晶闸管整流电源技术方案.docx
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晶闸管整流电源技术方案
1.概述
1.1基本要求和技术指标
63MW晶闸管整流电源是大功率电弧加热设备的主要组成部分,主要为专用大功
率电弧加热设备提供电源。
该电源由主回路、控制系统构成。
主回路由交流进线部分、晶闸管整流器、直流回路等部分构成。
控制系统由模型计算机、整流器控制器、信号检测装置、触发隔离电路、保护电路等部分构成。
整流电源的主要数据为
额定输入电压:
10kV
额定输出电流:
3kA
输出功率:
63MW
分组数量:
4
单组最大功率:
16MVA
单组额定输出:
3000A,5500V
主要技术指标
恒流特性输出时要求
调压范围:
0-空载电压连续可调
恒流偏差:
1
电流调节响应时间:
20ms~40ms(能人工设定)
调节时间:
300mS-3000mS(能人工设定)
电流调节超调量:
<20%
调节过程中动态偏差:
<5%
回升时间:
100mS
晶闸管整流电源其它功能要求
(1)供电特性
电源输出电压能够自动平滑调节;
电源的整体控制能满足加热设备不同工艺要求;
电流给定,起弧电压给定以及各反馈环节工作可靠,性能稳定,相同状态下电参数应准确重复;
(2)运行工况
63MW电源采取负极接地方式。
可分为两套独立的电源同时或单独运行。
并
满足以下运行工况:
运行时间(秒)
间隔时间(分钟)
运行的电源功率
20
60
63MW
300
120
50MW
3000
240
35MW
(3)机组组合和运行方式
整流机组可以通过串、并联输出满负荷运行,供电参数如下指标:
电源
额定输
额定输
额定
用户
出电压
出电流
功率
10500V
6000A
63MW
一路
14000V
3000A
42MW
单台
输出
加热器
3000A
63MW
21000V
两路
2×7000V
2×3000A
2×21MW
双台
输出
2×10500V
2×3000A
2×31.5MW
加热器
也能满足电弧加热器的主要工作点
加热器类型
电弧电压(V)
电弧电流(A)
电弧功率(MW)
500
200
0.1
1600
600
1
3500
1700
5
单台管弧
4500
2200
10
加热器
5000
3000
15
7000
3000
20
6000
4000
24
10000
3000
30
13000
3000
39
1900
500
1
4200
1400
5
单台长分段
5400
1800
10
6000
2400
15
加热器
8400
2400
20
7500
3000
24
12000
2400
30
15600
2400
39
双台长分段
4500V×2
2000A×2
9×2
6000V×2
2000A×2
12×2
加热器
6000V×2
3000A×2
18×2
单组运行时构成
12相或以上整流,全系统构成
24相或更多相整流。
多机组串联运行时,应允许在试验过程中一组或多组退出运行,允许若
干组机组交流侧不供电投运,该机组作为其它机组串联运行通道使用。
允许在实
验过程中,投入新的机组
多机组串并联运行时,电源调节方式应满足以下要求:
a.加热设备启动时采取等α角控制;
b.运行过程中(含启动过程),允许一组机组定α角运行(即恒压运行)其
他机组等α角控制实现恒流特性;
c.电弧电流达到预定值后,系统允许在等α角控制和顺序控制两种方式中
选择.
(4)变参数运行
变参数运行应包括以下两种情况:
a.电弧电流呈阶梯状变换,每一阶梯的电流稳态值和运行时间预知,每节阶梯电流变化不小于30A试验时间不小于1秒;
b.根据提供的电流拟合曲线或电流随时间变化的函数,试验中按曲线或函数变
换电弧电流运行。
变参数运行时,对电弧调节过程的要求,同电源系统指标中关
于动态偏差和回升时间的要求;
(5)保护装置。
保护装置应注意:
a.有效抑制各类整流器故障(含桥臂短路、直流端短路、不触发等故障)、整流器交流侧故障等引起的过流现象;
b.交流系统中的冲击过电压、操作过电压、整流器异常动作产生的过
电压、母线接地引起的陡波过电压等各类过电压,应有有效措施克服;
c.应充分考虑通过整流器的控制作用,减少各类过流、过压现象对系
统的影响;
d.所有的保护动作应报警显示故障并自动记录;
e.所有作用于跳闸的保护动作必需手动复归.
