專利名稱：電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的分級控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電爐電極塌料的控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的D-STATC0M分級控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電爐屬于中大負載類，短網(wǎng)處于的是低電壓(160-170V)、大電流(5萬A左右)連續(xù)性的工作狀態(tài)，并且由于電極拉弧等受諸多未知因素的影響，電流波動幅度大，經(jīng)常造成短網(wǎng)功率因數(shù)低、無功大、諧波復雜、損耗高、三相不平衡等諸多隨機的現(xiàn)象，采用簡單的補償技術(shù)和常規(guī)的設(shè)計方法不但起不到應(yīng)有的效果，反而會帶來損壞電極、影響生產(chǎn)以及造成事故等負面的影響。對于電弧爐，由于其三相電極塌料情況的不同，電弧電阻的隨機性必然造成三相電流的不對稱，較平穩(wěn)的熔化期負序分量差不多占到正序分量的20%，嚴重時負序分量會達到正序分量的50%-70%，而且由于電弧爐前端有大容量變壓器的存在，電弧爐的功率因數(shù)很低，一般不超過O. 75，嚴重的時候會達到O.1。以生產(chǎn)鐵合金的碳鉻爐為例，其無功功率達到9100kvar，功率因數(shù)只有O. 75
O.78，諧波含量高達5 % 10%，使電能消耗占到成本的30% 40%。同時，由于電壓的波動、電流諧波的干擾以及電能品質(zhì)的低下等因素影響，使得外圍輔助設(shè)備(如循環(huán)泵等)總是處于動態(tài)的不平穩(wěn)工作狀態(tài)，在增加額外損耗的同時，又降低了設(shè)備的可靠性和壽命。顯然，常規(guī)的無功補償裝置很難對負荷不平衡及電網(wǎng)電壓的波動和閃變進行有效的抑制。而D-STATC0M實際應(yīng)用中電網(wǎng)電壓不平衡現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，任何電網(wǎng)自身的故障和負載的增減都有可能導致電網(wǎng)電壓不平衡，而且電網(wǎng)故障導致的電網(wǎng)電壓不平衡比負載引起的電網(wǎng)電壓不平衡造成的不良后果要嚴重、持續(xù)時間要長。直接電壓控制的D-STATC0M主要目的是維持公共連接點電壓穩(wěn)定，而且供電電壓平衡是衡量電能質(zhì)量的一個重要方面。因此，針對上述現(xiàn)狀，提供一種電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的D-STATC0M分級控制系統(tǒng)勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有無功補償裝置很難對負荷不平衡及電網(wǎng)電壓的波動和閃變進行有效的抑制，短網(wǎng)有功功率低，回路損耗大，電能品質(zhì)低的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的分級控制系統(tǒng)。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的分級控制系統(tǒng)包括電流互感器CT、電壓互感器PT、電流信號處理單元、電壓信號處理單元、諧波及功率因數(shù)處理單元、矢量正負序分離器、分級控制器、正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器、三階梯滯環(huán)比較器、SPWM發(fā)生電路、驅(qū)動電路和STATCOM變換器；
所述電流互感器CT與短網(wǎng)的三相電極相連，用于檢測短網(wǎng)的三相電流；所述電壓互感器PT與短網(wǎng)的三相電極相連，用于檢測短網(wǎng)的三相電壓；所述電流信號處理單元與電流互感器CT相連，用于對電流互感器CT傳送的三相電流信號進行濾波、放大、限幅以及數(shù)模變換；所述電壓信號處理單元與電壓互感器PT相連，用于對電壓互感器PT傳送的三相電壓信號進行濾波、放大、限幅以及數(shù)模變換；所述諧波及功率因數(shù)處理單元分別與電流互感器CT、電壓互感器PT相連，用于應(yīng)用q-d級數(shù)理論方法，通過對短網(wǎng)電流基波和諧波的特性分析，采用電流分解、倍頻變換的軟測量方法，實現(xiàn)對短網(wǎng)三相基波電流、諧波電流以及功率因數(shù)的檢測；所述矢量正負序分離器與諧波及功率因數(shù)處理單元相