CN101167032A - 使用可变电抗器控制多个炉上的电功率的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于稳定多个负载或单个多相负载中的能量消耗的方法和系统。该方法和系统还补偿多相负载中的不平衡。中央控制器监测负载中的可变电抗，并确定功率和/或电流波动和/或不平衡的情况。中央控制器确定其它负载/相进行的适当的校正动作，以补偿由于有问题的负载而引起的功率和/或电流变化或不平衡，并且发送控制信号，指示与该其它负载相关的可变电抗器控制器相应地做出调整。该方法和系统可以用于电弧炉装置。在本文中，该方法和系统提供了连接到进料速率控制器的电极位置控制器，以便预先预测新原材料的输入并降低电极，以便防止电弧熄灭，同时可变电抗器维持预定的功率设定点。该电极位置控制器可以用于取代可变电抗控制系统，采取校正动作来解决功率和/或电流变化或不平衡。可以采用该系统和方法维持系统中的预定水平的不平衡。

Description

使用可变电抗器控制多个炉上的电功率的系统和方法
相关申请的相互参引
本申请要求于2004年9月1日提交的美国临时专利申请No.60/606,342的优先权，其标题为“Power Control System forMultiple Electrical Loads(用于多个电负载的功率控制系统)”，在此通过引用的方式将其整个内容纳入本说明书。
技术领域
本发明总体涉及使用可变电抗器控制多个炉子上的电功率和/或电流的系统和方法，其中所述炉子从相同的电源提取电功率、电流。
背景技术
存在某些期望通过功率或电流控制和电流不平衡补偿来缓和和减轻可能由于功率或电流需量的波动和不平衡而导致的低效率和潜在损害的情况。例如，在交流(AC)电弧炉(EAF)负载的情况下，在多个电极和炉子中的材料之间产生电弧，以加热、熔化或冶炼金属、矿石或其它材料。这些电弧表现为随着时间变化并且主要是电阻性的阻抗。电弧电阻的变化引起炉子提取的功率和电流的相关变化。图1A中图解示出了电弧电阻、功率和电流之间的关系。
在图1A中，曲线A示出了电弧电阻从低值(短路)到高值(电弧损失)的变化。示例性工作电阻和电流点在曲线A上用点标出。图1A的曲线B示出了对于相应的电弧电阻变化由电弧提取的功率与电弧电流的关系曲线。示例性功率和电流工作点在曲线B上也用点标出。由电弧电阻变化导致的功率或电流波动影响电源系统并导致频率和电压扰动，这可能消极地影响电源的运行以及连接到相同电源的其它炉子负载。例如，电弧炉中的突然并且巨大的功率增加可能触发卸载继电器或发电机低频继电器跳闸，导致给该电弧炉的功率完全损失并且由于生产率损失而导致潜在的重大的经济损失。另外，在某些频率的电压波动可能造成光闪烁。
当AC EAF作为三相负载连接到三相电源时还出现了另一个问题。由于炉子中的电弧电阻在三相之间可能并不总是相等，所以各相之间的电流可能会不平衡。不平衡的电流又可能导致电压不平衡，这可能影响其它负载的工作，如电动机例如连接到相同电源的电动机等的工作。如果该电流不平衡超过了电源系统发电机的不平衡电流限，那么该不平衡就可能会导致该电源系统内的继电器跳闸，导致给炉子的功率损耗。
传统上，EAF的运行由电极定位系统控制，以在功率、电流或阻抗的期望设定点工作。该电极定位系统通常依赖于活动的机械部分，并且通常缺乏充分响应快速电阻变化的速度和灵活性。
为了减少电阻波动量，可以向炉子的电源增加一级或多级电抗器。这些串联电抗器迫使EAF以较低的功率因子工作并且因此允许更稳定地形成电弧。然而，只用电抗器可能不足以获得期望的功率稳定水平。另外，仅用电抗器不是降低电流不平衡的有效途径。这是因为其电抗值可能不会以电弧电阻变化那样快的速度改变。
已经进行了一些尝试来缓和电弧炉装置中的功率波动的影响。例如，Ma等人的美国专利No.6,603,795描述了一种用于通过使用可变电抗器控制和电极高度调节来降低有效功率波动而稳定电弧炉中的功耗的系统，在此通过引用的方式将其整个内容纳入本说明书。该系统监测炉子的工作特性，如电极阻抗等，并且相应地调节可变电抗。可以通过调整将电抗器耦合到所述电路的一组可控硅的点火角度，来控制该电路中的电抗。
图2示出了根据Ma等人的电弧炉的简化电路10的图。该电路10示出了线电压12、电弧阻抗14、固定电路电抗16以及可变电抗18。电弧阻抗14包括电弧电抗Xarc和电弧电阻Rarc。固定电路电抗16可以包括所述炉子变压器以及任何电力电缆、导线和电源系统与电极之间的母线配件(bus work)的电抗，其中可以认为该电抗相比于所述电弧阻抗14是恒定的。
Ma等人描述的功率控制系统响应于所测量的所述炉子的特性而改变电弧炉的电极和电源线的电抗阻抗(reactive impedance)。该系统监测所述电弧炉中的电极所提取的电压和电流，并确定电极阻抗。基于该电极阻抗，所述功率控制系统调节电抗阻抗，以最小化所述电弧炉的功耗波动，如电源所经历的。这通过调节可变电抗进行。与该控制系统相关的响应时间大约是一个电周期的数量级，提供了相对快的响应。
Ma等人还描述了一种电极位置控制器，其基于所测量的电极特性控制电极定位系统，以调整电极高度。例如，该电极位置控制器可以通过监测炉子的电压和电流特性来监测电极阻抗，并且可以调节电极的高度，以使电极阻抗变化所引起的功率波动最小化。该控制系统的响应时间相对慢，是几秒的数量级。
Ma等人的美国专利No.6,603,795所描述的系统一般能够最小化功率摆动(power swing)，并为单个炉子保持期望的设定点。然而，该系统在特定阈值以下使较大的功率下降(dip)最小化的能力有限。并且该系统没有被设计成能最小化三个电相之间的负载不平衡。
图1B说明了Ma等人的美国专利No.6,603,795所描述的系统在特定阈值以下使较大的功率下降最小化方面的限制。图1B中的曲线C示出了就满足具体的功率设定点而论为补偿负载电阻的变化所要求的可变电抗。曲线D示出了考虑到可变电抗器的实际大小限制的情况下所获取的可变电抗的量。还标出了在期望工作点所需的电抗和电流。曲线E示出了当在电路中插入曲线C的可变电抗时，对于相应的电弧电阻变化电弧炉所提取的功率与所提取的电流的关系曲线。也标出了所得到的工作点功率和电流。
如图1B中所示，如果电极电流I下降到低于临界值Icritical(例如，当电弧在一个电极下熄灭时)，则电路10将不能将功率保持在固定水平并且该功率将下降到低于功率设定点。临界值Icritical与降低到其最小值的可变电抗18一致。还可能存在限制电路10在电流上升到高于最大电流值Imax时将功率维持在设定点的能力的最大可变电抗设置。
需要解决与用于控制电炉中的功率和/或电流的前述控制系统和方法有关的一个或多个缺点或劣势或进行改进，或者至少提供一种有用的替代方案。
发明内容
本发明的各个方面总体涉及多个炉子的功率和电流调节。这些方面提供了用于调整多个炉子的功率和/或电流需量的系统和方法，以缓和一个或多个炉子内的波动或不平衡的电极电流对电源系统的影响。有利地，优选的系统和方法修改一个炉子中的设定点，以在努力维持所有多相负载上的恒定的总功率和/或设定点的过程中补偿对另一个炉子的设定点的偏离。与所述一个炉子相关的可变电抗器便于容易并快速地补偿另一个炉子中的功率和/或电流消耗的变化。
在一个方面，本发明涉及用于包括第一炉子和第二炉子的至少两个电炉(electric furnace)的控制系统。每个炉子具有至少一个电极并耦合到电源。该控制系统包括至少一个可变电抗器、与该至少一个可变电抗器相关的可变电抗控制器以及耦合到该可变电抗控制器的补偿控制器。该至少一个可变电抗器与至少第一炉子相关，并耦合在每个至少一个电极和电源之间。该可变电抗控制器与第一炉子相关，用于调整每个至少一个可变电抗器的设置。该补偿控制器包括监测装置，该监测装置用于监测所述至少两个炉子各自的工作特性，以及确定第二炉子的工作特性是否偏离设定点一超过阈值量的量。该补偿控制器还包括控制装置，该控制装置响应于监测装置，用于当所述工作特性偏离所述设定点一超过所述阈值量的量时产生一个或多个补偿信号。响应于从补偿控制器接收到一个或多个补偿信号，可变电抗控制器调整与第一炉子相关的至少一个可变电抗器的设置，以补偿第二炉子的工作特性对所述设定点的偏离。
