CN110350606B - 一种电弧炉直流斩波供电电源装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电弧炉直流斩波供电电源装置及方法，装置包括移相变压器和斩波功率组；移相变压器一次端连接交流电网，二次端连接斩波功率组的输入端，经斩波功率组的交流‑直流‑可控直流的变换，其输出的可控直流电经过直流短网连接电弧炉的电极。移相变压器的二次侧具有多个移相输出端。斩波功率组包括多组直流斩波功率组件，多组直流斩波功率组件的多组直流电源输出端并联。能够快速补偿电弧波动，使得电弧功率保持基本稳定，并且从源头上去解决电网电能污染问题，不需要配置无功补偿设备，同时通过电力电子器件组成的可控斩波单元，大幅减小了输出电流纹波，无需输出平波电抗器，从而提高了电弧炉工作效率，延长了电极使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电弧炉技术领域，特别涉及一种电弧炉直流斩波供电电源装置及方法。
背景技术
电弧炉采用石墨电极，以废钢为主要原料，也可加入部分铁水，通过连接直流电或交流电，使电极和炉料之间放电，从而产生电弧，来加热和融化炉料。
电弧炉相较于转炉炼钢，其具有工艺流程短，热效率高，设备布置紧凑，易于控制污染，建设投资少，占地面积小，不需要依托于庞杂的炼铁系统等优点。
目前，在发达国家钢铁厂中，电弧炉炼钢已是主流生产方式。
传统电弧炉装置是电力系统中严重干扰负载的典型代表，电弧炉供电电源的特点是快速功率变化，特别是在初始熔化的阶段，电弧中断的变化，负载侧可等效为短路或开路，因此在传统电弧炉装置的设计上，通常要求供电电网具有非常大的短路容量，同时由于电弧熔化的工作性质，传统装置还会在电网上产生很大的电能质量问题，如谐波污染，电压闪变，电压不平衡等。而最初电弧炉控制基本靠调整电炉内电极位置和炉前变压器的分接头，来控制电炉的燃烧功率，但是这种机械调节的方式，调节过程缓慢，很难补偿电弧波动，因此导致电弧功率非常不稳定。
图1为传统直流电弧炉供电系统，在电网侧配置无功补偿设备102，补偿无功波动和消除谐波电流，同时在输出侧配置大感值的平波电抗器103，从而限制输出纹波电流，无功补偿设备和平波电抗器，不仅价格昂贵，而且损耗大，使得维护和运营成本居高不下。
发明内容
为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种电弧炉直流斩波供电电源装置及方法，能够快速补偿电弧波动，使得电弧功率保持基本稳定，并且从源头上去解决电网电能污染问题，不需要配置无功补偿设备，同时通过电力电子器件组成的可控斩波单元，大幅减小了输出电流纹波，无需输出平波电抗器，从而提高了电弧炉工作效率，延长了电极使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种电弧炉直流斩波供电电源装置，包括移相变压器和斩波功率组；移相变压器一次端连接交流电网，二次端连接斩波功率组的输入端，经斩波功率组的交流-直流-可控直流的变换，其输出的可控直流电经过直流短网连接电弧炉的电极。
所述的移相变压器的二次侧包括多个输出绕组，具有多个移相输出端。
所述的斩波功率组包括多组直流斩波功率组件，每组直流斩波功率组件输入端均连接一个移相变压器的移相输出端，多组直流斩波功率组件的多组直流电源输出端并联，连接至电弧炉的电极。
所述的直流斩波功率组件的电路结构包括依次连接的整流电路和可控直流变换单元，可控直流变换单元包括由输入端至输出端依次连接的直流输入电抗器、支撑电容、直流斩波单元和直流输出电抗器。
进一步地，在每组直流斩波功率组件的电路结构中，所述的可控直流变换单元均包括多个，每一个整流电路输出端均连接多个可控直流变换单元，多个可控直流变换单元输出端并联共同输出一组直流电源输出端；并且，多组直流斩波功率组件输出的多组直流电源并联，共同输出电弧炉的直流供电电源。
还可以是多个直流斩波单元先并联接入同一直流输入电抗器输出端后，再将多个输入电抗器的输入端并联接入同一整流电路的输出端中。
进一步地，每组直流斩波功率组件的输出端均连接有隔离开关，多组直流斩波功率组件均经由各自的隔离开关后并联输出至电弧炉的电极。
进一步地，所述的直流斩波单元为由功率器件构成的全桥或半桥DC-DC电路。
进一步地，所述的直流斩波单元中的功率器件为IGBT、IEGT或IGCT其中之一。
进一步地，所述的整流电路为三相不控整流或三相全控整流。
一种电弧炉直流斩波供电电源装置的直流斩波控制方法，包括如下步骤：
步骤一、分别采集电弧炉直流斩波供电电源装置的直流输出端的电压V及电流I，计算出负载侧的功率值P；
步骤二、将负载侧采集的功率值P与功率设定值Pset的差值PE输入第一调节器；
步骤三、将第一调节器的输出做为电流调节的设定值Iset，与采集的负载侧的电流I做差，将差值IE输入第二调节器；
步骤四、将第二调节器的输出作为载波移相调制调制度的调节量△V；
步骤五、载波移相的调制中，对于上述N个直流斩波功率组件，同时单个直流斩波功率组件中包括M个可控直流变换单元，可控直流变换单元的移相角值，按下式计算：
步骤六、以叠加调节量△V后的调制度和经过移相角值Φ后生成的载波对每个功率器件进行PWM调制，由功率器件构成的直流斩波供电电源装置输出直流供电电源，在电弧电压大幅度波动的情况下，电网侧有功功率和无功功率波动幅值明显减小。
一种电弧炉直流斩波供电电源装置的直流斩波功率组件的功率扩展方法，包括如下：
