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新型防晃電技術在整流系統(tǒng)中的應用

2021-08-26 00:58彭曉瑋
中國氯堿 2021年7期
關鍵詞:設定值持續(xù)時間閉環(huán)

周 斌,彭曉瑋

(1. 江蘇揚農(nóng)化工集團有限公司,江蘇 揚州 225000;2.湖南科瑞變流電氣股份有限公司,湖南 株洲 412000)

晃電是指供電系統(tǒng)在正常運行中因雷擊、 對地短路、發(fā)電廠故障、大功率設備的投入或切除及其他原因造成電網(wǎng)電壓短時大幅波動, 甚至短時斷電的現(xiàn)象[1]。 氯堿行業(yè)中特殊的工藝環(huán)境對供電的可靠性有極高的要求, 在工藝生產(chǎn)的過程中絕對不允許因供電的原因影響設備的安全性和穩(wěn)定性。 但隨著環(huán)網(wǎng)和并網(wǎng)日益增多,饋電容量日益擴容,晃電現(xiàn)象發(fā)生的頻率越來越高。 晃電的存在可能會導致設備的損壞,造成經(jīng)濟損失,甚至導致事故的發(fā)生。

為保證整流系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行, 本文針對晃電進行了簡要的分析, 研究了現(xiàn)代工業(yè)對晃電的部分處理措施, 提出了一種新型的用于整流系統(tǒng)的防晃電技術,并進行了仿真和實驗驗證。

1 晃電

1.1 晃電的基本類型及特點

晃電的基本類型共有4 種,即電壓驟降、驟升、短時斷電、電壓閃變[2]。 分別定義如下:(1)電壓驟降, 電壓下降至標稱電壓10%~90%, 且持續(xù)時間為10 ms 至1 min (典型持續(xù)時間為 10~600 ms);(2)電壓驟升,電壓上升至標稱電壓110%~180%,且持續(xù)時間為 10 ms 至 1 min;(3) 短時斷電, 持續(xù)時間在0.5 個周波至 3 s 的供電中斷[3];(4)電壓閃變,電壓波形包絡線呈規(guī)則的變化或電壓幅值一系列的隨機變化,一般表現(xiàn)為人眼對照明異常所引起的視覺感受。

本文所提及的“晃電”是指電壓驟降這一類型,也是最常見的一種晃電形式。

1.2 晃電的危害

整流系統(tǒng)為離子膜電解提供了連續(xù)、 穩(wěn)定的電源,是氯堿工業(yè)連續(xù)性生產(chǎn)中至關重要的環(huán)節(jié)。雖然晃電持續(xù)時間比較短, 但對整流設備的影響卻十分巨大。 發(fā)生晃電時,整流器會因電網(wǎng)電壓降低,致使輸出電流降低,整流器可能輸出飽和,仍無法達到電流設定值;且在晃電結束的瞬間,整流系統(tǒng)可能會出現(xiàn)過電流,對電解槽離子膜造成電流沖擊,加速離子膜老化,削減離子膜的使用壽命,增加生產(chǎn)成本。

2 防晃電的措施

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和市場需求的增加,研究出各種各樣的防晃電方案。

2.1 使用防晃電設備

目前, 使用最廣泛的防晃電設備是不間斷電源(UPS)和防晃電交流接觸器。 前者在晃電發(fā)生時自動啟動,為電路持續(xù)供電,確保電路正常運行;后者在控制電壓突然跌落到非正常工作電壓時, 將欠壓信號傳輸?shù)娇刂齐娐分校?控制系統(tǒng)立即對信號做出分析,使接觸器在設定的延時時間內(nèi)處于保持狀態(tài),達到“躲過”晃電,保持供電的目的。

2.2 運用防晃電技術

晃電是客觀存在的,是人力無法徹底根除的。雖然UPS 和防晃電交流接觸器在防晃電方面應用較多,但不可避免地存在局限性。UPS 能儲存的電力無法支持大功率設備的運轉, 不能發(fā)揮出有效的防晃電效果[4]。防晃電交流接觸器本身易損壞,施工量大,經(jīng)濟性低[5]。 在大功率整流系統(tǒng)中,這兩種防晃電設備均不適用。

