基于TCR_TSC的电弧炉无功补偿仿真研究

唐微，赵辉，岳有军

（天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津300384）

在现代钢铁生产行业中，电弧炉以其控制灵活，运行可靠，冶炼时间短，产品质量高，投资成本低等优点得到了广泛的应用。然而由于其本身具有高度非线性、强耦合、大时滞的特点，运行过程中不可避免地给电网造成严重的不良影响，如降低供电网络的功率因数，增加配电网络的能量损失，使电能利用率降低等。

文献[1]介绍了由大型电弧炉引起的电能质量问题以及抑制方案，并分别介绍了各方案的优缺点和适用条件。但是仅限于理论研究，没有进行仿真验证。文献[2]提出了一种由静止无功补偿装置和有源滤波器相结合的新型综合补偿系统。由于该装置，通过构造合理的拓扑结构，实现对SVC和APF的分散控制。但是该方案并没有实现两者的联合控制，也没有从经济上考虑采用混合有源滤波器与TCR的结合方法。文献[3]提出了优化电弧炉结构设计，采用内部减少对电网的干扰和外部补偿措施相结合的方法抑制电弧炉对电网的干扰，主张从电弧炉本身的设计和运行工况改善其对电网影响的现状，没有从根本上解决交流电弧炉引起的电能质量问题。

本文在分析电弧炉引起的电能质量问题的基础上，设计了静态无功补偿转置，该装置能够快速、准确地补偿馈送到电网侧的无功功率，抑制电压波动。通过搭建三相电弧炉电气系统仿真模型，采用TCR_TSC型SVC补偿无功。仿真表明，该系统能够明显改善动态电能质量，具有较理想的抑制效果。

1 电弧炉对电网的影响

电弧炉对电网造成的主要影响有：电弧炉在运行过程中电极升降，炉料坍塌导致电弧频繁的断弧和短路，对电网产生很大的冲击电流，引起电压波动和闪变；电弧电流本身为非正弦波，给电网注入大量高次谐波；电极的不对称运行产生大量的负序电流[4-6]。研究表明，以上问题是息息相关的，当电弧炉稳定运行时，谐波问题比较突出；当电弧炉处于调节状态时，电压必定和闪变问题较为严重。因此，应该综合考虑上诉问题以解决电弧炉对电网造成的危害。

以交流电弧电阻数学模型为基础搭建交流电弧炉供电系统模型[4]。

式中，A为最低弧柱温度对电弧电阻阻值的影响参数；B反映了弧柱温度变化对电阻阻值的影响；C为弧径变化的影响；D反映了气体热惯性的影响；L为弧长。

该模型具有物理意义明确、表达式简单、能够清楚表达电弧电阻外特性的优点。从表达式可以看出，该模型反映了弧长和电弧电流对电气系统的影响，适用于对电气系统进行谐波分析和抑制方面的工作。

2 TCR_TSC型SVC工作原理

2.1 无功补偿原理

静止性动态无功补偿器（Static Var Compensator，SVC），通过连续调节自身的无功功率，实现母线上的无功功率补偿。在抑制电弧炉对电网和本身的影响途径主要有以下2个方面：1）提高供电电压等级，即增加供电强度，提高短路容量，使得产生的影响在允许的范围之内。然而，负面影响并没有因此而消除，而是馈送到更高一级的电网中，这样层层积累，最终会导致更为严重的后果，因此，提高电压等级只是治标的办法；2）增加静补装置，SVC可以有效地补偿功率因素、滤除高次谐波、抑制电压波动和闪变、补偿中性偏移点，从而把影响控制在允许的范围内。

根据负载无功功率Qf的变化情况，可控硅自动连续改变电抗器的无功功率QL，使得总的无功功率QS等于0或者近似于一个常数[5]。当电弧炉负荷产生的无功功率Qf增大时，SVC的无功功率QL相应地减小。反之，QL相应地增大。无论电弧炉负荷无功功率Qf如何变化，QL+Qf的只始终为一常数，考虑滤波电容FC的无功功率QC，得电网的无功功率为QS=Qf+QL-QC即ΔQS=ΔQf+ΔQL=0。

理想情况下，滤波器设计的目的是使得注入电网的谐波电流It=Ift+ILT+ICT=0。而在实际工程设计中，滤波的投入应使得谐波电流控制在国家标准值的范围之内。

2.2 TCR_TSC型SVC工作原理及特性

晶闸管控制电抗器（TCR），是现代静止无功补偿器SVC的装药组成原件，同时也是一个较大的谐波源[6]。TCR的单相电路由两个反向并联的晶闸管和一个固定电抗器串联而成。TCR正常工作时，从电压峰值到电压零点的间隔内，触发晶闸管，使其电抗器由关闭进入导通状态。触发延迟角α决定了电抗器中电流i的大小。电抗器几乎是纯感性负载，因此电感中的电流滞后于其两端电压约90°，α=0°时，电抗器吸收最大感性无功，α=90°时，电抗器不运行，吸收感性无功最小。单相TCR的电压电流波形如图1所示。