在另一个方面，本发明涉及一种控制包括第一炉子和第二炉子的至少两个炉子的方法。每个炉子具有耦合到电源的至少一个电极，并且至少第一炉子与耦合在该至少一个电极和电源之间的至少一个可变电抗器相关。该方法包括以下步骤：监测至少第二炉子的工作特性；确定该工作特性偏离第二炉子的第一设定点一超过阈值量的量；以及控制与第一炉子相关的所述至少一个可变电抗器来调整第一炉子的设定点，以补偿该工作特性对第二炉子的所述设定点的偏离。
在另一方面，本发明涉及一种用于包括第一炉子和第二炉子的多个多相电炉的控制的控制系统。该系统包括与第一炉子的每个相相关的可变电抗器、与第一炉子相关并电耦合到每个可变电抗器的电抗器控制器以及与第一和第二炉子相关并电耦合到该电抗器控制器的补偿控制器。每个可变电抗器电耦合到电源的相应相并被配置，以改变提供给其所连接到的相的功率。电抗器控制器根据功率设定点向可变电抗器提供各自的电抗器控制信号，以控制提供给每个相应相的功率。补偿控制器向电抗器控制器提供功率控制信号，以控制第一炉子的每个相的功率设定点。补偿控制器被配置，以响应于第二炉子的功耗偏离第二炉子的功率设定点一超过阈值量的量而产生所述功率控制信号。
在再一方面，本发明涉及用于包括第一炉子和第二炉子的至少两个电炉的控制系统，每个炉子具有至少一个电极，并耦合到电源。该控制系统包括与至少第一炉子相关并且耦合在每个至少一个电极和电源之间的至少一个可变电抗器，以及与该至少一个可变电抗器相关的补偿控制器，该补偿控制器用于调整每个至少一个可变电抗器的设置。该补偿控制器包括监测装置和控制装置，该监测装置用于监测该至少两个炉子各自的工作特性以及每个可变电抗器的设置，并确定第二炉子的工作特性是否偏离设定点一超过阈值量的量，该控制装置响应于该监测装置，用于当所述工作特性偏离所述设定点一超过所述阈值量的量时产生一个或多个补偿信号。响应于从补偿控制器接收到一个或多个补偿信号，调整与第一炉子相关的至少一个可变电抗器的设置，以补偿第二炉子的工作特性对所述设定点的偏离。
有利地，根据前述各个方面的本发明的实施方案便于快速补偿多炉子系统中的功耗的变化，所述多炉子系统例如，诸如多炉子冶炼厂等，因此可以获得相对恒定的总功耗。为实现此点，至少其中一个炉子具有与每个相相关的可变电抗器，以改变各个相的电抗，并因此改变炉子的功率或电流消耗，以补偿共用相同电源的另一个炉子的功率或电流消耗的变化。有利地，可变电抗器的电抗可以在几分之一秒内变化，大约每个电周期一次。
通过本发明的实施方案实现的多炉子系统上的更恒定的功率和/或电流消耗降低了提供给炉子系统的电源被关闭的概率。这对于不能容忍大量偏离其指定工作条件的情况的弱或孤立(islanded)电源系统是特别有益处的。
附图说明
现在将通过实施例参照附图，附图示出了本发明的实施方案，并且其中：
图1A示出了说明电弧炉中的电弧电极的电弧电阻、电流和功率之间的关系的示例图；
图1B示出了说明使用耦合到电极的可变电抗器的电弧炉中的电弧电极的电弧电阻、电流、电抗和功率之间的关系的示例图；
图2示出了电弧炉的简化电路的每相图；
图3示出了由三相三线电力系统供电的多个电弧炉的简化电路图；
图4示出了根据本发明的实施方案的功率控制系统的每相框图；
图5示出了根据本发明的实施方案的用于一个或多个炉子的控制系统的部分的框图；
图6是可以供图5的控制系统使用的示例性控制系统结构的框图；
图7是可以供图5的控制系统使用的另一示例性控制系统结构的框图；
图8图解示出了在电弧损失状态下第一炉子的相量图(phasordiagram)的例子；
图9图解示出了补偿图8中所示的电弧损失状态的其它炉子的相量图的例子；
图10图解示出了在图8和9中表示的炉子的总功率消耗的相量图的例子；
图11以流程图的形式示出了稳定多个负载提取的功率的方法；
图12以流程图的形式示出了补偿多相负载中的不平衡的方法；以及
图13以流程图的形式示出了调整电极位置的方法。
具体实施方式
虽然关于电弧炉通过具体实施例描述实施方案，但是本发明并不限于应用于电弧炉。本发明的实施方案可以应用于任何其它类型的具有波动的有效或无效功率或电流需求的电负载，包括非电弧电极(non-arcing electrode)，或应用于任何其它类型的三相不平衡负载，包括那些具有三或四线电源的。
虽然在此描述的实施方案总体涉及每相具有一个电极的三相、三线电弧炉，但是应当理解，本发明可应用于仅具有一个电极的炉子，无论是电弧电极还是非电弧电极以及是DC(直流)电极还是AC(交流)电极，或者应用于具有其它数量的电极的炉子。具体地，本发明可以应用于多相电源的每相具有两个电极的炉子。例如，本发明可以应用于具有六个电极的三相炉子。
应当理解，对于每一种电炉结构，必须为通过电极的电流提供返回路径。这可以通过三相电源的导线或可以通过与电源导线分离的专用导线。在一个电极的炉子的情况下，电流的返回路径可以通过与不光滑(matte)或熔化的金属电接触的固定的导电介质。
在三相负载的情况下也出现了关于图1描述的这种保持功率设定点的困难，如将参照图3解释的。图3示出了多个电弧炉22(具有各自的电源电路F1、F2、...、Fn)的简化电路20。线电压被以三相12a、12b、12c示出。每个炉子包括三个电弧电极，A、B和C(未示出)——每相一个。
电弧炉的每个电源电路的每相包括可变电抗18(分别显示为XvarA1、XvarB1、XvarC1)以及固定电路电抗16。每相还包括电弧阻抗14，所述电弧阻抗14由电弧电抗(XarcA1、XarcB1、XarcC1)和在公共中性点N连接的电弧电阻(RarcA1、RarcB1、RarcC1)组成。通常，由于源电压、电弧阻抗14以及可变电抗18在相之间是不平衡的，所以中性点N未必在地电位。
电弧阻抗随时间而变化。对于每个炉子来说，可变电抗控制系统具有两个目标：第一个目标是纵使电弧阻抗变化也保持炉子功率尽可能接近设定点值；第二个目标是纵使电弧阻抗变化也最小化炉子的电流不平衡。电弧阻抗之一的变化导致所有三个电流Ia1、Ib1、Ic1以及炉子功率的相应变化。电弧阻抗的变化通常发生在一个或两个相上，而不是所有三个相一起。因此，每个相的可变电抗18应该被调节，以补偿功率的变化，以便调节功率和保持功率设定点。然而，该校正动作有效的程度是有限度的，并且这个限度对应于可变电抗18的可调节范围(如图1B中曲线D所示)。例如，在一个电弧熄灭的情况下，功率设定点可能不被保持，因为每个相上的可变电抗可以降低以补偿电弧损失的程度有限。因此，这势必导致电弧炉的相之间的不平衡。
在某种程度上，由于相的电弧阻抗14的变化而引起的炉子中的不平衡可以通过调节每个相的可变电抗18来补偿。而且，保持功率设定点的目的可能与保持相平衡的目的相冲突。例如，在一个电弧熄灭的情况下完全平衡相可能涉及使其它相的电流降低为零，这将导致不希望的总功率降为零。
当如图3所示多于一个炉子从共同的电源被供电时，上述例子突出了对两个附加目的的需要：不管每个炉子的可变电抗的限制，保持所有炉子提取的总功率尽可能接近设定点；以及不管每个炉子的可变电抗的限制，最小化炉子提取的电流的总不平衡。
在三相三线负载的有效功率稳定以及不平衡补偿的情况下，可以使用下述四个方程式表示这四个目的或控制目标：
对于每个三相负载 P 3 - φ = Re ( V a ‾ I a ‾ * ) + Re ( V b ‾ I b ‾ * ) + Re ( V c ‾ I c ‾ * ) = P sp - - - ( 1 )
对于每个多相负载
Figure A20058003788500142
Σ F 1 Fn P 3 - φ = Σ F 1 Fn [ Re ( V a ‾ I a ‾ * ) + Re ( V b ‾ I b ‾ * ) + Re ( V c ‾ I c ‾ * ) ] = P totalsp - - - ( 3 )
Figure A20058003788500144
其中 ( I a ‾ ) + ( I b ‾ ) + ( I c ‾ ) = 0 , 并且
Figure A20058003788500146
是负序电流。
该负序电流是对通过以下分解式(decomposition equation)给出的电流不平衡的测量：
I 2 ‾ = 1 / 3 ( I a ‾ + a 2 I b ‾ + a I c ‾ ) - - - ( 5 )