連，用于分離電網(wǎng)電壓中的正、負序分量；所述分級控制器與矢量正負序分離器相連，用于根據(jù)傳感器檢測的信號分析出三相電極塌料情況下電網(wǎng)電壓不平衡狀態(tài)，從而分解出正序電流控制信號、負序電流控制信號和零序電流控制信號，輸出D-STATC0M實際控制信號，分別送給正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器；所述正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器分別將接收的正序電流控制信號、負序電流控制信號、零序電流控制信號傳送給三階梯滯環(huán)比較器；所述三階梯滯環(huán)比較器分別與正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器相連，用于接收正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器傳來的控制信號，根據(jù)計算的功率因數(shù)偏差值，結(jié)合所設(shè)定的允許補償誤差限，分別給出增加補償容量控制信號、保持不變控制信號以及減少補償容量的控制信號；所述SPWM發(fā)生電路與三階梯滯環(huán)比較器相連，用于用SPWM波形控制逆變電路中IGBT的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與期望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值來調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值；所述驅(qū)動電路與SPWM發(fā)生電路相連，用于在過流、短路和過壓的情況下對IGBT進行保護；所述STATCOM變換器與驅(qū)動電路相連，用于將直流電壓變換為交流電壓，通過控制逆變器中IGBT的驅(qū)動脈沖控制交流電壓的大小、頻率和相位。本發(fā)明的有益效果是該控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄姞t短網(wǎng)的諧波進行抑制和無功補償，提高了短網(wǎng)的有功功率，減少了回路損耗，實現(xiàn)了節(jié)能，并優(yōu)化了電能品質(zhì)。


圖1是本發(fā)明電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的分級控制系統(tǒng)的工作原理圖。圖2是本發(fā)明中的STATCOM變換器電路圖。圖3是本發(fā)明中的交流采樣電路圖。圖4是本發(fā)明中的電流信號處理單元電路圖。圖5是本發(fā)明中的測頻電路圖。圖6是本發(fā)明中的驅(qū)動電路圖。圖7是本發(fā)明中的D-STATC0M等效圖。
圖8是本發(fā)明中的D-STATC0M矢量圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的分級控制系統(tǒng)包括電流互感器CT、電壓互感器PT、電流信號處理單元、電壓信號處理單元、諧波及功率因數(shù)處理單元、矢量正負序分離器、分級控制器、正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器、三階梯滯環(huán)比較器、SPWM發(fā)生電路、驅(qū)動電路和STATCOM變換器。電流互感器CT和電壓互感器PT，分別用于檢測短網(wǎng)的三相電流和電壓。電流信號處理單元用于對電流互感器CT傳送的三相電流信號進行濾波、放大、限幅以及數(shù)模變換；電壓信號處理單元用于對電壓互感器PT傳送的三相電壓信號進行濾波、放大、限幅以及數(shù)模變換。諧波及功率因數(shù)處理單元應(yīng)用q-d級數(shù)理論方法，通過對短網(wǎng)電流基波和諧波的特性分析，采用電流分解、倍頻變換的軟測量方法，在不增加硬件和免除常規(guī)坐標變換等復雜運算的基礎(chǔ)上，較好地實現(xiàn)了對短網(wǎng)三相基波電流、諧波電流以及功率因數(shù)的檢測。在三相不對稱電網(wǎng)的電壓中除含有正序分量外還含有負序分量，為了防止裝置過流，D-STATC0M必須輸出相等的負序電壓。因此矢量正負序分離器用于分離電網(wǎng)電壓中的正、負序分量。分級控制器根據(jù)傳感器檢測的信號分析出三相電極塌料情況下電網(wǎng)電壓不平衡狀態(tài)，從而分解出正序電流控制信號、負序電流控制信號和零序電流控制信號，輸出D-STATC0M實際控制信號，分別送給正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器。