图1 α=120°触发信号宽度为周期的5%Fig.1 α=120°trigger signal width is 5%of cycle

改变晶闸管的相位控制角α的值，可以改变TCR上的感性电流，从而改变TCR吸收感性无功的大小。TCR可看作一个连续可调的可变导纳，但只在感性无功范围内起作用。

晶闸管投切电容器（TSC）的单相电路由两个反向并联的晶闸管，串联一个可抑制电流的电感和电容器组成。TSC实际上等效于一个断续可调的动态投切式补偿器[7]，在实际工程中，通常把电容器进行分组，由电网无功的需要来决定要投切电容器的组数。TSC在运行中不产生无功，且具有损耗小，响应速度快，可分相补偿的优点。

如果电容器两端的电压发生突变，产生的冲击性电流容易损坏与其串联的晶闸管，因此，TSC的投切时刻（晶闸管的导通时刻）的选择很重要，精确控制晶闸管的投切时刻，可以实现TSC的无过渡过程投切。

由于TCR只在感性无功范围发生变化，而TSC只在容性无功范围内变化，在系统发生暂态过程，或者出现电压偏低的情况下，单一的TCR无法对稳压提供支撑，投入TSC发出容性无功快速提高电压，使得系统电压恢复到原来的状态。然而受系统控制精度影响，投入容性无功往往会超过需要值，这时所产生的多余无功量需要用TCR产生相应的感性无功来抵消多余的容性无功。因此，我们结合TCR和TSC各自的优点制成混合型静止补偿器，采用TSC作为分级粗调，TCR进行相控细调的控制方式[8]，可以实现补偿装置投切时间的精确控制，投入冲击电流小，无功连续可调的动态无功补偿器，即TCR_TSC型SVC。

图2TCR_TSC型SVC的电压电流特性Fig.2 The voltage and current characteristics of TCR_TSC type SVC

图3 为TCR_TSC型SVC的电压电流特性，图中折线0-A-a，0-B-b，0-C-c分别为TCR并联一组、两组、三组TSC所对应的电压电流特性曲线[9]。本文采用三组TSC，故特性曲线应为0-C-a。

图3 TCR+TSC主回路模型Fig.3 The main circuit model of TCR+TSC

2.3 TCR+TSC型无功补偿器

系统主回路模型如图3所示，TCR、TSC均以三角形连接，这种接线方式的特点是端电压固定[10]。滤波器的主要作用是消除TCR回路产生的高次谐波。

TCR_TSC型SVC的主要功能是：首先，根据需要补偿的无功电流值决定投入或切除TCR或者TSC支路；通过触发角控制TCR输出电流；计算过补偿的感性电流。

3 仿真与结果分析

地区配电变压器将高压线输送的110 kV变为11 kV，经过架空线介入工厂电弧炉变压器和配电变压器，在11 kV交流母线上接入TCR_TSC型SVC进行滤波。结果如图4—6所示。本文采用的电弧炉供电系统的相关参数为：①电弧炉变压器额定容量为Se=12 500 kV·A，Uk%=8%时，RT≈0 Ω，XT≈7.398 4×10-4Ω；②短网阻抗：R0=0.001 1 Ω，X0=0.003 733 8 Ω;③电弧炉电弧参数：TL=8 000K，TH=28 000K，C=1.01×10-4，L=25cm，cos φ=0.8，rc=0.45 cm，D+θ=-2.4 rad。

图4 滤波前PCC点电压波形Fig.4 The voltage waveform at PCC point before filtering

图5 TCR滤波后PCC点电压波形Fig.5 The voltage waveform at PCC point after filtering by TCR

图6 TCR_TSC滤波后PCC点电压波形Fig.6 The voltage waveform at PCC point after filtering by TCR_TSC

由于电弧炉主要产生2～9次谐波，表1中列出了滤波前后各次谐波在电网中的含量。可见，本文提出的采用TCR和TSC进行协调补偿的方法是可取的，滤波效果显著。

4 结论

本文详细分析了电弧炉供电系统的电气运行特性，将TCR_TSC型SVC无功补偿器引入电弧炉供电系统。采用MATLAB软件对西安某钢厂三相电弧炉仿真表明，采用TCR和TSC协调控制的SVC补偿系统，取得了较好的滤波效果。本文的工作有利于抑制电弧炉运行时产生的大量有害谐波，提高电能质量。

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