其中a＝-0.5+j0.866，I2是负序电流，Ia是相A的电流矢量，Ib是相B的电流矢量，Ic是相C的电流矢量。
在一个实施方案中，本发明以上面给出的先后顺序应用上述四个控制目标方程，即，最先两个目的是保持单个炉子的功率设定点(方程1)以及最小化该单个炉子内的功率不平衡(方程2)；并且如果通过调整该单个炉子内的可变电抗18不能满足这两个条件，则调整其它炉子中的可变电抗18以满足第三和第四个条件(方程3和4)。第三个条件是，无论该单个炉子的功率设定点Psp是否被满足，总的加和功率应该满足总功率设定点Ptotalsp。第四个条件是，不论单个炉子内的电流不平衡|I2|的状态，所有联合的炉子的总不平衡应该最小化。
上述条件不都是必要条件。一些实施方案可以仅包括这些条件中的某些条件。另外，这些条件的优先级可以不同。例如，在一个实施方案中，最小化总不平衡的目的(方程4)可以优先于保持总功率设定点的目的(方程3)。而且，这些条件的优先级可以随时间变化。这是因为不平衡对电力系统的负面效应大多数是热相关的并且随时间增加。然而，功率变化的不利影响与功率变化的速度有关，并且倾向于在发生突然功率变化以后立即就成为最大。因此，保持总有效功率设定点可以在发生大负载变化之后立即就具有较高的优先级，以便最小化对电源频率的影响。然而，对于持续的负载变化，最小化总不平衡变得更重要。
尽管上述表达式涉及保持每个负载的实(有效)功率设定点，但是它们可以被应用于保持其它功率设定点。例如，它们可以被应用到用于保持虚(无效)功率设定点、视在功率设定点或像功率因子设定点那样的功率组合的系统。
在此对功率稳定、功率设定点以及功率测量的参照可以同样应用于电流稳定、电流设定点以及电流测量。换句话说，控制系统100可以以与提供功率稳定相同的方式提供电流稳定。
在一些实施方案中，电流不平衡补偿可以具有保持预定水平的不平衡电流而不是最小化或消除不平衡电流的目标或条件。
在一些实施方案中，与不同相有关的负载可以特意具有不同的功率和/或电流设定点，意指整个系统具有某受控水平的不平衡。例如，这样的不平衡可能在炉子中是所希望的，以向最接近炉子排出口的电极提供更多功率和/或电流。这有助于局部加热排出口区域中的熔融金属，并且因此有助于局部降低熔融金属粘度，并改善从炉子中排出液体材料的能力。
现在参照图4，其示出了根据本发明的一个实施方案的功率控制系统100的框图。该功率控制系统100包括两个炉子(负载)，101a和101b。为了简化描述，图中仅图示了单相实施方案；然而，本领域的普通技术人员将会理解，所描述并图示的单相控制的功能和工作原理可以扩展到多相系统。另外，该功率控制系统可以用来控制提供给多于两个炉子的功率。
在本说明书中，涉及用具有后缀-a和-b的参考标号表示的部分或功能，为了方便在本说明书中参考，该后缀可以省略。例如，除非另有说明，“炉子101”将用来表示参考炉子101a和101b。
每个炉子101(在三相实施方案的情况下为每个相)包括耦合到炉子变压器114的次级侧的电极112。炉子变压器114的初级侧通过固定电路电抗116和可变电抗器118耦合到电源母线110。可变电抗器118可以替代地放置在变压器114的次级侧。
在一个实施方案中，可变电抗器118包括电感器120，该电感器120与串联连接的电感器123和可控硅开关122并联连接。每个可控硅开关122包括彼此极性相反地布置的可控硅对。
每个炉子(或相)包括可变电抗器控制系统，该可变电抗器控制系统包括第一变压器130，用于测量可变电抗器118的电源侧的电压；第二变压器132，用于测量可变电抗器118的炉子侧的电压；变流器134，用于测量流到炉子变压器114的主电流；以及电抗器控制器128。
该电抗器控制器128从所述第一和第二变压器130和132、变流器134以及期望的功率设定点输入136接收信息。所述电抗器控制器128基于使用这些信息执行的计算控制可变电抗器118。
该电抗器控制器128可以包括可编程设备，诸如数字信号处理器、微控制器、微处理器、个人计算机或专用集成电路(ASIC)等。该电抗器控制器128可以在所存储的包括计算机程序指令的程序控制的指引下工作，所存储的程序控制实现在此描述的功能和操作并被存储在诸如固件等存储元件中。为所述电抗器控制器128适当地编程以实现在此描述的功能或操作在本领域的普通技术人员能理解的范围内。本领域的普通技术人员也可以理解，所述电抗器控制器128可以使用硬件和/或软件的其它组合来实现。
电抗器控制器128通过调节可控硅122的点火角来控制可变电抗器118的电抗，从而增加或降低流过电感器123的电流。基于从所述第一和第二变压器130、132以及变流器134获取的不断发展中的电流和电压读数，所述电抗器控制器128门控(gate)可控硅122以改变电抗，以调整由于电弧阻抗波动而导致的电弧炉101中的功率摆动或不平衡(相对于所期望的功率设定点136)。
每个炉子101(或相)可以进一步包括电极位置控制器148，该电极位置控制器148从炉子变压器114的次级侧的变压器158和变流器160接收输入。该电极位置控制器148可操作地耦合到电极移动系统154，电极移动系统154用于调整电极112的高度以及因此调整电弧阻抗。因此，该电极位置控制器148可以调整电极112的高度，以补偿电弧阻抗的变化。该电极定位系统的响应时间一般比可变电抗系统慢至少一个数量级。
批进料系统170耦合到每个炉子101，以向炉子101提供新的材料，来抵消处理过的材料从炉子101的移出。每个批进料系统170由进料速率控制器172控制。该进料速率控制器172调整新材料的供应，并具有耦合到电极位置控制器148的输出，该进料速率控制器172通过该输出向电极位置控制器148提供与新材料的进料速率相应的数据信号。该电极位置控制器148使用该数据信号，预测对电弧阻抗的改变或补偿电弧阻抗的变化。例如，预测到将新材料引入一个炉子101a中，该电极位置控制器148a可以开始降低电极112a。
尽管电极112a降低并且由此导致电弧阻抗降低，电抗器控制器128a通过增加可变电抗器118a的电抗并因此防止功率超过功率设定点来保持炉子功率设定点水平。电极位置控制器148的预测动作将电极112a定位在这样的高度，以致减轻进入炉子的新材料对电弧路径的破坏。同时，电抗器控制器128通过调整可变电抗器118保持炉子功率设定点。
在完成将新材料送进炉子中后，电极112通过电极位置控制器148被向其先前的位置提升，并且由此导致电抗器控制器128进行调整，以确保在电极112移动期间保持炉子功率设定点。
再参照图13，其以流程图的形式示出了调整电极位置的方法600。该方法600始于步骤602，在步骤602电极位置控制器148从进料速率控制器172接收进料请求信号，该信号表示新的材料要输入到炉子101中。该进料请求信号可以由手动操作员启动进料指令导致，或可以在自动进料控制系统的情况下由自动进料指令导致。一旦电极位置控制器148接收到进料请求信号，它就在步骤604使电极阻抗设置无效，并在步骤606开始降低电极112。
当降低电极112的时候，在步骤608，电抗器控制器128通过调整可变电抗器118来保持功率和/或电流设定点。在步骤610，电极位置控制器148确定电极112是否已经到达所期望的位置。电极位置控制器148可以基于电极阻抗和/或所计算的电弧长度达到阈值作出决定。该阈值可以对应于一高度，在此高度电极112与渣池直接接触，从而最小化新材料破坏电弧路径的可能性。将电极112降低到这样的水平一般要花费几秒钟的时间。
一旦电极112到达所期望的高度，则在步骤612中，电极位置控制器148就向进料速率控制器172发送使能信号，以表示进料速率控制器172现在可以着手将新的原料输入炉子中。因此，在步骤614，进料系统170开始向炉子101输入新的材料。
在步骤616，进料系统170向所述电极位置控制器发送完成信号(未示出)，以表示进料过程结束。响应于该信号，在步骤618，所述电极位置控制器开始收回或提高电极。再次，当电极112的高度改变时，在步骤620，电抗器控制器128调整可变电抗器118的值，以保持功率和/或电流设定点。在步骤622，所述电极位置控制器148确定电极112是否已经到达所期望的高度。该确定可以基于电极阻抗，该电极阻抗可以与在步骤604被暂时无效的电极阻抗设定点进行比较。一旦电极阻抗(或电弧长度或其它测量)达到适当的设定点，则在步骤624，所述电极位置控制器148就保持电极位置并返回正常操作。