(6)通讯和数据传输
为了及时对试验结果进行分析和处理,电源系统采集到的运行参数能够传输
到电弧加热设备的数据处理系统。
与通讯相关要求在设计联络阶段确定。
(7)直流母线的绝缘监视
电源采用负极母排接地。
直流母排对地绝缘为70kV,须对直流母排进行绝缘
监视。
绝缘监视器应配备声光报警。
(8)谐波污染及无功补偿
在63MW电源研制过程中,应结合电源的特点,从主回路方案到控制系统
以及设备制造等方面都要采取措施抑制谐波污染。
在110kV变电站中预留空间,
待63MW电源建成后,采取措施治理谐波和进行无功补偿。
1.2我公司方案的特点
经过对701所现场情况的调查研究,结合我公司对大型直流电弧加热设备的
工程经验,推出主回路为多组整流桥串联方案,控制系统为全数字控制系统加神
经元网络前馈补偿方案。
我公司提出的方案有如下特点:
(1)并联二极管的整流器
高电压大电流电弧加热电源需要将晶闸管串联使用。
串联方式分为晶闸管元件串联和整流桥串联两种方式。
采用晶闸管元件串联方式,整流桥每个桥臂需要5只元件串连,可以输出5250伏的额定电压,然后4个这样的整流桥串连,可以提供21000伏的额定输出能力。
由于采用晶闸管串连,需要元件的导通特性尽可能一致,而且变压器的短路阻抗比普通的整流变压器要高较多。
采用桥串联方式,与元件串联相比,桥串联技术具有均压系数为1,触发方便,线路简单,可靠性高的优点。
但要求解决裂解变压器的设计问题。
我公司掌握多裂解变压器设计的关键技术,为晶闸管整流桥串联方案奠定了技术基础。
晶闸管元件串连技术和桥串联技术已多次用于无功补偿、交流调速和磁悬浮电源等工程实践中。
采用两种技术都可以通过变压器组合实现24相供电,减少对电网的污染。
采用并联二极管的整流器可以提高功率因数。
法国的CEGELEC公司已将这
种技术应用于直流电弧炉。
(2)全数字控制器
整流器的控制系统采用全数字32位的SimadynD系统。
该系统是全数字、
可自由配置的模块化控制系统,通过选用不同的硬件模板,并使用CFC程序编
辑软件,即可完成许多复杂的控制功能。
近年来常用于大功率直流电机传动、交流电机传动及高功率直流电弧炉的整流器控制。
该系统有足够的输入/输出接口,集电流闭环控制和逻辑顺序控制于一身,速度快精度高可靠性高。
该系统具有良好的通讯能力,现场信号可以通过PROFIBUS-DP网络从远程I/O站输入/输出。
上位模型计算机的参数可以通过工业以太网输入/输出。
(3)前馈防断弧模型
和高功率直流电弧炉相似,直流电弧加热设备也有防止断弧的要求。
一般来
说,电弧的长度与弧电压有关,电弧的粗细与弧电流有关。
通常整流电源为电流
闭环控制,在设定值不变时,弧电流恒定。
如果在外因作用下弧长加大,则需要移相角(α角)及时前移,使输出电压提高,维持弧电流不变,保持不断弧。
我公司采用基于数学模型的前馈控制,以提高控制系统的动态特性。
前馈模型根据资料,用神经元网络模型算法把外来扰动因素对移相角进行前馈补偿,提高快速响应能力,防止断弧。
数学模型求解采用查表法与神经元网络在线相结合方式,既能保证精度,又能保证在线实时性。
因我公司有炼钢直流电弧炉控制的经验,炼钢电弧炉由于短路频繁发生,对控制系统的动态控制特性有苛刻要求,实践经验可以保证本系统的成功。
有用神经元网络建模和前馈控制的经验。
研究成果多次获得科技进步奖。
(4)其他应用技术
脉冲光纤传输技术(实现移相脉冲高低压侧隔离)、高压侧脉冲功放技术(在高压侧把光脉冲转成电脉冲需要解决电源问题,具体有磁环隔离法和利用晶闸管电压法)、模拟信号光纤传输技术(解决从高压侧检测电流、电压实际值的问题)、主回路参数计算等实用技术在我公司多项工程项目和科研项目中都有应用的实例。
(5)电磁兼容性
EMC技术要求电气设备能够承受外来的电磁干扰,同时还要求电气设备尽
可能减少对外的电磁干扰。
这样就要求在设计电气装置时要考虑电源方式、接地、
屏蔽、印刷电路板的设计、器件的相互位置、浮地系统抗扰性等诸多方面的因素。
由于我公司大量的工程实践多次遇到EMC的课题,在解决问题的过程对EMC
不断深入认识,已形成一系列规范化措施,提高了设备的抗电磁干扰的能力。
晶闸管整流器又是一个噪声源,必须有相应的措施使对外界的影响最小。
