稳定电网抵抗无功负载波动的方法及无功功率补偿装置

摘要

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。

说明书

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-A1-0 498 239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。

本发明要解决的任务是：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。

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：0≤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′)。

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(U_o)，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＝U_o·i_x·[1-(U_x/U_o)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cos(α_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cos(α_w)＝cos(α_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_x≥i_max为cos(α_w)＝cos(α_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cos(α_w)＝m.i_w＋cos(α_min)，其中m＝[cos(α_max)-cos(α_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_w＝U_o·i_w·[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(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＝0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。