在该实施方案中，可以通过调整可变电抗器118、调整电极位置或通过两者来补偿电弧阻抗的波动。还将会理解，电极位置的调整是一般需要比调整可变电抗器118更多的时间的校正动作，可变电抗器118的调整可以随电源电压的每半个周期发生。因此，可变电抗控制系统(也就是说，可变电抗器118结合电抗器控制器128)可以比电极定位系统更快地响应电弧阻抗的变化，允许电极定位系统有时间对变化作出反应。
为了对功率和/或电流波动反应和/或控制不平衡，在此描述的方法和系统可以使用可变电抗控制系统、电极定位系统、或两者来实现。尽管下述实施方案涉及使用可变电抗控制系统进行功率和/或电流稳定或不平衡补偿，但是本发明并不限于使用可变电抗控制系统。其它实施方案可以只使用电极定位系统或使用结合可变电抗控制系统的电极定位系统。
再次参照图4，功率控制系统100还包括中央控制器200。该中央控制器200耦合到每个炉子(或相)，以接收关于每个炉子的工作特性的测量数据。例如，在一个实施方案中，该中央控制器200耦合到每个电抗器控制器128，并且特别耦合到每个变流器134，以接收每个炉子的电流测量。
该中央控制器200还包括耦合到每个电抗器控制器128或特地耦合到每个第一变压器130的输入，以接收每个炉子的可变电抗器118的电源侧的电压的测量。换句话说，中央控制器200接收每个炉子(或相)的电压和电流测量。中央控制器200可以通过与专用附加变流器和变压器、可变电抗控制电路中使用的变流器134和变压器130的直接耦合，或间接从电抗器控制器128的一个或多个输出端口，接收电压和电流测量。将会理解，可以有借以向中央控制器200提供每个炉子(或相)的电压和/或电流测量的其它布置。
通过中央控制器200监测的工作特性包括每个可变电抗器118的设置或值。可变电抗器设置被从每个电抗器控制器128输入到中央控制器200。例如，每个电抗器控制器128将其计算的电抗设置输出到中央控制器200。
中央控制器200还包括用于接收总功率设定点值208的输入。该总功率设定点值208是根据每个炉子的单独期望功率设定点输入136的总和计算得出的。优选地，中央控制器200从每个电抗器控制器128接收单独功率设定点值136，并通过将所接收到的值求和来计算总功率设定点值208。
中央控制器200可以包括数字信号处理器、微处理器、微控制器或其它可编程设备，其用于执行存储在存储器例如固件中的程序，以实现在此描述的功能。将会理解，中央控制器200的功能可以使用多个不同的硬件和/或软件配置来实现。为中央控制器200合适地编程在考虑本说明书的本领域的普通技术人员知晓的范围内。
中央控制器200根据一个或多个上述条件调整所有炉子的整体操作(以及每个多相炉子的每个相上的功率)。因此，中央控制器200包括耦合到每个电抗器控制器128的第一输出端口202。中央控制器200通过第一输出端口202输出第一控制信号，从而向电抗器控制器128提供指令，以调整可变电抗器118。在一个实施方案中，中央控制器200还包括耦合到电极位置控制器148的第二输出端口204。中央控制器200通过第二输出端口204输出第二控制信号，从而向电极位置控制器148提供指令，以调整电极高度。所述第一和第二控制信号可以包括由中央控制器200计算的、满足一个或多个条件的值。中央控制器200所计算的值将使电抗器控制器128所计算的值无效，以决定其对相应可变电抗器118的控制。
在一个实施方案中，中央控制器200稳定多个三相负载的功耗，以便满足上述的第一和/或第三个条件。所述第一条件(由方程1例示)要求炉子的每个电极所提取的功率的总和等于该炉子的功率设定点值。所述第三个条件(由方程3例示)要求所有炉子的单独功耗的总和等于整个系统的总功率设定点值。
中央控制器200监测每个炉子(或相)的工作特性，并确定炉子(或相)是否已经不能单独地补偿功率下降。例如，给定的三相炉子A可能经历三相功率下降，并可能试图使用可变电抗器118来补偿。中央控制器200监测电流和电压以及炉子A中的可变电抗器118的设置。
如果可变电抗器118的设置达到最小或最大值，并且炉子A所提取的功率偏离炉子A的功率设定点PspA的量超过预定量P，那么中央控制器200将运行，以补偿该偏离。中央控制器200计算炉子A所提取的功率低于(或高于)所期望的功率设定点PspA的程度，并且指示其余的炉子将其所提取的功率增加或降低一定的量，以补偿炉子A中的功率偏离。
类似地，例如，在单个三相炉子中，一个相可能经历功率的下降或增加，并且中央控制器200可能试图使用与该相相关的可变电抗器118进行补偿。如果用于该相的可变电抗器控制器128由于可变电抗器118的设置达到最大或最小值并且功率还没有回到其设定点而不能进行补偿，则中央控制器200确定用于该相的可变电抗器控制器128不能单独解决该功率改变。因此，中央控制器200可以确定其余相必须增加或降低其所提取的功率以补偿一个相上的不足或增加的量。然后它发出控制信号，以指示其余相上的可变电抗器控制器128通过调整其功率设定点并且因此调整其可变电抗器118的电抗值来调整其功耗。
再参照图11，其示出了稳定至少两个负载的功耗的方法400的流程图。该方法400始于步骤402，在步骤402中央控制器200监测炉子中的电负载的工作特性。具体而言，中央控制器200监测负载是否工作在预定的功率设定点。它还监测每个负载的可变电抗器的值或设置是否已经达到最大或最小设置。在步骤404，中央控制器通过评估负载所提取的功率是否已经偏离设定点来确定是否需要校正动作。它还评估与该负载相关的可变电抗器(或在三相负载的情况下，三个可变电抗器中的任何一个)是否已经达到最大或最小值。如果这两种状况已经发生，那么中央控制器识别出需要进行补偿来稳定功耗，并且该方法继续到步骤406。如果这些状况不存在，即，如果所提取的功率没有偏离设定点或相关的可变电抗器没有达到最大或最小值，那么该方法返回到步骤402，以继续监测形势。
将会理解，所述负载可以是单独的三相炉子中的每相负载，或者可以是与多个炉子相关的三相负载。在后者的情况下，所述中央控制器可以接收每个炉子中的每个相的单独输入，并且可以监测每个炉子中的每个相的可变电抗器。
在步骤406，所述中央控制器确定其必须采取校正动作以保持整体的总功率设定点的程度。它计算所测量的提取功率和整体的总功率设定点之间的差。例如，如果其中一个负载具有70MW的功率设定点，并且已经下降到50MW的实际功耗，并且其它两个负载在70MW的功率设定点提取功率，那么有20MW的不足。
在步骤408，所述中央控制器确定补偿所计算的差而在其它炉子(而不是经受困难的炉子)中所需的功率变化。所述中央控制器可以采用很多规则或算法来确定其它负载应该补偿功率不足的程度。在一些实施方案中，所需的附加功耗可以在其它炉子之间平均分配。在其它实施方案中，可以应用更复杂的规则确定所需的附加功耗的相对分配。
在一个实施方案中，所述中央控制器可包括存储查找表的存储器。该查找表可以为与具体负载相关的具体功率不足规定其它负载要实现的相应功率增加。所述中央控制器还可以针对落在该查找表中的两个条目之间的值应用插值法。该查找表的值可以部分基于电源的热短期能力曲线(thermal short term capability curve)以及具体炉子工作点的过程(process)。
一旦中央控制器200已经确定补偿功率不足对其它负载所要求的相对功率增加，那么在步骤410它就向与所述其它负载相关的可变电抗器控制器128发出功率越权(override)命令。例如，它可以发送指定特定负载的新功率设定点的控制信号。替代地，它可以发送指定特定负载的现有功率设定点应该增加的增量的控制信号。该功率越权命令还可以包括越权持续时间。该越权持续时间可以是存储在中央控制器200中的预定值。该越权持续时间可以取决于情况并且可以由查找表指定。