除
了在电网侧设置谐波吸收装置之外,主回路的电气结构、机械结构也很重要。
2.63MW电源的初步设计方案
2.110kV高压配电系统
来自110KV变电站的10kV电源进线通过电缆引到高压开关室。
采用晶闸管元件串连方式,需要在高压开关室放置容量稍大的2台高压开关柜,
每台高压开关柜接一台整流变压器。
而采用晶闸管桥串联方式,需要在高压开关
室内装有4台容量小的真空开关柜。
10kV系统采取单母线接线方式,每段10kV
母线下接入4台整流变压器(4台整流机组)。
内容包括:
真空断路器,电流互感器,隔离手车,高压熔断器,电压互感器,避雷器,带电显示器等器件。
还需一套直流蓄电池电源装置为高压配电装置提供分/合闸电源。
直流蓄电池电源的容量为90AH。
2.2裂解整流变压器
裂解变压器是近几年我公司参考国外产品开发的新技术,已在几个变压器厂推广生产,在多个工程中应用并取得很好的效果。
这种新技术完全取代进口,成为我公司的关键技术之一,已有工业应用数十例。
变压器容量的计算
(1)采用晶闸管元件串连时,选用两台裂解式变压器,每台变压器有两个
副边绕组,每台变压器构成12相整流,两台变压器对供电电网形成24相整流。
采用这种方式供电可以使供电谐波基本满足国家标准。
变压器每个二次绕组电压相同,计算依据如下公式
U
U=
KUV(bcos
MN
nUdf
min
KX
e
ITmax)
100
ITN
可计算得出变压器二次电压为5100伏
变压器二次电流为(1.06*3000)*0.816=2600A
二次单组视在功率:
1.732*5100*2600=22.97MVA
这样每台变压器容量为45.93MVA,因变压器在正常运行时不会长时间运行,
实际变压器取为45MVA
考虑到晶闸管元件串连运行,并且不设快速熔断器,参照国外同类设备的取值及我公司的经验,变压器的短路阻抗取为20%,变压器的接线方式Y/△/Y,△/△/Y。
绝缘水平:
阀侧绕组对地耐受70kV,故障诊断包括:
轻瓦斯,重瓦斯,
过温度等开关量信号,用于保护。
空载电流:
1,油浸强制风冷。
(2)如果采用晶闸管桥串连的方案,本设计选用4台裂解式变压器构成12
相整流,有效减小电网高次谐波,每台整流变压器为五个副边绕组。
五个绕组须
电磁特性对称。
每台整流变压器的参数为:
22.5MVA,10kV/1000V,Uk=7%,
空载电流:
1,油浸强制风冷
绝缘水平:
阀侧绕组对地耐受70kV
故障诊断包括:
轻瓦斯,重瓦斯,过温度等开关量信号,用于保护。
1-4#变压器的接线方式分别为:
Y/△/,△/△,Y/△,△/△
同样依据上述公式,整流变压器二次绕组的计算:
二次电压计算值为989V
考虑到防断弧电压裕量取1000V
式中系数1.1是考虑到电网电压有10%的压降波动;
1.93是考虑到输出电压为4800V时移相角在20度,防断弧移相角有l5度裕量,每个变压器的留有50VX4=200V的防断弧电压裕量。
副边电流:
(1.06*3000)*0.816=2600A
副边单组视在功率:
1.732*1000*2600=4.50MVA
副边五组总视在功率:
4.50*5=22.51MVA
变比:
10000/1000=10
原边核算
原边电流:
2600A*5/10=1300A
原边电压:
10000V
原边视在功率:
1.732*10000*1300=22.51MVA
变压器取22.5MVA符合要求。
2.3晶闸管整流器
2.3.1概述
采用晶闸管元件串连方式组成六相整流桥,变压器二次绕组减少,而且不需
要象晶闸管桥串连方式那样裂解变压器,拓扑简单。
缺点是需要考虑元件串连带
来的均压问题及更换元件时的参数匹配问题,由于晶闸管元件串连连接,为保证
可靠换相,变压器二次绕组短路阻抗一般应在15%-20%。
采用多组整流桥串联方式,每台整流变压器的每个副边绕组接一个三相全控
整流桥,避免了元件串联带来的均压问题和更换元件时参数匹配问题,使均压系
数为1。
本方案吸取法国塞热莱克公司(CEGELECMS)直流电弧炉新型整流器
的优点,用续流二极管提高深控时的功率因数,兼作串联整流桥的电流通道,使
得若干机组可以方便地进入或退出工作。
