Grid-Forming Control Functionality for STATCOMs in Steelmaking Applications
电炉应用静补构网型控制功能
构网型控制概念最近在电力行业受到了极大的关注，特别是对可再生能源和输配电电网整合的潜在积极影响。本文提供了构网型控制概念的描述，并分析了在炼钢过程中用于电力质量合规的静态同步补偿器(STATCOM)技术中使用这些概念的潜在含义。分析的主题包括闪烁缓解和谐波。提供了在行业中使用的考虑和最佳实践的建议，特别是关于如何在炼钢应用中采用STATCOM的控制功能。由于电弧炉的运行特性，电弧炉炼钢厂在满足电网电能质量要求方面经常遇到挑战。电弧炉是谐波、闪变、电压波动和负序电流的来源，电弧炉的运行可能导致钢厂超过输电系统所有者规定的限值。对于连接薄弱电网的大型电弧炉来说，其对电网的负面影响更为明显。为了进一步改善电炉使用中的电能质量，在静态同步补偿器(STATCOM)应用中引入了一种新的控制方案，即构网型控制技术(GFM)，这种控制方案在输电系统中更为常用。构网型控制的使用使得将大负载连接到非常弱的网格成为可能，并且它还通过补偿电网扰动来改善负载的供电。本文将通过展示改善电压分布和减少谐波的例子来描述将构网型控制方案添加到STATCOM的益处。背景
静态无功补偿器(SVCs)传统的电弧炉上使用无功补偿。SVC由晶闸管控制电抗器(TCR)和大谐波滤波器组成，在运行时提供电容的无功功率以支持中压母线电压。SVC通常可以实现大约2倍的闪烁减少因子，[1]这意味着大约一半的闪烁水平可以被转移到电网。除了提供容性无功功率外，SVC谐波滤波器被调整以减少EAF和TCR产生的特征谐波电流，但另一方面，它们将在其他频率引入新的系统谐振条件。近年来，STATCOMs已成为EAF应用中最常用的提高电能质量的设备。STATCOM安装在MV总线上作为并联补偿，类似于SVC，但它基于电压源型转换阀(VSC)技术，例如使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)或集成栅换流晶闸管(IGCT)为基础的转换器。由于开关频率和半导体性能，STATCOM具有响应速度快得多的优势，这对于补偿由EAF产生的快速变化的电流至关重要。在许多情况下，电压源型转换阀VSC本身可以补偿低阶谐波，而STATCOM可以在没有大型谐波滤波器的情况下工作，从而实现更小的占地面积和更低的运行功率损耗，并减少谐波产生。使用足够大小的STATCOM，可以实现约5倍的闪烁减少因子，同时减少谐波，补偿负序电流，并通过为EAF提供更稳定的电源电压来缩短熔化周期时间。图1给出了STATCOM的典型单线图，其中安装了谐波滤波器以补偿电弧炉和钢包精炼炉(LF)。
图1 在中电压母线上补偿电弧炉(EAF)和钢包精炼炉(LF)的静态同步补偿器(STATCOM)安装概述，二次和三次谐波滤波器是可选项的，只有在需要满足电能质量要求时才安装电压源转换器
VSC技术已从二级和三级变换器发展到现代模块化多级变换器(MMC)。采用MMC技术的VSC采用多个相同的转换单元串联连接，这些转换单元可以相互独立切换。每个单独的单元包含四个半导体，用图2所示的单元电容器以全桥结构连接。
图2 模块化多级转换器(MMC)的全桥单元，包含四个绝缘栅双极晶体管(IGBT)半导体和一个单元电容器(a)，带四个单元和每个相位臂一个相电抗器的三角连接电压源转换器(VSC) (b)，以及VSC终端电压与正弦波形的比较(c)通常选择三角形连接的VSC，因为变换器可以产生无功功率、负序电流、谐波和少量有功功率，这在大多数应用中是足够的。如果需要大量的电力，其他拓扑结构，如与能量存储的双向连接是优选的。单独的单元输出电压取决于半导体开关模式，可以在三种状态之间变化:+Udc，0和-Udc。将单元串联起来，增加单元的数量，并利用半导体的高速开关，可以以几乎完美的正弦电压波形的小步骤建立终端电压(见图2)。作为转换器控制的一部分，每个单元的直流电压被调节到预定的水平，因此单元电容器将作为一个小型集成能量存储装置。讨论