在步骤412，与所述其它负载相关的每个可变电抗器控制器128接收其功率越权命令，并相应地调整其特定负载的功率设定点。在步骤414，可变电抗器控制器128通过确定其相关的可变电抗器118的新值对调整的特定负载的功率设定点作出反应。相应地，可变电抗器的值被改变，并且每个所述其它负载提取的功率发生改变，以满足调整的特定负载的功率设定点。可变电抗器控制器128保持这些调整的特定负载的功率设定点，直到越权持续时间终止。
在步骤416，可变电抗器控制器128确定越权持续时间是否已经终止。如果已经终止，那么在步骤418，它们重新设置其特定负载的功率设定点，以移除越权分量并返回正常操作。然后所述方法400返回到步骤402，在步骤402中央控制器200继续其监测功能。
在一个替代实施方案中，在步骤418，中央控制器200重新评估负载的功耗，并确定有问题的负载是否已经返回到正常操作，例如，功率不足问题是否已经解决。如果已经解决，那么它就取消越权命令并返回步骤402。如果没有解决，那么它可以延长越权时间，根据查找表中的进一步指示修改越权命令，或者取消越权并提醒操作者该问题。
在另一个替代实施方案中，控制系统100不以与每个可变电抗器118相关的各个可变电抗控制系统128为特征。相反，中央控制系统200直接控制每个可变电抗器118。例如，三相负载可以具有用于每个相的可变电抗器118，并且控制系统100可以提供耦合到每个可变电抗器118的中央控制器200，用于监测每个相的工作特性以及管理对每个可变电抗器118的相应调整。这样的实施方案可以实现为Y结构的三相负载，即，通过没有中性线连接的3线系统供电的负载。
可以将不同的设定点用于三相负载的每个相，导致预定水平的不平衡。三个负载的相互关系导致方程组，中央控制器200解该方程组，以确定为解决对其中一个或多个设定点的偏离而必需的对所有三个可变电抗器的调整。一个可变电抗器118的变化影响所有相的工作特性。为了调整相的特性，以便解决对设定点的偏离，对所有的可变电抗器118进行调整。考虑所有相的特性，确定对每个可变电抗器的调整。
除实现功率稳定功能以外，或作为对实现功率稳定功能的替代，中央控制器200可以实现不平衡补偿功能。上面列出的第二个条件(方程2)表示三相负载中的不平衡应该最小化。第四个条件(方程4)表示多个三相负载的系统中的总不平衡应该最小化。
再次参照图4，中央控制器200监测一个或多个三相负载中的不平衡的程度。在具有三相负载的单个炉子的情况下，中央控制器200确定该三相负载中的不平衡的程度，并向可变电抗器控制器128提供校正指令，以最小化该不平衡。在各具有三相负载的多个炉子的情况下，中央控制器200确定炉子的整个组合是否表现出不平衡。它可以评估总不平衡是否是由一个炉子中的显著不平衡引起的，以及该炉子是否不能补偿。然后它向其余的炉子提供校正指令。
例如，在单个炉子的情况下，中央控制器200监测每个相中的电流，并根据方程5确定炉子的负序电流I2。如果负序电流I2的计算表明该炉子不平衡，那么中央控制器200可以确定校正动作，以最小化该不平衡。例如，它可以得出结论：该不平衡是一个相中的低电流测量导致的，并且它可以通过降低其它两个相中的电流来校正该不平衡。这将导致功耗降低，并且需要对照保持功率设定点的目的进行评价。中央控制器200可以包括存储器，该存储器存储用于针对给定情况决定适当的校正动作的逻辑规则或查找表。
为了补偿不平衡的情况，中央控制器200向可变电抗器控制器128输出命令信号，并且作为响应，可变电抗器控制器128调整其相关的可变电抗器118的电抗。如上所述，在一个实施方案中，所述命令信号可以包括将用于替换负载的正常功率设定点的越权功率设定点。在另一个实施方案中，所述命令信号可以包括增量形式的功率设定点增加或降低。可以使用其它命令信号替代设定点越权信号，包括指定电流设定点或可变电抗器值或设置。
再参照图5，更详细地描述中央控制器200。中央控制器200的功能是监测并控制可变电抗器118以及电极位置控制器148，以确保每个炉子中的每个相及每个炉子本身在其设定点工作。为此，中央控制器200直接或通过中间控制器(如下面将描述的)与可变电抗器控制器128通信，以促成对可变电抗器118的电抗值的调整。
中央控制器200由于其监测和补偿功能，也被称为补偿控制器或总控制器，其包括计算机处理器220，该计算机处理器可以包括单个中央处理器(CPU)或多个处理器。计算机处理器220执行软件模块形式的计算机程序指令，所述软件模块被编程来促成在此描述的监测和控制功能。由计算机处理器220执行的计算机程序指令存储在存储器222中，并在必要时被计算机处理器220访问。中央控制器200还包括可以由计算机处理器220访问的数据库存储器226，该数据库存储器226用于存储包含与具体设定点相对应的电抗值和/或可控硅门控角值的查找表。数据库226还可以包含中央控制器200在其监测和控制功能运行期间所接收的历史和分析数据。
中央控制器200还包括用于允许炉子的操作员与中央控制器200进行交互的用户接口224，或与其相关。用户接口224可以是任何形式的标准用户接口设备，包括，例如一个或多个显示器、键盘和诸如鼠标之类的光标定位设备。而且，用户接口224可以包括网络连接，用于从连接到网络的多个计算机终端到中央控制器220的分布式接口。
在多个炉子的情况下，中央控制器200可以监测多个三相负载的总功率或电流不平衡，以及每个三相负载的定位系统和可变电抗器118的设置。中央控制器200还可以，或可以替代地，监测多个三相负载中的任何一个中的显著功率或电流不平衡。如果存在不平衡的情况并且一个或多个可变电抗器118在其最大或最小设置，那么可能需要中央控制器200进行校正动作来补偿一个炉子的能力缺乏，以通过根据修改的设定点调整另一个炉子的可变电抗器和/或电极位置来达到所述一个炉子的设定点。
在多个炉子的情况下，每个炉子可以具有其自己的“中央”或“中间”级别的控制器，该控制器耦合到与三个相负载相关的三个可变电抗器控制器128。于是中央控制器200可以直接与中间控制器通信。换句话说，可以有控制器的“嵌套”。替代地，如图6所示，可变电抗器控制器128可以控制多于一个可变电抗器，并且直接与中央控制器200通信。从而，可变电抗器控制器128可以充当形式中间控制器。如图7所示，中央控制器200还可以，或可以替代地，直接与每个相的可变电抗器控制器128通信。
为了监测每个负载的不平衡，中央控制器200可以直接通过变流器134接收电流测量。在另一个实施方案中，中央控制器200可以从每相可变电抗器控制器128获取电流测量。在还一个实施方案中，中央控制器200可以从每个炉子的中间控制器获得电流测量。在其它实施方案中，中央控制器200可以从其相关的中间控制器接收所计算的每个三相炉子的不平衡状况。
在任何情况下，中央控制器200监测总不平衡和/或各个炉子的不平衡，并监测与其中一个经历不平衡的炉子相关的可变电抗器是否在其设置范围或值范围的端点。这表示该炉子不能单独补偿不平衡情况。因此，中央控制器200试图通过在一个或多个其它炉子中引入偏移不平衡来补偿一个炉子的不平衡。中央控制器200以这种方式监测并补偿炉子系统中的所有炉子上的不平衡功率。
中央控制器200确定偏移与不平衡的炉子相关的负序电流I2所需的负序电流I2的量。如上面结合功率稳定所解释的，中央控制器200可以利用逻辑规则或算法来计算产生偏移负序电流I2对其余的炉子所要求的适当的变化。中央控制器200可以查阅存储在中央控制器200的存储器222或数据库226中的查找表，以确定采取适当的校正动作所要求的电抗值。该校正动作可以包括指示其它炉子增加或降低一个或多个相上的功率或电流。
由中央控制器200发给中间控制器或可变电抗器控制器128的命令信号可以包括具体相的越权功率或电流设定点，并且可以包括越权持续时间。在一个实施方案中，其中中央控制器200向中间控制器发送其命令信号，并且该命令信号指定对炉子要求的具体负序电流I2，另外该中间控制器可以存储表明与具体负序电流I2、提取功率和电弧阻抗相关的可变电抗值的查找表。可以使用插值法来确定在该表中的条目之间的值。于是该中间控制器可以向每相可变电抗器控制器128发送指定其相关的可变电抗118的设置的控制信号。