调压变压器中有载调压开关的机械结构很复杂。
这将带来价格昂贵,故障增多,维护不便,检修困难,运行成本增加等诸多问题。
半导体可控元件的出现给
直流电加热装置带来了新思路。
适当地改变主回路的结构,就可以省去结构复杂的调压变压器。
当前国内外许多直流电弧炉已基本不采用调压变压器。
总之,这种新型整流器的优点是:
(1)降低初投资
省去有载调压开关;
功率因数高,只要有普通滤波装置就可以满足谐波和无功补偿的需要,无须动态无功补偿设备;
二极管易于实现机组进入或退出,控制系统简化;
使用裂解变压器和整流桥串联的技术,使得主回路均压和绝缘简化,
省去强触发的BOD电路;
体积小,相应减少建筑面积。
(2)降低运行维护成本
无须有载调压开关的维护费;
过流过压能力提高,效率提高,减少电耗;
功率因数高,谐波少,减少电费;
省去SVC(动态无功补偿)的运行维护费用;
触发电路简化,可靠性提高。
(3)其他
减少电源闪变,提高用电质量;
减小对上级电网容量的需求;
降低与无功损耗和闪变有关的干扰。
如采用晶闸管元件串连方式,每台整流器需30只晶闸管元件10只二极管构
成,整个系统需要4个整流桥,120只晶闸管元件,40只二极管。
如采用晶闸管
桥串连方式,本设计中同样每台整流器由
30只晶闸管元件(5组桥,每桥
6只
元件)和10只二极管构成,整个系统与晶闸管串方案相同。
晶闸管和二极管分
别安装在2个槽钢框架上,与地之间的绝缘按70kV设计。
晶闸管框架中包括三
个元件串,每串8只晶闸管元件和8套吸收阻容。
二极管框架中包括2个元件串,
每串5只二极管元件。
晶闸管选用本公司产品。
吸收电路的电容选用德国ELECTRONICON公司产品。
吸收电路电阻采用国产优质产品。
晶闸管框架的外形尺寸为:
1520X1920X850(W×H×D)。
二极管框架的外形尺寸为:
1200X1770X600(W×H×D)。
2.3.2晶闸管和二极管的选择
晶闸管选用我公司产品
KP3300A/4000V
管芯直径
4英寸的元件。
电流裕量的核算
当电流安全裕量为直流电流的
3倍,即
3000A*3=9000A
折算到每个桥臂的晶闸管为:
9000A*0.367=3303A
9000A*0.318=2862A
(α≤60゜)
(60≤α≤120゜平均值)
所以,满足电流裕量的要求。
在冷却水温<35度,流量>3升/分时,晶闸管的结温将不超过95度。
电压裕量的核算
变压器二次侧电压为1100V,考虑晶闸管承受的最大电压时:
1.414*(1100V*1.05)*2.45倍=4000V
选用4000V以上的晶闸管完全满足电压裕量要求。
根据我公司多年实践经验,
这种指标足以保证设备安全可靠运行。
二极管选用我公司生产的ZP3500A/4000V的产品,因作续流二极管,
3500A*1.57=5495A
两只二极管并联后完全满足电流裕量要求。
2.3.3直流回路的设计
直流回路中主要包括:
电抗器、分组切换用电动隔离开关、真空开关、镇定
电阻、分流器等。
直流电抗器按电流连续原则设计,共用2台平波电抗器,每台为
0.5mH/3000A。
用2台电抗器的好处是灵活,无论整流器怎样分组,电抗值都不会过大,提高动态响应能力。
本设计共用6台单刀单掷电动隔离开关。
采用仿日本高岳产品的电动机构。
因为SimadynD控制系统中电子过流保护的响应很快,本系统不设置直流快速开关。
2.4风冷系统
2.4.3冷却容量的计算
当整流器上的晶闸管导通时二极管不通,按每只晶闸管发热为
2.5kW计算,
2台机组共有60只晶闸管,其发热量为:
2.5X60=150kW。
每只吸收电阻的发
热为1.2kW,60只电阻不同时工作,其发热量为20kW。
2.5控制系统
2.5.1控制器
控制器的主要功能是完成核心的控制。
当整流器作为电流源时,控制器要完
成电流闭环控制。
当整流器作为电压源时,控制器要完成电压闭环控制。
此外,控制器还要完成脉冲形成、脉冲分配、脉冲功放、α角校正等功能。
控制器选用核心器件由西门子公司生产的SimadynD控制系统。
该装置为全数字型控制器,结构紧凑,节省空间。
所有的开环和闭环控制以及通讯功能由两台强大的微处理器实现。
这种控制器可以灵活地组态和编程,以控制不同的工艺