正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器分別將接收的正序電流控制信號、負序電流控制信號、零序電流控制信號傳送給三階梯滯環(huán)比較器。三階梯滯環(huán)比較器用于接收正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器傳來的控制信號，根據(jù)計算的功率因數(shù)偏差值，結(jié)合所設(shè)定的允許補償誤差限，分別給出增加補償容量控制信號、保持不變控制信號以及減少補償容量的控制信號。SPWM發(fā)生電路用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中IGBT的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。當發(fā)生塌料引起三相電網(wǎng)供電不平衡時，使D-STATC0M能對電爐電極進行補償。驅(qū)動電路主要解決在過流、短路和過壓的情況下對IGBT實行比較完善的保護。過流故障一般需要稍長的時間才使電源過熱，因此對它的保護都由主控制板來解決。過壓一般發(fā)生在IGBT關(guān)斷時，較大的di/dt在寄生電感上產(chǎn)生了較高的電壓，這需要用緩沖電路來鉗制，或者適當降低關(guān)斷的速率。短路故障發(fā)生后瞬時就會產(chǎn)生極大的電流，很快就會損壞IGBT，主控制板的過流保護根本來不及，必須由驅(qū)動電路或驅(qū)動器立刻加以保護。STATCOM變換器以逆變器技術(shù)為基礎(chǔ)，等效為一個可調(diào)節(jié)的電壓和電流源，通過控制該電壓和電流源的幅值和相位來達到改變向電網(wǎng)輸送無功功率大小的目的。逆變器由多個逆變橋級聯(lián)而成，其主要功能是將直流電壓變換為交流電壓，而交流電壓的大小、頻率和相位可以通過控制逆變器中IGBT器件的驅(qū)動脈沖進行控制。連接變壓器將逆變器輸出的電壓變換到系統(tǒng)電壓，從而使STATCOM裝置可以連接到電極電力系統(tǒng)中。本發(fā)明電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的分級控制系統(tǒng)的工作原理是:通過電流互感器CT、電壓互感器PT實時監(jiān)測電網(wǎng)中的電壓電流等參數(shù)，并通過電壓和電流信號處理單元對三相電壓電流進行濾波，放大及數(shù)模變換。諧波及功率因數(shù)處理單元應(yīng)用q-d級數(shù)理論方法，通過對短網(wǎng)電流基波和諧波的特性分析，采用電流分解、倍頻變換的軟測量方法，對短網(wǎng)三相基波電流、諧波電流以及功率因數(shù)的檢測。信號傳入分級控制器，分級控制器會根據(jù)傳感器檢測的信號分析出三相電極塌料情況下電網(wǎng)電壓不平衡狀態(tài)，從而分解出正序電流控制信號、負序電流控制信號和零序電流控制信號，輸出D-STATC0M實際控制信號，分別送給正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器。最后信號進入三階梯滯環(huán)比較器，三階梯滯環(huán)比較器由計算的功率因數(shù)偏差值，結(jié)合所設(shè)定的允許補償誤差限，分別給出增加補償容量、保持不變以及減少補償容量的控制信號送入到SPWM發(fā)生電路，SPWM波形控制逆變電路中IGBT的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。當發(fā)生塌料引起三相電網(wǎng)供電不平衡時，使D-STATC0M能對電爐電極進行補償。如圖2 所示。，STATCOM(Static Synchronous Compensator,靜止無功發(fā)生器)是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，從而使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹TATCOM的主電路有多種結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用電壓型橋式電路，其電路基本結(jié)構(gòu)如圖所示，直流側(cè)采用電感儲能元件串聯(lián)連接電抗器并入電網(wǎng)，其中，Us表不電網(wǎng)電源電壓,Zs表不電源及線路阻抗,T是配電變壓器,Zlj表不負載阻抗。L1、L2、C、R構(gòu)成STATCOM交流側(cè)輸出LCL濾波器。