现在参照图12，其示出了补偿一个或多个多相负载中的不平衡的方法500。该方法500始于步骤502，在步骤502中央控制器200监测一个或多个负载/相的工作特性。具体而言，中央控制器200监测所述负载/相的不平衡是否超过阈值。该阈值可以被设置为零，意味着任何不平衡都将被注意到，但是在实践中该阈值可以被设置为允许小量的不平衡而不触发补偿。例如，该阈值可以被设置为约10％。中央控制器200还可以监测一个或多个负载中的任何相的可变电抗器118的值或设置是否已经达到最大或最小设置。
在步骤504，中央控制器200通过评估一个或多个负载中的不平衡是否超过阈值来确定是否需要校正动作。它还可以确定导致总不平衡的具体负载，即不平衡负载。它还评估与不平衡负载相关的可变电抗器118的电抗是否已经达到最大或最小值。如果已经发生了这些状况，那么中央控制器200识别出需要进行补偿以重新平衡功耗，并且该方法继续到步骤506。如果这些状况不存在，也就是说，如果整个系统是平衡的，或者如果相关的可变电抗器118没有达到最大或最小值，那么该方法返回步骤502以继续监测形势。
在步骤506，中央控制器200确定其必须采取校正动作以补偿所探测到的不平衡的程度。在单个多相负载的实施方案中，它确定一个相上的不平衡的幅度，并确定必须对其它相进行的、以补偿并平衡系统的调整。在多炉子的实施方案中，它确定不平衡的炉子的负序电流I2，以便确定对其它负载要求偏移负序电流的程度，以便平衡整个系统。
在步骤508，中央控制器200确定补偿不平衡而在其它炉子(而不是经受困难的炉子)中所需的电流和/或功率变化。例如，如将在下面结合图4至图6通过实施例描述的，在多负载的情况下，中央控制器200可以确定为消除可归因于不平衡负载的负序电流而在每个相上所需的负序电流。然后中央控制器200可以将所需的每相负序电流分配到每个负载，并计算为引入足够的不平衡来产生负序电流而在每个负载处所需的每相调整。
中央控制器200可以采用多种规则或算法来确定其它负载可以怎样补偿不平衡。在一些实施方案中，所需的不平衡可以在其它炉子之间平均分配。在其它实施方案中，可以采用更复杂的规则确定所需不平衡的相对分配。
在一个实施方案中，中央控制器200可以将查找表存储在数据库226或存储器222中。该查找表可以为具体的不平衡状况指定其它负载的每个相上的、抵消不平衡的相应功率和/或电流调整。中央控制器200还可以针对落在该查找表中的两个条目之间的值使用插值法。
一旦中央控制器200已经确定补偿不平衡而对其它负载中的每个相要求的相对功率和/或调整，那么在步骤510它就向与所述其它相/负载相关的可变电抗器控制器128发送越权命令。例如，它可以发送指定特定负载的新功率或电流设定点的控制信号。替代地，它可以发送指定特定负载的现有功率或电流设定点应该增加的增量的控制信号。该越权命令还可以包括越权持续时间。该越权持续时间可以是存储在中央控制器200中的预定值。该越权持续时间可以取决于情况，并且可以由查找表指定。
在步骤512，与所述其它负载上的每个相相关的每个可变电抗器控制器128接收其越权命令，并相应地调整其操作。例如，这可以包括调整特定负载(或特定相)的功率或电流设定点。在步骤514，可变电抗器控制器128调整其相关的可变电抗器118，以满足由所述越权命令指定的越权设置。相应地，可变电抗器118的值被改变，并且每个所述其它负载/相提取的功率和/或电流被改变。可变电抗器控制器128保持该调整的特定负载的功率和/或电流设定点，直到越权持续时间终止。在步骤516，可变电抗器控制器128确定越权持续时间是否已经终止。如果已经终止，那么在步骤518它们重新设置其特定负载的功率和/或电流设定点，以移除越权分量并返回正常操作。然后所述方法500返回步骤502，在步骤502中央控制器200继续其监测功能。
在一个替代实施方案中，在步骤518，中央控制器200重新评估负载的不平衡，并确定有问题的负载是否已经返回正常操作，例如，不平衡的问题是否已经解决。如果已经解决，那么它就取消越权命令并返回步骤502。如果没有解决，那么它可以延长越权时间，根据查找表中的进一步指示修改越权命令，或者取消越权并提醒操作者该问题。
通常，所希望的是，使越权的持续时间相对短，以让每个炉子保持其自己的设定点，如果可能的话。而且，功率设定点的增加可能超出某些电源部件的额定容量(rated capacity)，并且在持续时间上应该受到限制，以使增加的设定点不超过设备的过载能力曲线。这样的能力曲线一般允许比持续额定值大的短期容量，而不损害设备。因此，更短的越权持续时间允许更高的设定点增加。例如，变压器过载曲线可能允许超过其额定值200％的增加持续几秒钟，但是允许只超过其额定值110％的增加持续最高达五分钟。每个越权幅度的允许越权持续时间可以被计算，并存储在数据库226中的查找表中。
设定点越权可以由于持续时间终止或引起越权的偏离被校正而结束。一旦越权结束，那么可以允许设定点返回其原始水平。该返回可以被允许以预定速率进行，以便逐渐持续下降并避免功率值的大变化。例如，设定点可以被允许以大约每秒1％的速率降低或增加到其原始水平。
在方法500的一个实施方案中，步骤504还可以包括对于诸如功率或电流等给定的工作特性监测偏离的程度以及偏离延长的时间段。例如，如果监测的工作特性对其设定点的偏离超过预定偏离(即超过阈值)，那么中央控制器200可以确定需要校正动作。该预定的偏离程度还可以受持续时间的可接受时间段限制。
在中央控制器200确定需要校正动作之前允许的偏离的程度和时间段互相成反比变化。例如，偏离的程度越大，该偏离被允许的时间段越短。相反，可以允许较小的偏离程度，以持续相对长的时间段。例如，在采取校正动作之前20％的偏离仅可被允许几分之一秒，而少于5％的偏离可以被允许多秒钟或几分钟。
根据一个实施方案，炉子之间的交叉补偿可以执行如下。中央控制器200监测工作中的炉子的数量并监测每个炉子中的设定点和实际功率、电流和不平衡。中央控制器200确定是否有炉子的任何工作特性已经偏离其设定点一超过预定量的量，以及本地可变电抗控制器128是否还没有校正该偏离。中央控制器200可以通过监测相关炉子的可变电抗器设置以确定该设置是否已经达到极限值以致不再是可调整的，来确定这一点。替代地，中央控制器200可以监测偏离的时间段。长于比如五个周期的偏离可能表示可变电抗器控制器已经遇到调节极限，并且不能按照必需的补偿所要求的进行进一步调整。
如果所述中央控制器确定需要校正动作，那么它基于其它工作的炉子的实际工作特性将偏离分配到这些炉子。然后中央控制器200向该其它炉子发送设定点越权命令并指定越权持续时间。如果在该越权持续时间期间第二设定点变化成为需要的，可以向在与这些炉子相关的可变电抗器的控制范围内的其余炉子发送另一设定点越权。下面在表1中对此进行了说明，其中炉子F4的炉子功率在t0时刻从70兆瓦下降到30兆瓦，随后炉子F3中的功率在t1时刻从100兆瓦下降到90兆瓦。
表1-随时间的功率补偿
F4的炉子功率从70下降到30，随后F3的功率从100下降到90。
  炉子  t0时刻的功率   t1时刻的功率   t2时刻的功率
  F1  40   40+(1/4*40)＝50   50+1/2*10＝55
  F2  40   40+(1/4*40)＝50   50+1/2*10＝55
  F3  80   80+(1/2*40)＝100   90
  F4  70   30   30
  总功率   230   230   230
现在参照图8、9和10，其图解示出了根据本发明的示例实施方案的相量图。在该示例实施方案中，功率控制系统100(图4)包括四个三相负载：炉子F1、F2、F3和F4。炉子F1的相A上的电弧已经熄灭。
图8示出了基于炉子F1提取的电流的四个相量图250、252、254、256。第一个相量图250示出了该三相负载的三个相的a-b-c电流分量，其中一个相已经被略去。具体而言，第一个相量图250示出了相B电流分量258和相C电流分量260。由于相A上的电弧损失所以看不见相A电流分量。
三相矢量组可以分解成三组平衡矢量：正序组(positive-sequence set)、零序组(zero-sequence set)以及负序组(negative-sequence set)。正序组中的所有相量具有相同的幅度，负序组和零序组中的所有相量也是如此。完全平衡系统会具有与a-b-c电流相量图一致的正序组。不平衡系统将具有其相量具有非零幅度的负序组和/或零序组。对于三线系统，诸如实施例中的三线系统，零序电流不能流过，所以所有情况下的零序组可以具有零幅度。