电弧炉STATCOMs的控制功能
在电弧炉应用中，STATCOM控制器的主要目的是抵消电弧炉消耗的干扰电流，除了来自有功功率的电流。这是通过测量电弧炉电流，提取无功部分，并通过在中压母线上添加相反相角的相应电流来补偿，母线电压将变得更加稳定，波动更少，从而减少了连接电网中的闪烁。在接下来的讨论中，将三相电流转换成旋转参考系(直接正交零变换，dq0)，其中d轴代表复变量的实部，q轴代表复变量的虚部。因此，d分量表示有功功率或电流，q分量表示无功功率或电流。无功功率和负序电流提取的基本原理如图3所示。电弧炉电流的q分量。表示电弧炉吸收的无功电流。这个电流直接通过带相反符号的电流控制器，以补偿无功功率。除了作为转换器一部分的直流电容器外，传统的STATCOM没有能量存储，因此它将无法补偿任何有功功率。基频有功功率将在d/q坐标系中表现为直流电流，因此负载电流的d分量将用二次谐波滤波器进行滤波，以从电流的d分量中去除有功功率参考。另一方面，交流侧的负序电流成为d/q坐标系中的二次谐波分量，不受二次谐波滤波器的抑制，因此用于补偿EAF的负序电流。图3 简化的闪烁控制器补偿无功功率和负序电流的框图图3所示的闪烁控制器是一个开环控制，其动作要尽可能快，以达到最好的闪烁减少效果。除了开环控制器外，STATCOM还具有用于调节主变压器初级或次级侧功率因数的闭环控制。将闭环功率因数控制器设置为与闪烁调节器相比较慢一点，以不干扰开环控制器。功率因数控制器将在大多数情况下保持变压器高压侧的功率因数接近统一。交流电弧发生器产生大振幅的低次谐波和间谐波，从低于二阶谐波开始，通常达到10次谐波的范围。闪烁控制器还能在一定程度上降低这些低次谐波，从而改善电网的电能质量。在许多IEEE 519标准适用于电流谐波的国家，可能仍然需要包括至少第二个谐波滤波器，以进一步将谐波电流降低到可接受的水平。然而，如果还考虑到间谐波，这个配置可能还是不够的，在某些地区就是这种情况。STATCOM的控制框图显示功率因数控制器和闪烁控制器如图4所示。注意，功率因数控制器使用电网电流和母线电压作为基准，而闪烁控制器仅使用负载电流作为输入信号。两个控制器的输出被添加并用作公共电流控制器的输入，该控制器为VSC提供参考信号。如果一个以上的负载被补偿，例如一个EAF和一个LF，或几个电炉EAF，来自所有负载的负载电流之和被用作闪烁控制器的输入。
图4 表示具有闪烁控制和功率因数控制的STATCOM中的主要控制块的总体框图用于EAF应用的传统STATCOM没有用于MV总线的专用电压控制器。稳定的母线电压是通过抵消负载产生的闪烁、谐波和负序电流来实现的。中压母线电压通常由主降压变压器上的分接开关调节。输配电系统中的STATCOMs
尽管这篇文章是关于STATCOMs在炼钢工艺过程中的应用，但简要描述STATCOMs如何作为输电和配电系统的一部分这也是有价值的。传输系统应用与工业应用的主要区别在于控制器的目标。工业闪烁控制的主要目的是减轻来自特定负载的干扰，而不是补偿来自其它负载的干扰。虽然闪烁也存在于传输系统中，例如由风力发电站和频繁的电机启动产生，但其水平通常比电弧炉来说要低得多。相反，STATCOM的主要目的是通过控制电网中某一区域的无功功率来支持系统电压，从而总体上提高系统的稳定性。与图4所示的开环闪烁调节器和功率因数控制功能不同，传输系统STATCOM的主要控制功能是电压控制器，用于调节变压器高压侧的电压。传统上，STATCOM的电压控制由PI(比例积分)稳压器执行，该稳压器控制参考设定值与实际测量电压之间的差，在图5的方框图中称为Vresp。此外，电压控制器具有斜率设置，允许操作员选择系统电压发生一定变化时输出无功功率的灵敏度。