设备。
通过串行接口,标准的PC机也可以对控制器设定参数。
模型计算机和人机接口可以在线修改控制器内部的参数,以适应不同的工作状况。
每组脉冲都要通过电光转换器转成光脉冲信号,在主柜的光电转换器中转成电脉冲,加到晶闸管的控制极上。
这个光电转换器的工作电源要各自独立,对地绝缘要达到30kV的等级。
整流器的操作连锁采用远程I/O站ET200M输入/输出现场信号。
这些信号包括真空开关、隔离开关、主回路联锁信号、冷却系统的温度信号等。
远程站和
SimadynD之间通过Profibus-DP网通讯。
Profibus-DP最大传输速率是12Mbps。
远程I/O配置
共3个站
ET安装导轨UR
3个
ET电源模板PS
3个
ET接口模板153
3个
ET数字量输入模板,
16点
9块
ET数字量输出模板,
16点
9块
ET前汇线端子,20针
若干
2.5.2信号检测
整流器的检测信号主要是输出电流和输出电压。
电流检测有2种方法。
第一
种方法是在每台整流变压器的副边进线电缆处安装电流互感器,这里检测的是4
个三相桥的电流,经过最大值选择器选出4个三相桥中电流最大者,作为电流反
馈信号。
第二种方法是利用串联在直流回路的分流器检测电流,经光电隔离后送
到控制系统。
电压是在直流回路的取样电阻上检测的。
也要光电隔离后送到控制系统。
2.5.3光电隔离装置
主回路交流侧和直流侧对地电位为30kV,而控制系统与地等电位,所以,凡是主回路和控制系统之间的信号(触发脉冲和电压、电流的检测信号)都要光电隔离,用光缆传输。
光电隔离装置分为传输脉冲信号和传输模拟量信号两种。
我公司已经研制了这两种光电隔离装置,并在工程中应用,传输效果和可靠性都十
分令人满意。
在高压侧检测到的模拟量,要通过高压检测-变送器的前端装置变成光脉冲序列,通过光缆传输到后端,再变成电气的模拟量信号。
这种检测变送器的主要参数为:
供电电压:
AC220V±10%
线形度:
±0.05%max
工作温度:
-55-125℃
温度漂移:
<500ppm/℃
入口信号:
0-10V
输出信号:
0-10V
中间信号:
50Hz-500Hz
光纤传输距离:
1000m
2.5.4前馈控制数学模型
为了完成移相角前馈控制,本方案采用一台工业控制计算机作为前馈数学模
型的计算。
计算机和SimadynD控制系统之间采用工业以太网通讯。
该工控机还安装WINCC软件,用以完成人机接口和画面显示功能,并实现数据处理。
大功率电弧加热设备的控制,其目的是根据试验的气体流速、压力和温度的
要求,控制大功率电源的电流,并满足动态特性和稳态精度要求。
控制方案由两部分组成:
前馈控制和反馈控制。
反馈控制是由SimadynD控
制系统完成。
来自人机接口的电流给定值和实际电流值经过电流调节器比例积分调节后(可加入微分反馈调节),形成α角控制,保证实际电流跟随给定值。
前馈控制是建立反映整流设备晶闸管导通角与电流、气体特性(流速等)之间的关系的数学模型。
求解数学模型采用查表法与神经元网络在线计算相结合方式,计
算出α角的补偿值,加到整流器的α角控制中。
反馈控制和前馈控制相结合,既保证了稳态精度又提高了系统的动态特性,使外部扰动和模型本身误差的影响减至最小。
1.数学模型
电弧加热设备用于将电能转变为热能,加热实验仓内的气流温度,以满足试
验测试要求。
电极两端电弧弧压Vc(Ia,m△)与弧流Ia、实验仓内质量流速m△呈非
线性关系:
Vc=Kvm△e(L/D)fpg
Ia=KIham△b(L/D)cexp(d.p)
m△=pAKmhk
式中:
a,b,c,d,e,f,g,KI,Kv,Km为常数,
p为舱内气体压力,
h为总焓,
L为电弧长度,
D为电弧直径,
A为喷嘴的截面积。
此外,电源输出电压Va是整流设备晶闸管导通角α的函数,而且,不同频
率下弧压也会有波动△Vc。
考虑上述因素后,即可得出弧流变化的函数关系:
dIa/dt=f(Ia,α,m△,△Vc)。
其中,α是输入,Ia是状态变量,m△和△Vc是扰动变量。
2.前馈控制的实现方案
前馈控制
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