在图8中，第三个相量图254示出了已经损失相A上的电弧的情况下的相量的正序组。第四个相量图256示出了负序组。该正序组包括相A、相B和相C的正序相量262、264和266。类似地，该负序组包括相A、相B和相C的负序相量268、270和272。应当注意到，将第三相量图254和第四相量图256求和会产生第一相量图250，因为相A的正序相量262将抵消相A的负序相量268。
功率控制系统100识别出炉子F1中的功率已经下降并且炉子F1的电抗器控制器128(图4)已经不能校正该功率下降和不平衡状况。这四个炉子提取的总功率下降了炉子F1不足其功率设定点的量，并且炉子F1中的不平衡状况导致这四个炉子提取的功率的总平衡状况。因此，功率控制系统100指示炉子F2、F3和F4的电抗器控制器128调整炉子F2、F3和F4的可变电抗器118(图4)，以增加这些炉子提取的功率，并引入一定程度的相不平衡，以抵消炉子F1引起的不平衡。
图9示出了基于电抗器控制器128调整可变电抗器118之后炉子F2、F3和F4中的电流的四个相量图280、282、284、286。第一个相量图280示出了相A、相B和相C的电流相量288、290和292。相量288、290、292具有不同的幅度，并且相互的相位差不是120度——即它们是不平衡的。
第三个相量图284示出了相A的正序相量294、相B的正序相量294和相C的正序相量，并且第四个相量图286示出了相A、相B和相C的负序相量300、302和304。第四个相量图286中的负序相量300、302、304的幅度表示通过调整炉子F2、F3和F4的可变电抗器118引入每个炉子F2、F3和F4中的不平衡的量。
图10示出了所有四个炉子F1、F2、F3和F4提取的电流的总和的四个相量图310、312、314、316。应当理解，电流的和是平衡的，如第四个相量图316中没有任何负序相量以及第一个相量图310与第三个相量图314之间的一致所表明的。
下面两个表进一步说明上述的实施例。第一个表，表2，示出没有功率稳定系统的情况下某些变量的值。第二个表，表3，示出功率控制系统100(图4)进行调整之后上述变量的值。
表2-没有功率稳定或不平衡补偿
      XvarA    XvarB    XvarC     PSP    P      IA    IB    IC    I1    I2    I2/I1
      欧姆     欧姆     欧姆      MW     MW     A     A     A     A     A     ％
F1    3.9      3.9      3.9       70     35     0     1262  1262  729   729   100.0
F2    3.9      3.9      3.9       70     70     1458  1458  1458  1458  0     0.0
F3    3.9      3.9      3.9       70     70     1458  1458  1458  1458  0     0.0
F4    3.9     3.9       3.9       70     70     1458  1458  1458  1458  0     0.0
总和                              280    245                      5103  729   14.29
表3-功率稳定和不平衡补偿
      XvarA    XvarB    XvarC     PSP    P    IA     IB     IC     I1     I2    I2/I1
      欧姆     欧姆     欧姆      MW     MW   A      A      A      A      A     ％
F1    0        0        0         70     46   0      1443   1443   833    833   100.0
F2    0        6.8      0.5       70     78   1783   1431   1373   1516   269   17.74
F3    0        6.8      0.5       70     78   1783   1431   1373   1516   269   17.74
F4    0        6.8      0.5       70     78   1783   1431   1373   1516   269   17.74
总和                              280    280                       5371   49    0.91
在表2和3中，在上述两种情况下炉子F1的相A上的电流都是零，并且第一个炉子F1是100％不平衡的。在这两种情况下，每个炉子的期望的功率设定点是70MW，整体的总功率设定点是280MW。在没有功率稳定的情况下，其它三个炉子F2、F3和F4是完全平衡的，并在70MW的功率设定点工作。在这种情况下系统的总结果是功率下降约35MW，并且不平衡超过14％。
在第二种情况下——其中功率控制系统100已经导致对炉子F2、F3和F4中的可变电抗118(图4)进行了调整，这四个炉子的总功耗通过增加炉子F2、F3和F4提取的功率而被保持在总功率设定点280MW。根据表3显而易见的是，已经对炉子F2、F3和F4中的可变电抗器118进行了调整，为的是调整这些炉子的每个相所提取的电流，从而增加消耗的功率并增加每个炉子中的不平衡。引入炉子F2、F3和F4中的不平衡约为17.74％，不过效果是将发电机所经历的总的相不平衡降低到不足1％。
尽管可变电抗器118被示为包括单对可控硅开关，但是应当理解，其它结构，例如，诸如多级可控硅开关，可以用于可变电抗器118。替代地，其它类型的功率开关可以用于取代可控硅。
在不偏离本发明的精神或本质特性的情况下，本发明可以以其它具体形式体现。本发明的某些改进和修改对本领域的普通技术人员是显而易见的。因此，上述实施方案被认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附的权利要求书而不是上述描述表示，因此旨在在权利要求的等同物的意义和范围之内的所有变化都包含在本发明的范围内。

Claims (37)

1.一种用于包括第一炉子和第二炉子的至少两个电炉的控制系统，每个炉子具有至少一个电极，并耦合到电源，所述控制系统包括：
至少一个可变电抗器，该至少一个可变电抗器与至少第一炉子相关并耦合在每个至少一个电极和电源之间；
可变电抗控制器，该可变电抗控制器与所述至少一个可变电抗器和第一炉子相关，用于调整每个至少一个可变电抗器的设置；
补偿控制器，该补偿控制器耦合到所述可变电抗控制器并包括：监测装置，用于监测所述至少两个炉子各自的工作特性以及确定第二炉子的工作特性是否偏离设定点一超过阈值量的量；以及控制装置，响应于所述监测装置，用于当所述工作特性偏离所述设定点一超过所述阈值量的量时产生一个或多个补偿信号，其中，响应于从所述补偿控制器接收到一个或多个补偿信号，所述可变电抗控制器调整与第一炉子相关的至少一个可变电抗器的设置，以补偿第二炉子的工作特性对所述设定点的偏离。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述控制装置包括越权计算组件，用于计算除第二炉子之外的每个炉子的越权设置，并且其中所述一个或多个补偿信号包括该越权设置。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述补偿控制器能访问包含查找表的存储器，并且其中所述越权计算组件从存储在所述查找表中的多个越权设置中读取所述越权设置。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中存储在所述查找表中的越权设置基于热短期能力曲线。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述设定点包括功率设定点，并且其中所述工作特性包括功耗。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述补偿控制器确定第二炉子的功率设定点和第二炉子的功耗之间的差，并且其中所述控制装置包括用于基于该差选择越权设置的越权选择组件。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述至少两个炉子包括至少三个炉子，并且所述越权选择组件在除第二炉子外的所述至少三个炉子之间分配所述差，并且其中所述一个或多个补偿信号指示与除第二炉子外的这些炉子相关的每个可变电抗控制器改变这些炉子的功耗，以补偿所分配的差。