基于上述情況, 本文提出了一種新型的用于整流系統(tǒng)的防晃電技術,無需額外增加任何設備,就能防止晃電帶來的不良影響。 其基本思想是利用整流控制系統(tǒng)的快速性和準確性, 檢測到晃電的發(fā)生和結束,迅速切換運行狀態(tài)。

3 新型防晃電技術的原理

3.1 控制策略

整流系統(tǒng)在正常運行的過程中, 其輸出電流和觸發(fā)角會穩(wěn)定在一定范圍內(nèi), 且輸出電流與電流設定值相等。 當晃電發(fā)生時, 整流系統(tǒng)的輸入電壓驟降,引起其輸出電流降低,為了使輸出電流與電流設定值保持一致,控制器立即增大觸發(fā)角。然而在晃電結束的瞬間,整流系統(tǒng)的輸入電壓瞬間恢復,但觸發(fā)角仍保持較大的值, 導致此時整流系統(tǒng)的輸出過電流, 如圖1 所示,Ui表示整流系統(tǒng)的輸入電壓的有效值,Uo表示整流系統(tǒng)的直流輸出電壓。

圖1 整流系統(tǒng)輸入、輸出電壓示意圖

雖然可通過增快整流系統(tǒng)的響應速度來解決過電流問題,但過快的響應速度,可能會適得其反,使得整流系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生振蕩。

針對以上問題, 設計了新型防晃電技術的控制策略。 當控制器檢測到晃電發(fā)生,切換至開環(huán)模式,將觸發(fā)角鎖定在晃電發(fā)生前穩(wěn)定狀態(tài)的角度, 整流系統(tǒng)繼續(xù)輸出。當控制器檢測到晃電結束的瞬間,控制器切換至閉環(huán)模式,整流系統(tǒng)恢復閉環(huán)穩(wěn)態(tài),繼續(xù)穩(wěn)定輸出。

3.2 狀態(tài)切換原理

整流系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要分為4 種,即初態(tài),瞬態(tài),開環(huán)運行和閉環(huán)穩(wěn)態(tài)。初態(tài)是指整流系統(tǒng)的輸出電流、電壓為0,觸發(fā)角為0°時的工作狀態(tài);瞬態(tài)是指整流系統(tǒng)處于升/降電流的狀態(tài);閉環(huán)穩(wěn)態(tài)是指系統(tǒng)處于反饋控制下且輸出電流值與設定值偏差不大的狀態(tài);開環(huán)運行是指晃電發(fā)生時,系統(tǒng)處于固定觸發(fā)角運行的狀態(tài)。當滿足相應的切換條件時,部分狀態(tài)之間可實現(xiàn)轉換。

無晃電發(fā)生時,整流系統(tǒng)正常運行。 首先,整流系統(tǒng)處于初態(tài),此時沒有輸出;然后人工進行升/降電流的操作,整流系統(tǒng)的輸出電流沒有達到設定值,處于瞬態(tài);當整流系統(tǒng)的輸出電流與設定值相等,且觸發(fā)角保持穩(wěn)定時,處于閉環(huán)穩(wěn)態(tài)。

一旦晃電發(fā)生, 控制器檢測到輸出電流驟降超過設定值的10%,立即做出相應的處理:其一,控制器鎖定為晃電前閉環(huán)穩(wěn)態(tài)下的觸發(fā)角;其二,控制器切換到開環(huán)運行狀態(tài)。

當控制器檢測到輸出電流值與設定值相差較小且保持穩(wěn)定后,即檢測到晃電結束,控制器切換至閉環(huán)穩(wěn)態(tài),整流系統(tǒng)恢復正常運行。

4 仿真與實驗結果

4.1 仿真結果

針對本文提出的整流系統(tǒng)防晃電技術, 使用MATLAB 進行了仿真實驗, 仿真模型分為兩大部分。第一部分為三相交流電仿真模型,采用兩個階躍信號疊加并與三相交流電源模塊相乘, 模擬晃電現(xiàn)象;第二部分為可控硅整流器的輸出仿真模型,包含采樣濾波處理和PI 運算。