图5显示了稳压器基本功能的简化框图，其中稳压器输出是由变换器提供的VSC电流。图5 简化框图说明了一个传统的电压调节器的STATCOM输出无功功率与系统电压的关系如图6所示，呈斜率特性。斜率特性的目的是为了避免一旦系统电压稍微偏离参考设定值，STATCOM就给出充分的无功输出。通过对调节器输出施加斜率，无功功率将受到限制，并且系统电压将允许根据操作员的需求变化。因此，使用斜率控制将在不同设备之间共享无功支持，因为两个没有电流升降调节的补偿器没有办法在不引起不稳定的情况下控制相同的母线电压。在图6中，包含了一个静带，可以防止STATCOM对系统电压的微小变化做出反应，例如减少功率损耗。图6 从STATCOM输出的无功功率特性作为系统电压的函数，使用斜率设置这种控制方法被称为网格跟随控制(GFL)，已在SVC和STATCOMs中使用多年。STATCOM的控制依赖于PI调节器，转换器电流作为调节器输出。STATCOM将作为电网中的电流源，并且使用锁相环(PLL)与母线电压同步，PI调节器引入了电压控制中的延迟。今天，由于电网中可再生能源和变流器发电的比例越来越大，系统的短路率和惯性正在受到影响。这可能会导致在STATCOM控制下使用传统电网时出现稳定性问题，因此基于构网型控制的替代控制理念正变得越来越普遍。构网型控制
构网型控制策略的特点是在一个虚拟阻抗后面的电压源，这样它既能产生电压又能维持电压。这与电网跟随控制相反，后者需要现有的电网电压才能运行。电压源和虚阻抗的基本表示如图7所示。图7 具有构网型控制的STATCOM控制方案的基本说明，作为虚拟阻抗后面的电压源构网型控制概念的思想是让STATCOM代表一个虚拟同步机器，这意味着控制系统将部分或完全模拟旋转同步机的行为。构网型控制的优点是STATCOM将创建自己的系统参考电压，因此它也可以在瞬态事件期间保持同步。这提高改善了在瞬态事件期间抵消系统电压幅度、频率和相角变化的可能性。一些输电系统运营商(TSOs)已经开始要求新的STATCOM安装包括构网型控制，例如欧洲某国的TSOs，[4]作为处理过渡到可再生能源占大部分的电网的一种方式。构网型控制功能通常包括故障电流注入和合成惯性，尽可能不需要大的能量存储，这是电弧炉应用中不需要的功能。相反，它主要是虚拟阻抗行为，提供了最大的益处就是当应用于闪烁缓解。电弧炉构网型控制中的应用：
与图4所示的常规闪烁补偿STATCOM方框图相比，图8中的方框图还包含了构网型控制块。构网型控制功能是作为现有的闪烁控制和功率因数控制的补充控制实现的。它基于测量的中压母线电压，并调整虚拟阻抗后面的电压源，以稳定中压母线电压，同时也将成为低阶谐波的接收器。虚拟阻抗Zv由两部分组成：电感部分Xv，对母线电压的变化提供初始响应并充当谐波吸收，电阻部分Rv，提供直流分量的阻尼。因此，虚拟阻抗可以表示为Zv = Rv + jXv。
图8 使用测量总线电压作为输入，具有附加构网型控制功能的STATCOM控制功能的一般框图即使引入了构网型控制，以测量母线电压为参考，其目的在控制方案中并不包括传统的稳压器。在炼钢厂中，通常在主降压变压器上装有档位开关来调节中压母线电压。因此，允许总线电压根据EAF的操作模式而变化，电压控制模式下的STATCOM可能最终抵消档位开关所产生的电压变化。相反，STATCOM的网格成形控制将对电压的变化做出反应，并成为谐波的接收器，但参考电压跟随实际母线电压。这是通过对母线电压测量值进行低通滤波并将其作为电压源的参考电压来实现的，也称为反电动势电压，如图7中的Vsrc所示。图9显示了一个具有构网型控制的STATCOM控制框图，其中主降压变压器二次侧的母线电压uSec被用作反电动势电压计算的输入。反电动势电压是虚拟阻抗块的输入，计算构网型控制的参考电流，Iref,GFM。闪烁控制器、虚拟阻抗函数和功率因数控制器这三种不同的贡献将共同构成转换器的输入参考电流。