圖2采用三相全橋逆變電路，由六個IGBT和二極管構(gòu)成電壓型三相橋式逆變電路，IGBT做為全控器件，利用驅(qū)動信號控制其導通與關(guān)斷，二極管完成續(xù)流作用，為感性負載提供續(xù)流回路，避免功率器件承受過高的瞬態(tài)電壓。如圖3所示，本發(fā)明的檢測環(huán)節(jié)采用交流采樣法，能實時精確的反映電參量瞬時值的大小。其控制器的測量采樣系統(tǒng)，主要由PT、CT、LEM模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊組成。PT、CT分別用于測量STATCOM輸出端的三相電壓和三相電流信號，LEM模塊用于采集STATCOM直流側(cè)的電容電壓信號。被測模擬量信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入控制器，控制器運用所測得的信號瞬時值，經(jīng)適當?shù)淖儞Q后，求出瞬時無功和瞬時電壓矢量的有效值，并以此為依據(jù)，對STATCOM進行閉環(huán)控制。如圖4所示，本發(fā)明的電流信號處理單元選用了 I片TI公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364，作為交流信號的輸入。ADS8364是TI公司的高性能AD轉(zhuǎn)換芯片，其采樣速率為250KSPS，采樣精度為16位，雙極性輸入，可對交流信號直接采樣。ADS8364具有6個模擬輸入通道，模擬量輸入范圍為士 5V，6個通道全部轉(zhuǎn)換需要4us。片內(nèi)有同時采樣、分時轉(zhuǎn)換電路。同時，ADS8364為并行接口，輸出以二進制補碼的形式給出，方便與DSP芯片的接口。因此，非常適合用于三相電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和逆變橋的控制等場合。ADS8364芯片的模擬量輸入，為雙極性全差分輸入，模擬量經(jīng)過兩個運算放大器與參考電壓做差后，再送入ADS8364，其要求被轉(zhuǎn)換的電壓值要在(Γ+3.3伏之間。通過運放電路將從互感器輸出的交流信號轉(zhuǎn)換成所需要的電壓值。如圖5所示，在STATCOM裝置的運行中，同步信號的產(chǎn)生采用最為簡單的過零同步，即對系統(tǒng)三相電壓信號進行處理后，取一相基波正序電壓作為同步信號。當該同步信號過零時，作為脈沖發(fā)生器的同步點。也同時通過測量連續(xù)兩個正向或負向過零點之間的時間，作為周期計算出同步信號的頻率，時刻監(jiān)視電網(wǎng)頻率的變換，以便根據(jù)電網(wǎng)頻率的變換來改變所發(fā)脈沖的頻率，使其等效的正弦電壓和系統(tǒng)的電壓頻率保持一致。正弦電壓信號經(jīng)過兩級RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，采用二階RC網(wǎng)絡(luò)進行濾波整形后接入一個電壓比較器。由于DSP芯片的捕捉口所需要的電壓在(Γ+3.3伏之間，而本電壓比較器的電源為單電源+5伏，因此輸出方波需要經(jīng)過電阻分壓后，才能輸入到DSP的捕獲單元CAP引腳。圖中的R2和R3即為分壓電阻，電容C的作用是濾掉高次諧波產(chǎn)生的干擾，并使下降、上升沿一定的持續(xù)時間，使DSP能夠捕捉到CAP腳上的足夠?qū)挾鹊拿}沖上升沿，進而經(jīng)過變換來計算電網(wǎng)的頻率。如圖6所示，本發(fā)明中的IGBT驅(qū)動信號是由DSP脈沖發(fā)生器中的PWM模塊產(chǎn)生，而PWM接口驅(qū)動能力及其與IGBT的接口電路性能的優(yōu)劣，是系統(tǒng)可靠工作、正常運行的關(guān)鍵所在。本發(fā)明以IR2110門極驅(qū)動器為核心，設(shè)計了一種可靠的IGBT驅(qū)動電路。利用控制器產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制信號，產(chǎn)生SPWM驅(qū)動波形。然后通過驅(qū)動電路放大整形后驅(qū)動。全橋逆變時對角線上兩個開關(guān)管交替導通，同一橋臂上的兩個開關(guān)管互補導通。開關(guān)管由驅(qū)動脈沖控制，采用不同脈寬的PWM信號可以調(diào)節(jié)輸出的電壓或者電流，達到調(diào)節(jié)功率輸出的目的。如圖7和圖8所示，當電網(wǎng)電壓不平衡時，系統(tǒng)電壓中會含有正序分量、負序分量和零序分量，但通常D-STATC0M與電網(wǎng)連接時都會通過變壓器，使得電流零序分量受阻。因此為了分析方便，只對系統(tǒng)電壓的正序分量和負序分量進行考慮。設(shè)三相電壓為
權(quán)利要求
