新型防晃电技术在整流系统中的应用

2021-08-26彭晓玮

中国氯碱 2021年7期

周斌，彭晓玮

（1. 江苏扬农化工集团有限公司，江苏扬州 225000；2.湖南科瑞变流电气股份有限公司，湖南株洲 412000）

晃电是指供电系统在正常运行中因雷击、对地短路、发电厂故障、大功率设备的投入或切除及其他原因造成电网电压短时大幅波动，甚至短时断电的现象[1]。氯碱行业中特殊的工艺环境对供电的可靠性有极高的要求，在工艺生产的过程中绝对不允许因供电的原因影响设备的安全性和稳定性。但随着环网和并网日益增多，馈电容量日益扩容，晃电现象发生的频率越来越高。晃电的存在可能会导致设备的损坏，造成经济损失，甚至导致事故的发生。

为保证整流系统安全平稳运行，本文针对晃电进行了简要的分析，研究了现代工业对晃电的部分处理措施，提出了一种新型的用于整流系统的防晃电技术，并进行了仿真和实验验证。

1 晃电

1.1 晃电的基本类型及特点

晃电的基本类型共有4 种，即电压骤降、骤升、短时断电、电压闪变[2]。分别定义如下：（1）电压骤降，电压下降至标称电压10%～90%，且持续时间为10 ms 至1 min （典型持续时间为 10～600 ms）；（2）电压骤升，电压上升至标称电压110%～180%，且持续时间为 10 ms 至 1 min；（3）短时断电，持续时间在0.5 个周波至 3 s 的供电中断[3]；（4）电压闪变，电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化，一般表现为人眼对照明异常所引起的视觉感受。

本文所提及的“晃电”是指电压骤降这一类型，也是最常见的一种晃电形式。

1.2 晃电的危害

整流系统为离子膜电解提供了连续、稳定的电源，是氯碱工业连续性生产中至关重要的环节。虽然晃电持续时间比较短，但对整流设备的影响却十分巨大。发生晃电时，整流器会因电网电压降低，致使输出电流降低，整流器可能输出饱和，仍无法达到电流设定值；且在晃电结束的瞬间，整流系统可能会出现过电流，对电解槽离子膜造成电流冲击，加速离子膜老化，削减离子膜的使用寿命，增加生产成本。

2 防晃电的措施

随着现代科学技术的发展和市场需求的增加，研究出各种各样的防晃电方案。

2.1 使用防晃电设备

目前，使用最广泛的防晃电设备是不间断电源（UPS）和防晃电交流接触器。前者在晃电发生时自动启动，为电路持续供电，确保电路正常运行；后者在控制电压突然跌落到非正常工作电压时，将欠压信号传输到控制电路中，控制系统立即对信号做出分析，使接触器在设定的延时时间内处于保持状态，达到“躲过”晃电，保持供电的目的。

2.2 运用防晃电技术

晃电是客观存在的，是人力无法彻底根除的。虽然UPS 和防晃电交流接触器在防晃电方面应用较多，但不可避免地存在局限性。UPS 能储存的电力无法支持大功率设备的运转，不能发挥出有效的防晃电效果[4]。防晃电交流接触器本身易损坏，施工量大，经济性低[5]。在大功率整流系统中，这两种防晃电设备均不适用。

基于上述情况，本文提出了一种新型的用于整流系统的防晃电技术，无需额外增加任何设备，就能防止晃电带来的不良影响。其基本思想是利用整流控制系统的快速性和准确性，检测到晃电的发生和结束，迅速切换运行状态。

3 新型防晃电技术的原理

3.1 控制策略

整流系统在正常运行的过程中，其输出电流和触发角会稳定在一定范围内，且输出电流与电流设定值相等。当晃电发生时，整流系统的输入电压骤降，引起其输出电流降低，为了使输出电流与电流设定值保持一致，控制器立即增大触发角。然而在晃电结束的瞬间，整流系统的输入电压瞬间恢复，但触发角仍保持较大的值，导致此时整流系统的输出过电流，如图1 所示，Ui表示整流系统的输入电压的有效值，Uo表示整流系统的直流输出电压。

图1 整流系统输入、输出电压示意图

虽然可通过增快整流系统的响应速度来解决过电流问题，但过快的响应速度，可能会适得其反，使得整流系统的输出产生振荡。

针对以上问题，设计了新型防晃电技术的控制策略。当控制器检测到晃电发生，切换至开环模式，将触发角锁定在晃电发生前稳定状态的角度，整流系统继续输出。当控制器检测到晃电结束的瞬间，控制器切换至闭环模式，整流系统恢复闭环稳态，继续稳定输出。

3.2 状态切换原理

整流系统的工作状态主要分为4 种，即初态，瞬态，开环运行和闭环稳态。初态是指整流系统的输出电流、电压为0，触发角为0°时的工作状态；瞬态是指整流系统处于升/降电流的状态；闭环稳态是指系统处于反馈控制下且输出电流值与设定值偏差不大的状态；开环运行是指晃电发生时，系统处于固定触发角运行的状态。当满足相应的切换条件时，部分状态之间可实现转换。

无晃电发生时，整流系统正常运行。首先，整流系统处于初态，此时没有输出；然后人工进行升/降电流的操作，整流系统的输出电流没有达到设定值，处于瞬态；当整流系统的输出电流与设定值相等，且触发角保持稳定时，处于闭环稳态。

一旦晃电发生，控制器检测到输出电流骤降超过设定值的10%，立即做出相应的处理：其一，控制器锁定为晃电前闭环稳态下的触发角；其二，控制器切换到开环运行状态。

当控制器检测到输出电流值与设定值相差较小且保持稳定后，即检测到晃电结束，控制器切换至闭环稳态，整流系统恢复正常运行。

4 仿真与实验结果

4.1 仿真结果

针对本文提出的整流系统防晃电技术，使用MATLAB 进行了仿真实验，仿真模型分为两大部分。第一部分为三相交流电仿真模型，采用两个阶跃信号叠加并与三相交流电源模块相乘，模拟晃电现象；第二部分为可控硅整流器的输出仿真模型，包含采样滤波处理和PI 运算。

仿真的基本条件：三相交流电每相的峰值为311 V，负载阻值为0.031 38 Ω，整流系统的电流设定值为14.85 kA，PI 参数可根据需要设置，本次设置Kp=0.03，Ki=0.001。当系统处于闭环运行状态时，直流输出电流约为14.85 kA，直流输出电压约为470 V，触发角为 13°。

（1）对无防晃电技术整流系统的仿真

设定整流系统在30 s 时产生晃电，三相交流电压骤降50%，且持续时间为0.5 s。仿真结果如图2所示。从上至下的曲线依次为：整流系统的交流输入波形、整流系统的实际输出波形。由图2 可知，当有晃电发生时，整流系统的交流输入骤降，输出电流也随之降低。在晃电结束的瞬间，整流系统的交流输入瞬间恢复，但是由于此时的触发角过大，导致输出电流瞬间达到15.18 kA，出现过电流的情况。