CN1060293C - 稳定电网抵抗无功负载波动的方法及无功功率补偿装置 - Google Patents

Abstract

直流电弧炉(8)在工作中会产生无功功率波动，借助无功功率调节器(22)无需专门的补偿电抗器可使该波动得到补偿。作为补偿电抗器可使用由整流器(5，5′)向电弧炉(8)供电所经过的现有电抗线圈(6，6′)。电流调节器(16)经由第一加法器(17)与整流器(5，5′)形成控制连接。第一加法器(17)的输入端还与无功功率调节器(22)的输出端及必要时与交流电压变换器(14)形成功能连接，另外设置一个逆变器(9)，无功功率调节器(22)的输出端还可经由第二加法器(15)与电流调节器(16)形成功能连接。

Description

稳定电网抵抗无功负载波动的方法及无功功率补偿装置

本发明涉及用于稳定供电装置或稳定电网抵抗至少一个具有可变化无功负载的电负载的无功负载波动的方法，及涉及无功功率补偿装置。

本发明的背景技术涉及到如从US—A—5，155，740中公知的现有技术。该文献给出了用于直流电弧炉的一种波动补偿装置，其中无功功率调节仅是根据检测的电弧炉无功功率来实现的。

在这种补偿中未考虑滤波支路及辅助装置中的电流。在小的电极电流时电弧炉的无功功率是很小的。利用固定设置的电容器组合导致过补偿，这是被电网运营单位所时常不能接收的。

由EP—A1—0 498239公知了利用具有两个调节回路的直流供电对电弧炉进行调节。一个电流调节器负责相当于预定电流给定值的恒流调节。电极调节回路影响电极的位置并由此影响电弧的长度。在电弧伸长时，电流调节器必须提高电压，或使整流器控制电流保持恒定。但这需要有电压储备才行。电极的控制借助于自适应直流电压调节器来实现。电弧电压用作直流电压实际值，它通过一个阻尼元件传送给一个比较器或加法器。对直流电压给定值必须考虑变压器电压级及电极电流对于每个工作点作出计算。首先对功率变换器的变压器的变压器级，并由此对相应变换器可能的电压升高值借助一个限压器这样地限制，从而使功率变换器稳定地、至多刚好低于整流器的极限状态下工作。该给定值被以平滑的方式供给加法器，以便在电压给定值跃变时不会使实际值产生过冲，这种过冲会造成电弧的中断。在那里并没有施行无功功率波动的补偿。

本发明的目的是：用于稳定供电装置或电网抵抗至少一个具有可变化无功负载的电负载的无功负载波动的方法及无功功率补偿装置进一步地改善，以使得以更小的成本来补偿无功负载的波动。

本发明的优点在于：对设备供电的整流器仅必须对于一部分无功负载来设计。不需要使用专门的补偿电抗器作无功功率补偿。与负载串联的现有电抗线圈或电抗器可用于取代专门的补偿电抗器，以致于使成本下降并使整个设备价格降低。

根据本发明的一个有利构型，对于未补偿的设备不需要附加任何硬件可作无功功率补偿。在现有的设备上通过改变计算机程序便可实现令人满意的无功功率调节。

用于稳定交流电网抵抗至少一个具有可变化无功负载的电负载的无功负载波动的方法，其中使通过该负载的电流强度借助包括该负载作为调节区段的第一调节回路中的电流调节器经过至少一个第一变流器调节到一个预定的电流给定值上；其中用于该第一变流器的变流器调节量根据由电流调节器提供的电流调节器调节量来构成；其中该负载的无功功率根据无功功率调节器输出端的稳定触发角被调节到一个预定的无功功率给定值上；其特征在于：变流器调节量是根据一个与至少一个预定系数相乘的稳定触发角构成的。

其中上述稳定触发角乘以一个预定的第一系数K1，然后与至少一个电流调节器的输入量作相加组合；该预定第一系数K1在0≤K1≤0．4的范围中。

稳定触发角乘以一个预定的第三系数K3，然后与至少一个电流调节器的输出量作相加组合；该预定第三系数K3在0≤K3≤0．4的范围中。

此外该变流器调节量还根据与一个预定的第二系数K2乘以交流电网的电网电压再与电流调节器调节量作相加组合来构成；该预定第二系数K2在0≤K2≤0．5的范围中。

无功功率根据稳定触发角在包括该负载作为调节区段的第二调节回路中通过至少一个第二变流器被调节到预定的无功功率给定值上。

无功功率补偿装置，具有至少一个带有可变无功负载的电负载；该负载通过至少一个变流器与向该负载供电的交流电网形成功能连接；具有一个电流调节器，它的输出端与至少一个第一变流器形成控制连接；及具有一个无功功率调节器，它的输出端与一个无功功率补偿装置形成控制连接；其特征在于：电流调节器通过一个第一加法器与至少一个第一变流器形成控制连接；以及无功功率调节器的输出端与该第一加法器的一个输入端形成功能连接。