1.電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的分級控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括電流互感器CT、電壓互感器PT、電流信號處理單元、電壓信號處理單元、諧波及功率因數(shù)處理單元、矢量正負序分離器、分級控制器、正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器、三階梯滯環(huán)比較器、SPWM發(fā)生電路、驅(qū)動電路和STATCOM變換器； 所述電流互感器CT與短網(wǎng)的三相電極相連，用于檢測短網(wǎng)的三相電流； 所述電壓互感器PT與短網(wǎng)的三相電極相連，用于檢測短網(wǎng)的三相電壓； 所述電流信號處理單元與電流互感器CT相連，用于對電流互感器CT傳送的三相電流信號進行濾波、放大、限幅以及數(shù)模變換； 所述電壓信號處理單元與電壓互感器PT相連，用于對電壓互感 器PT傳送的三相電壓信號進行濾波、放大、限幅以及數(shù)模變換； 所述諧波及功率因數(shù)處理單元分別與電流互感器CT、電壓互感器PT相連，用于應(yīng)用q-d級數(shù)理論方法，通過對短網(wǎng)電流基波和諧波的特性分析，采用電流分解、倍頻變換的軟測量方法，實現(xiàn)對短網(wǎng)三相基波電流、諧波電流以及功率因數(shù)的檢測； 所述矢量正負序分離器與諧波及功率因數(shù)處理單元相連，用于分離電網(wǎng)電壓中的正、負序分量； 所述分級控制器與矢量正負序分離器相連，用于根據(jù)傳感器檢測的信號分析出三相電極塌料情況下電網(wǎng)電壓不平衡狀態(tài)，從而分解出正序電流控制信號、負序電流控制信號和零序電流控制信號，輸出D-STATC0M實際控制信號，分別送給正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器； 所述正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器分別將接收的正序電流控制信號、負序電流控制信號、零序電流控制信號傳送給三階梯滯環(huán)比較器； 所述三階梯滯環(huán)比較器分別與正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器相連，用于接收正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器傳來的控制信號，根據(jù)計算的功率因數(shù)偏差值，結(jié)合所設(shè)定的允許補償誤差限，分別給出增加補償容量控制信號、保持不變控制信號以及減少補償容量的控制信號； 所述SPWM發(fā)生電路與三階梯滯環(huán)比較器相連，用于用SPWM波形控制逆變電路中IGBT的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與期望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值來調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值； 所述驅(qū)動電路與SPWM發(fā)生電路相連，用于在過流、短路和過壓的情況下對IGBT進行保護； 所述STATCOM變換器與驅(qū)動電路相連，用于將直流電壓變換為交流電壓，通過控制逆變器中IGBT的驅(qū)動脈沖控制交流電壓的大小、頻率和相位。
全文摘要
本發(fā)明電爐電極塌料引起短網(wǎng)不平衡的分級控制系統(tǒng)涉及電爐電極塌料控制領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括電流互感器CT、電壓互感器PT、電流信號處理單元、電壓信號處理單元、諧波及功率因數(shù)處理單元、矢量正負序分離器、分級控制器、正序電流控制器、負序電流控制器、零序電流控制器、三階梯滯環(huán)比較器、SPWM發(fā)生電路、驅(qū)動電路和STATCOM變換器。本發(fā)明的有益效果是該控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄姞t短網(wǎng)的諧波進行抑制和無功補償，提高了短網(wǎng)的有功功率，減少了回路損耗，實現(xiàn)了節(jié)能，并優(yōu)化了電能品質(zhì)。
文檔編號H02J3/18GK103078323SQ20131004218
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者薛鵬, 魏巍, 姜長泓, 張斌, 李建波 申請人:長春工業(yè)大學