图9 构网型控制和标准STATCOM控制功能的控制框图转换器单元中测量到的直流电压作为直流电压平衡功能和同步控制器的输入。连续平衡单元电压是必要的，以实现在所有单元上均匀分布的电压，特别是在瞬态操作下。直流电压平衡功能将调节电池之间和变换器三相之间的电压分布，并将直流电压水平调节到参考值。同步控制器使用测量的直流电压和MV母线电压uSec(如图9所示)来确定转换器同步的相位角。这与电流控制器一起决定了变换器产生的电压幅值，给出了用于控制VSC的完整参考，uref = U·ejθ。使用构网型控制的改进
在EAF应用中包括构网型控制时，主要优点是中压母线电压(通常称为脏母线)变得更加稳定，谐波含量有效降低。大部分闪烁由开环闪烁变控制器补偿，该控制器直接测量馈线中的负载电流，但构网型控制还将补偿母线电压的快速变化。由于构网型控制测量电压，它也将抵消其他负载或事件引起的干扰。这些事件可以是连接在同一母线上的其他负载的切换，变压器的通电，甚至是高压电网的远程故障，本章将给出其中的一些例子。以下部分中显示的仿真结果是使用PSCAD导出的。STATCOM模型包括一个真实控制系统实现的详细副本，它被编译成一个库模型，由PSCAD模型调用。这种建模方法使详细研究不同系统事件和电弧炉运行模式下的控制行为成为可能。对负荷变化的响应：
除了如图1所示的EAF和LF外，中压母线还在炼钢厂中提供许多其他负载。其他大负载的连接和断开引起母线电压的阶跃，与改变主档位开关位置的方式相同。这种电压变化的一个例子如图10所示。一个大负载，包括一个电阻和电感部分，在t = 2秒连接，并在1秒后断开。负载与电弧炉连接在同一母线上，但所连接负载的电流不由STATCOM测量。在没有构网型控制的STATCOM中，电压的变化将不会被拾取，其结果是中压母线电压的立即步进。随着构网型控制的加入，STATCOM将通过向系统提供容性无功功率来部分补偿电压变化。在初始电压步进之后，参考反电动势(ubackEMFref，参见图9)的电压会慢慢适应实际母线电压，从而允许变换器有更多的无功功率用于闪烁补偿。在t = 3秒的负载断开时，STATCOM还通过限制电压步进来提高总线电压。图10 在同一母线上连接和断开大负载时RMS母线电压的响应在某些情况下，还包括一个电压控制器，将总线电压保持在预先设定的参考水平，而不是缓慢地适应实际情况，这可能是有利的。可以使用类似于传输系统中使用的STATCOMs的电压控制器，具有设置调节器灵敏度的电流升降调节。然而，它不适用于档位开关用于调节中压母线电压的系统。高压系统故障：
高压系统中的系统故障和其他突发事件也会影响中压母线电压。模拟了近站两相接地故障，故障发生时，中压母线上电压在150ms内下降，构网型控制将以与负载阶跃相同的方式作用于被测母线电压的变化并减小电压的阶跃。图11对比了有构网型控制和没有构网型控制的响应。图11 降压变压器初级侧两相接地故障时的中压母线电压变压器通电：
大型工业工厂中另一个常见的事件是变压器的通电激发。来自主中压母线的许多馈线连接到降压变压器以降低电压，并且此类变压器的通电将对母线造成干扰，有跳闸敏感负载(如电机驱动器，轧机等)的风险。研究了饱和模型下变压器通电的仿真实例。励磁涌流极不平衡，在通电过程中产生大振幅的低次谐波。在这里，构网型控制将补偿中压母线电压的变化，并作为低阶谐波的谐波沉降器。从图12的条形图中可以看出，在STATCOM中加入构网型控制功能，大大降低了母线电压的二阶至五阶谐波。图12 同一母线上变压器通电时的中压母线电压谐波（蓝色是没有使用构网型控制；红色是使用构网型控制的）谐波补偿：