以下借助实施例对本发明进行说明。仅有的一个附图表示具有一个电流调节回路及一个无功功率调节回路的直流电弧炉。

为简明起见，对以下的信号及对它们设置的值或量给予相同的标记。

唯一的一个附图表示出设有一个电极或阴极7的直流电弧炉或电弧炉8，该阴极7经由二个电抗器或电抗线圈6，6′，在两并联支路中分别与一个整流器5，5′、一个具有多个开关级的电炉变压器2，2′及一个电流互感器3，3′相串联。该电流互感器3，3′经由一个开关1与具有33KV交流电压的交流电网N相连接。一个设置在电弧炉8接地区域中的第二电极或阳极12与整流器5的正极相连接未示出。在阴极7的下端与未示出的待熔废旧金属及金属熔液或熔体11的表面之间燃烧着电弧10。

借助于整流器5，5′馈线中的电流互感器3，3′检测出电流分量实际值信号i_x1，i_x2并输送到第三加法器4的非反相输入端，该加法器将其输入量的绝对值相加并在其输出端将值i_x=｜i_x1｜+｜i_x2｜传送到第二加法器15的反相输入端及一个用于产生无功功率实际值信号Q_x的函数发生器19。向第二加法器15的非反相输入端及一个用于计算修正、限界的电流给定值信号S25的函数发生器25上输入一个譬如从一个未示出的电位器预给定的电流给定值信号i_x。在第二加法器15的另一反相输入端上输入来自无功功率调节器22输出端的稳定触发角信号α_st，该触发角信号在第二加法器15中将乘以一个预定系数K1，并有：O≤K1≤0．4。

加法器15的输出端与一个具有比例积分特性的电流调节器16相连接，后者的输出端与第一加法器17的非反相输入端形成功能连接。在第一加法器17的一个反相输入端上经由一个与交流电网N相连接的变压器13及一个交流电压变换器14输入一个与交流电网N的电压幅值成正比的整流后的电网电压信号U_XN，该信号在第一加法器17中将乘以一预定系数K2，这里：0≤K2≤0．5。在第一加法器17的另一反相输入端上输入稳定触发角信号α_st，该信号在第一加法器17中将乘以一预定系数K3，并有：0≤K3≤0．4。第一加法器17在其输出端将一个相当于一触发角的整流器调节量信号α_x输入到一个触发脉冲变换器18，后者的输出控制整流器5，5′，从而整流器5，5′作为无功功率补偿单元。

一个其输入端与阴极7的电流导线电连接的直流电压变换器21对电弧炉8的整流电压或电弧电压U_x进行检测。它的输出端与函数发生器19及20形成功能连接。在函数发生器19上还输入一个可预给定的或由主控制器未示出给出的直流恒定电压U₀，它相当于交流电网N上无负载时的整流电压U_XN。

函数发生器19在其输出端输出一个根据其输入信号产生的与无功功率实际值Q_x成正比的信号，它根据式：Q_x=U₀·i_x·[1—U_x／U₀)²]^0．5求得，并输入到无功功率调节器22的反相输入端。

函数发生器25将正比于cosα_w的输出信号S25传送到函数发生器20，其中α_w表示触发角给定值。对于电流给定值信号i_w=0至i_w=i_max／2为cosα_w=cosα_min，其中α_min是一个预给定的最小触发角。对于电流给定值信号i_w≥i_max为cosα_w=cosα_max，其中i_max是电弧炉8的最大允许电流值，而α_max是预给定的最大触发角。对于0＜i_w＜i_max为cosα_w=m．i_w+cosα_min，其中m=[cos α_max-cosα_min]／(0．5·i_max)。

函数发生器20在其输出端输出根据其输入信号产生的一个正比于无功功率给定值Q_w的信号，它根据式：Q_x=U₀·i_x·[1-(cos(α_w))²]^0．5求得，并输入到无功功率调节器22的非反相输入端。

无功功率调节器22的输出端经由一个触发脉冲变换器23与一个三相逆变器或第二变换器9的控制输入端相连接，该逆变器的直流侧与电弧炉8的电极7，12相连接，而其交流测经由三相稳定变压器24连接到交流电网N上。