仿真的基本條件: 三相交流電每相的峰值為311 V,負載阻值為0.031 38 Ω,整流系統(tǒng)的電流設定值為14.85 kA,PI 參數(shù)可根據(jù)需要設置, 本次設置Kp=0.03,Ki=0.001。 當系統(tǒng)處于閉環(huán)運行狀態(tài)時,直流輸出電流約為14.85 kA, 直流輸出電壓約為470 V,觸發(fā)角為 13°。

(1)對無防晃電技術整流系統(tǒng)的仿真

設定整流系統(tǒng)在30 s 時產(chǎn)生晃電,三相交流電壓驟降50%, 且持續(xù)時間為0.5 s。 仿真結果如圖2所示。從上至下的曲線依次為:整流系統(tǒng)的交流輸入波形、整流系統(tǒng)的實際輸出波形。 由圖2 可知,當有晃電發(fā)生時,整流系統(tǒng)的交流輸入驟降,輸出電流也隨之降低。在晃電結束的瞬間,整流系統(tǒng)的交流輸入瞬間恢復,但是由于此時的觸發(fā)角過大,導致輸出電流瞬間達到15.18 kA,出現(xiàn)過電流的情況。

圖2 無防晃電整流系統(tǒng)的仿真結果圖

(2)對有防晃電技術整流系統(tǒng)的仿真

晃電產(chǎn)生及持續(xù)時間與上述一致,仿真結果如圖3 所示。

圖3 有防晃電整流系統(tǒng)的仿真結果圖

由圖3 可知,加入防晃電措施后,在晃電結束的瞬間, 整流系統(tǒng)的輸出電流與晃電前的輸出電流保持一致,未出現(xiàn)過電流的情況。

通過兩種仿真結果的對比, 初步驗證了本文所提出的用于整流系統(tǒng)的防晃電技術是可行且有效的。

4.2 實驗結果

為了進一步驗證該防晃電技術的可行性, 搭建了可控硅整流系統(tǒng)實驗平臺。該系統(tǒng)包括整流控制器,整流主柜,純水冷卻器,整流調(diào)壓變壓器,配電柜等。

可控硅整流系統(tǒng)的結構示意圖如圖4 所示。 三相交流電通過配電柜,再經(jīng)整流調(diào)壓變壓器,輸送至整流柜。由于各方面條件的限制,無法直接模擬出晃電, 擬對配電柜上的開關進行分合閘模擬極端情況下的晃電,實驗步驟如下。

圖4 可控硅整流系統(tǒng)結構示意圖

第1 步:使整流主柜的輸出電流達到額定值,待其穩(wěn)定運行一段時間,整流系統(tǒng)處于閉環(huán)穩(wěn)態(tài);

第2 步:分閘,即模擬晃電發(fā)生;

第3 步:合閘,即模擬晃電結束。

按以上步驟,重復進行實驗。最終,整流系統(tǒng)加入防晃電技術前后的輸出電流波形分別見圖5 和圖6。

從圖5 可知,當沒有采取任何防晃電措施時,晃電的出現(xiàn)導致了整流系統(tǒng)控制失調(diào)及輸出過電流的問題。 而圖6 表示采用了本文所提出的整流系統(tǒng)防晃電技術后的良好效果,在晃電結束的瞬間,整流主柜的輸出沒有出現(xiàn)過電流的情況, 且平滑過渡到閉環(huán)穩(wěn)態(tài)。 經(jīng)實驗證明,該防晃電技術是切實可行的。

圖5 無防晃電技術整流系統(tǒng)的輸出波形

圖6 有防晃電技術整流系統(tǒng)的輸出波形

5 總結

在電力系統(tǒng)無法避免“晃電”產(chǎn)生的情況下,如何采取有效措施應對 “晃電” 是需要面對的一大難題。 本文提出的新型防晃電技術能夠保障整流系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行,有效避免和減少安全事故的發(fā)生,確保設備和整個生產(chǎn)自動化過程的安全運行, 提高了連續(xù)生產(chǎn)的可靠性。

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