在IEEE 519标准适用于谐波电流限制的许多地方，谐波滤波器将需要满足传输业主的要求。在某些情况下，根据网络条件，构网型控制可以将谐波电平降低到足以完全省略谐波滤波器，或至少减小滤波器尺寸。如果STATCOM可以在不需要大型谐波滤波器的情况下建造，则STATCOM的占地面积可以更小，功率损耗可以减少。利用PSCAD仿真，包括STATCOM和EAF模型，推导了谐波电流产生的一个例子。模拟中使用的EAF电流是基于真实操作的记录，持续时间超过600秒，用于闪烁性能模拟。研究了通过主降压变压器的电网谐波电流，并计算了其幅值为99%，3秒值。在图13中，谐波含量被分为二阶到九阶的特征谐波，以及谐波间群(根据IEC 61000-4-30)。与未启用构网型控制的STATCOM相比，在激活构网型控制的情况下，低次谐波减少。在四次谐波以下实现了最佳的降低，这也是可能需要谐波滤波器的谐波阶。作为调谐到特定频率的谐波滤波器的区别，构网型控制也阻尼了同一频率范围内的间谐波。尽管对谐波水平的具体要求并不常见，但这些要求可能会导致发电机或变压器绕组过热，从而吸收EAF产生的低频电流。结论
本文表明，在炼钢厂使用的STATCOM控制算法中引入构网型控制有几个好处。在公用事业应用中，构网型控制变得越来越普遍，在这些应用中，STATCOM安装在输电系统上，以提高系统的稳定性，并在瞬变和突发事件下支持系统。通过在STATCOM中使用相同的控制方案，其主要目的是在安装电弧炉或其他苛刻负载而导致的电能质量变差，从而减少闪烁并改善，可以实现几个益处。电弧炉等负载所在的母线电压将变得更加稳定，受其他负载切换、外部故障或事件、变压器通电等扰动的影响较小。可以减少电弧炉和其他负载引起的谐波含量，这在许多情况下可以减少安装大型谐波滤波器的需要。因此，可以减少空间站的占地面积以及STATCOM的功率损耗，这对整个生命周期成本和二氧化碳排放产生了积极影响。
参考文献
1. R. Grünbaum, B. Creutzer and M. Van Der Rest, “SVC Brings Productivity Improvements to OneSteel,” Steel Times International, September 2010.2. R. Grünbaum, T. Gustafsson, J-P. Hasler, T. Larsson, B. Aigner and D.C. Park, “STATCOM for Grid Code Compliance of a Steel Plant Connection,” CIRED, Vienna, Austria, paper 0519, 2007.3. R. Grünbaum, T. Gustafson, J-P. Hasler, T. Larsson and M. Lahtinen, “STATCOM for Safeguarding of Power Quality in Feeding Grid in Conjunction With Steel Plant Expansion,” Cigré,2004.4. “Need to Develop Grid-Forming STATCOM Systems,” position paper from the German Transmission System Operators, December 2020.作者
Jon Rasmussen：Senior Principal Engineer, Hitachi Energy Sweden AB, Vsters, Sweden jon. Rasmussen @ Carl-Johan Elm：Tendering and Sales Manager, Hitachi Energy Sweden AB, Vsters, Sweden carl-johan. elm1@唐杰民2024年5月在安徽黄山屯溪和上海翻译自某国的《钢铁技术》今年5月期刊。本人不是电器工程师，翻译起来手生，勉强按照干过电炉一点点小知识和理解进行翻译，肯定翻译有错误和不妥之处，请各位老师专家和看官给予指正