可以采用具有二个次边附加绕组2Z及2′Z的电弧炉变压器2，2′取代稳定变压器24，这二个次边附加绕组彼此相串联，如图中虚线所示。由此节省了位置及成本。

借助于可以作为无功功率补偿单元的逆变器9可使无功功率输送给交流电网N或从该电网获得无功功率。对此不需要任何附加的电抗器，因为现有的电抗线圈6，6′共同地被用作无功功率补偿用的电抗器。

具有波动幅值下降约20％的十分有效的无功功率补偿已使用K1=K2=O得以实现，该下降幅值是借助计算机仿真求得的，并且其中变压器13及交流电压变换器14是不需要的。

另一方面，当附加地去掉逆变器9、触发脉冲变换器23及稳定变压器24或电弧炉变压器2，2′的附加绕组2Z及2′Z时，也能得到令人满意的无功功率补偿。

当根据图1中原理电路的全部措施都采用时，可达到降低波动幅值约40％的最佳效果。

应理解到，可以省略加法器4，及电流分量实际值信号i_x1，i_x2可分开地传送给加法器15及函数发生器19，然后在那里进行相加。

Claims (10)

1．用于稳定交流电网(N)抵抗至少一个具有可变化无功负载的电负载(8)的无功负载波动的方法，

a)其中使通过该负载(8)的电流强度(i_x)借助包括该负载(8)作为调节区段的第一调节回路中的电流调节器(16)经过至少一个第一变流器(5，5′)调节到一个预定的电流给定值(i_w)上；

b)其中用于该第一变流器(5，5′)的变流器调节量(α_x)根据由电流调节器(16)提供的电流调节器调节量(S16)来构成；

c)其中该负载(8)的无功功率(Q_x)根据无功功率调节器(22)输出端的稳定触发角(α_st)被调节到一个预定的无功功率给定值(Q_w)上；

其特征在于：

d)变流器调节量(α_x)是根据一个与至少一个预定系数(K1，K3)相乘的稳定触发角(α_st)构成的。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于：

a)稳定触发角(α_st)乘以一个预定的第一系数K1，然后与至少一个电流调节器(16)的输入量作相加组合；

b)该预定第一系数K1在0≤K1≤0．4的范围中。

3．根据权利要求1或2的方法，其特征在于：

a)稳定触发角(α_st)乘以一个预定的第三系数K3，然后与至少一个电流调节器(16)的输出量作相加组合；

b)该预定第三系数K3在0≤K3≤0．4的范围中。

4．根据权利要求1的方法，其特征在于：

a)该变流器调节量(α_x)还根据与一个预定的第二系数K2乘以交流电网(N)的电网电压(U_XN)再与电流调节器调节量(S16)作相加组合来构成；

b)该预定第二系数K2在0≤K2≤0．5的范围中。

5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

无功功率(Q_x)根据稳定触发角(α_st)在包括该负载(8)作为调节区段的第二调节回路中通过至少一个第二变流器(9)被调节到预定的无功功率给定值(Q_w)上。

6．无功功率补偿装置，

a)具有至少一个带有可变无功负载的电负载(8)；

b)该负载通过至少一个变流器(5，5′)与向该负载(8)供电的交流电网(N)形成功能连接；

c)具有一个电流调节器(16)，它的输出端与至少一个第一变流器(5，5′)形成控制连接；及

d)具有一个无功功率调节器(22)，它的输出端与一个无功功率补偿装置形成控制连接；其特征在于：

e)电流调节器(16)通过一个第一加法器(17)与至少一个第一变流器(5，5′)形成控制连接；以及

f)无功功率调节器(22)的输出端与该第一加法器(17)的一个输入端形成功能连接。

7．根据权利要求6的无功功率补偿装置，其特征在于：第一加法器(17)的输入端通过一个交流电压变换器(14)与交流电网(N)形成功能连接。

8．根据权利要求6或7的无功功率补偿装置，其特征在于：无功功率调节器(22)的输出端通过第二加法器(15)与电流调节器(16)的输入端形成功能连接。

9．根据权利要求6所述的无功功率补偿装置，其特征在于：

a)设有第二变流器(9)；

b)无功功率补偿装置的直流侧与负载(8)并联连接；

c)无功功率补偿装置的交流侧有效地与交流电网(N)连接；及

d)无功功率补偿装置的控制侧有效地与无功功率调节器(22)连接。

10．根据权利要求9的无功功率补偿装置，其特征在于：

a)至少一个第一变流器(5，5′)通过至少一个变压器(2，2′)与交流电网(N)形成功能连接；及

b)至少一个变压器(2，2′)的次级侧具有至少一个附加绕组(2Z，2′Z)，

c)该附加绕组与第二变流器(9)的交流输入端形成电连接。

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