧炉的生产率以及节能。

如图8所示，电弧炉通过配电变压器连接到短路容量为3000MVA的220KV母线，配电变压器初级/次级额定工作电压220/21KV，容量100MVA，百分数阻抗13%。

电炉变压器额定容量75-85MVA，二次侧电压调压范围21/435－997V，百分数阻抗6.5–8.5–21.0%，电炉变压器一次侧还串联有1.6

的固定电抗器。

图8钢厂电弧炉与SVC单线接线图

公共联结点（PCC，220KV母线）处的闪变可以用经验公式

[7]来估计。

式中

和

分别是电弧炉和供电系统的短路容量，

是衡量闪变严重度的因数，对于闪变较严重的时期，一般在75左右。

结合前面提到的数据可以估计，如果没有投入补偿设备，220KV母线上将会有严重的闪变。

为了减小闪变，21KV母线上装有SVC。

SVC由TCR和滤波器组成。

TCR容量90Mvar，滤波器有三组，分别用来滤除2次、3次和4次谐波，每组容量均为30Mvar。

投入运行后，Pst值没有超过1.3，满足要求。

仿真中电炉变压器二次侧电压设为997V，电弧炉单相电极间电压在0到810V之间变化，因为这样可以仿真闪变最严重的情况。

仿真时间为50s，30s时投入SVC。

闪变仪的统计时间为20s。

表2给出了仿真与实测结果的对比。

图9是投入SVC前后瞬时闪变视感度（Pf）的仿真曲线。

仿真结果与实际结果十分接近，因此可以证明利用本文提出的模型对SVC对电弧炉闪变的补偿作用进行仿真研究是可行的。

表2

Pst（SVCOFF）

Pst（SVCON）

实际值

3.7

1.3

仿真值

3.60

1.28

图9SVC投入前后瞬时闪变视感度（Pf）的仿真对比

4结论

作为一种严重的冲击性负荷，电弧炉引起的闪变问题一直受到电力公司和用户的广泛关注。

而如果在系统设计阶段就对能SVC等补偿装置对电弧炉闪变的抑制效果进行评估，具有重要技术与经济意义。

针对该问题本文提出了一个利用SVC对电弧炉的闪变进行补偿的计算机仿真模型。

该模型包括基于统计规律的电弧炉，符合IEC标准的闪变仪模型，以及SVC模型，并用这三个模型实现了实际系统的仿真。

仿真结果和试验结果的一致性表明本文中的模型是合理的，可以用来研究SVC对电弧炉闪变补偿效果，从而为电弧炉补偿用SVC的设计提供依据。

参考文献

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机械工业出版社，2004

SimulationResearchontheEffectivenessofArcFurnaceFlickerCompensationusingSVC

LiuXiaoyu,ChenJianye

（StateKeyLabofPowerSystemDept.ofElectricalEngineering,

TsinghuaUniv,Beijing,100084）

[Abstract]NowadaysSVCiswidelyusedtocompensateflickercausedbyarcfurnace.However,theevaluationofitseffectivenessinthedesignstageisstillaproblemunderstudy.Basedonstudiesinthisfield,animprovedarcfurnacemodelaswellasanIECflickermetermodelisproposed,andbymeansoftheauthors’SVCmodelbeingused,modelofthewholesystemisimplementedinthispaperwhichpresentsarcfurnaceflickercompensationusingSVC.ThesemodelscanbeusedtoevaluateshorttermflickerindexesdefinedintheGBstandard.Thesimulationresultsarewellconsistentwiththefact,whichprovestherationalityofthemodels.ThemodelscanbeusedtostudyarcfurnaceflickercompensationwithSVCinuse,thusareofgreatvalue.

[Keywords]arcfurnace,flicker,flickermeter,SVC

作者简介

刘晓宇（1982-），男，硕士研究生，从事电力系统无功补偿和电能质量的研究。

Email:

liu-xy@

陈建业（1946-），男，研究员，博士生导师，从事无功补偿、电能质量和谐波治理的研究。

图6SVC控制系统原理图

图7SVC触发系统原理图