8.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述功率设定点选自由实功率消耗、无效功率消耗、视在功率消耗以及功率因子设定点组成的设定点。
9.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述设定点包括电流设定点，并且其中所述工作特性包括电流消耗。
10.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述设定点是不平衡设定点。
11.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述设定点是负序电流设定点。
12.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述控制装置还选择表示补偿时间的越权持续时间，并且其中所述一个或多个补偿信号包括该越权持续时间。
13.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述至少两个炉子每一个包括耦合在每个至少一个电极和电源之间的至少一个可变电抗器，以及用于调整每个至少一个可变电抗器的设置的可变电抗控制器。
14.一种炉子系统，包括根据权利要求1所述的控制系统以及至少两个炉子。
15.根据权利要求14所述的炉子系统，其中所述至少两个炉子是电弧炉。
16.根据权利要求15所述的炉子系统，其中所述电弧炉是AC电弧炉。
17.根据权利要求14所述的炉子系统，其中所述电源是多相电源，并且每个至少一个电极耦合到所述电源的各个相。
18.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述监测装置测量所述工作特性对所述设定点的偏离的程度，并且所述控制装置仅当该偏离程度超过所述阈值量时产生所述一个或多个补偿信号。
19.根据权利要求18所述的控制系统，其中所述监测装置监测所述工作特性对所述设定点的偏离的持续时间，并且所述控制装置仅当该持续时间等于或超过预定时间段并且所述偏离程度超过预定量时产生所述一个或多个补偿信号，所述预定量小于所述阈值量。
20.一种用于控制包括第一炉子和第二炉子的至少两个炉子的方法，每个炉子具有耦合到电源的至少一个电极，至少第一炉子与耦合在所述至少一个电极和电源之间的至少一个可变电抗器相关，所述方法包括下列步骤：
监测至少第二炉子的工作特性；
确定所述工作特性偏离第二炉子的第一设定点一超过阈值量的量；以及
控制与第一炉子相关的所述至少一个可变电抗器来调整第一炉子的第二设定点，以补偿所述工作特性对第二炉子的第一设定点的偏离。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述控制步骤包括选择第一炉子的越权设置，并将第一炉子的设定点调整到该越权设置。
22.根据权利要求21所述的方法，其中选择所述越权设置包括从存储多个越权设置的查找表读取所述越权设置。
23.根据权利要求22所述的方法，其中存储在所述查找表中的越权设置基于热短期能力曲线。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一和第二设定点是功率设定点，并且其中所述工作特性包括功耗。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述确定步骤包括计算第二炉子的功率设定点和第二炉子的功耗之间的差，并且包括基于该差选择越权设置。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述选择越权设置的步骤包括在除第二炉子外的其它炉子之间分配所述差，并且其中所述控制步骤包括控制与其它炉子相关的可变电抗器来增加该其它炉子的功耗，以补偿所分配的差。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述设定点选自由实功率消耗、无效功率消耗、视在功率消耗以及功率因子设定点组成的设定点。
28.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一和第二设定点是电流设定点，并且其中所述工作特性包括电流消耗。
29.根据权利要求20所述的方法，其中所述设定点是负序电流设定点。
30.根据权利要求20所述的方法，其中所述控制步骤包括选择表示补偿时间的越权持续时间。
31.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少两个炉子是电弧炉。
32.根据权利要求20所述的方法，其中所述确定步骤包括监测所述偏离的程度，并且仅当该偏离程度超过所述阈值量时执行所述控制步骤。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述确定步骤进一步包括监测所述偏离的持续时间，并且仅当该持续时间等于或超过预定时间段并且所述偏离程度超过预定量时执行所述控制步骤，所述预定量小于所述阈值量。
34.一种用于包括第一炉子和第二炉子的多个多相电炉的控制的控制系统，所述系统包括：
可变电抗器，该可变电抗器电耦合到电源并与第一炉子的各个相相关，用于改变提供给每个相应相的功率；
电抗器控制器，该电抗器控制器与第一炉子相关并电耦合到每个可变电抗器，用于根据功率设定点向所述可变电抗器提供各自的电抗器控制信号，以控制提供给每个相应相的功率；以及
补偿控制器，该补偿控制器与包括第一炉子和第二炉子的电炉相关，并且电耦合到所述电抗器控制器，用于向所述电抗器控制器提供控制信号，以控制第一炉子的可变电抗器，所述补偿控制器被配置，以监测所述电炉的功耗，并且响应于第二炉子的功耗偏离第二炉子的功率设定点一超过阈值量的量而产生功率控制信号。
35.一种用于包括第一炉子和第二炉子的至少两个电炉的控制系统，每个炉子具有至少一个电极，并耦合到电源，所述控制系统包括：
至少一个可变电抗器，该至少一个可变电抗器与至少第一炉子相关并耦合在每个至少一个电极和电源之间；
补偿控制器，该补偿控制器与所述至少一个可变电抗器相关，用于调整每个至少一个可变电抗器的设置，该补偿控制器包括监测装置和控制装置，该监测装置用于监测所述至少两个炉子各自的工作特性和每个可变电抗器的设置以及确定第二炉子的工作特性是否偏离设定点一超过阈值量的量，该控制装置响应于所述监测装置，用于当所述工作特性偏离所述设定点一超过所述阈值量的量时产生一个或多个补偿信号，其中，响应于从所述补偿控制器接收到一个或多个补偿信号，调整与第一炉子相关的至少一个可变电抗器的设置，以补偿第二炉子的工作特性对所述设定点的偏离。
36.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述监测装置监测每个可变电抗器的设置，并响应于所述偏离超过所述阈值并且所述至少一个可变电抗器的设置达到极限而产生补偿信号。
37.根据权利要求20所述的方法，其中所述监测步骤包括监测每个可变电抗器的设置，并且响应于所述偏离超过所述阈值并且所述至少一个可变电抗器的设置达到极限而执行所述控制步骤。
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