(1)根据直流电弧炉系统所需功率等级，选择配置移相整流变压器个数和单个移相变压器二次侧副边绕组的数量；
(2)根据移相变压器个数和单个移相变压器副边绕组的数量，确定直流斩波功率组件的个数，以及与移相变压器二次绕组的连接方式，直流斩波功率组件可扩展为1,2,3…N台；
(3)直流斩波功率组件内至少包含一个整流器，单个整流器内可以扩展每个桥臂的二极管数量，整流器中的桥臂可进一步包含二极管1,2,3…N个，同时，直流斩波功率组件中二极管整流单元的数量也可进一步扩展；
(4)直流斩波功率组件包含的直流支撑电容可进一步扩展为直流电容1,2,3…M，可控直流变换单元可扩展为1,2,3…M。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、多绕组移相变压器一次侧与供电电网连接，其二次绕组与功率组形成多脉波整流器，功率组中间储能环节有支撑电容(直流电容器)，用以补偿电弧变化所引起的电压波动，从而减少网侧无功波动，保持电网供电的稳定；从源头上解决了电网电能污染问题；
2、为了减小输出电流纹波，提高电弧炉生产效率，在不增加供电电源损耗的前提下，通过对直流斩波功率组件可控斩波单元进行载波移相的调制方法，可大幅减小功率组并联输出后的电流纹波，通过功率组内部低感值的并联电抗器，即可满足实际应用，无需大型的输出平波电抗器；
3、装置内部可灵活配置功率组件数量，根据电弧炉熔炼容量和冗余过载要求，可选择性配置直流斩波功率组件数量，各功率组均为单独配置，通过输出开关后并联输出，因此当单个直流斩波功率组件内部出现故障时，可将故障功率组停机、切除，增强了斩波供电电源的稳定性，不影响电弧炉的熔炼过程；
4、单套功率组内包括不控整流器或全控整流器，整流器将变压器二次侧交流输入电转换为直流电，该直流电经过直流电抗器后，与可控斩波单元的直流支撑电容相连接，该储能环节可提供功率器件变换所需的瞬时能量，可减小网侧电源的无功波动；
5、采用本发明的恒功率+恒电流同时调节的斩波移相调制方法，比传统的电流闭环或电压闭环的控制方法更显著的减小了网侧的有功功率和无功功率波动幅值。
附图说明
图1是现有直流电弧炉供电系统图；
图2是本发明实施例供电电源装置供电系统图；
图3是本发明供电电源装置实施例1方案示意图；
图4是本发明供电电源装置实施例2方案示意图；
图5是本发明供电电源装置中一种单套直流斩波功率组件实施例1示意图；
图6是本发明供电电源装置中一种单套直流斩波功率组件实施例2示意图；
图7是本发明实施例的供电电源装置中控制系统控制器架构示意图；
图8是本发明实施例的供电电源装置中控制系统通讯链路示意图；
图9是本发明实施例的供电电源装置中控制系统恒电流控制示意图；
图10是本发明实施例的供电电源装置中控制系统恒电流控制相关波形；
图11是本发明实施例的供电电源装置中控制系统恒功率+恒电流控制示意图；
图12是本发明实施例的供电电源装置中控制系统恒功率+恒电流控制相关波形。
其中：101-整流电源 102-无功补偿设备 103-平波电抗器 201-交流电网 202-直流斩波电源 203-直流短网 204-电弧炉 205-电极(可以是2051和2052两个电极) 206-隔离开关 207-进线柜 208-阻尼柜 209-移相变压器 210-斩波功率组 211-直流斩波功率组件(包括301-整流电路 302-可控直流变换单元 3021-直流输入电抗器 3022-支撑电容3023-直流斩波单元 3024-直流输出电抗器) 2111-第一组直流斩波功率组件 2112-第一组直流斩波功率组件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1-2所示，本发明不采用如图1所示的传统的整流电源101配以无功补偿102的方式，而采用图2的直流斩波电源202的方式为电弧炉204的电极205供电，无需大型平波电抗器103和无功补偿102。
如图3-4所示，本发明的电弧炉直流斩波供电电源装置，包括移相变压器209和斩波功率组210；移相变压器209一次端连接交流电网，二次端连接斩波功率组210的输入端，经斩波功率组210的交流-直流-可控直流的变换，其输出的可控直流电经过直流短网203连接电弧炉204的电极205。移相变压器209与交流电网之间还设有断路器进线柜207和阻尼柜208。每组直流斩波功率组件211的输出端均连接有隔离开关206，多组直流斩波功率组件211均经由各自的隔离开关206后并联输出至电弧炉204的电极205。
所述的移相变压器209的二次侧包括多个输出绕组，具有多个移相输出端。
所述的斩波功率组210包括多组直流斩波功率组件211，每组直流斩波功率组件211输入端均连接一个移相变压器209的移相输出端，多组直流斩波功率组件211的多组直流电源输出端并联，连接至电弧炉204的电极205。
图4为本发明实施例中提供的两电极电弧炉直流斩波供电电源的示意图，同时本发明例可扩展应用于两电极以上的直流电弧炉应用场合。图4中，将直流斩波功率组件211分成两大组2111和2112，其中一组2111输出端并联后连接电弧炉204的一组电极2051，另一组2112输出端并联后连接电弧炉204的一组电极2052。
如图5-6所示，所述的直流斩波功率组件211的电路结构包括依次连接的整流电路301和可控直流变换单元302，可控直流变换单元302包括由输入端至输出端依次连接的直流输入电抗器3021、支撑电容3022、直流斩波单元3023和直流输出电抗器3024。所述的整流电路301为三相不控整流或三相全控整流。图5-6中展示为二极管三相不控整流，还可以是由IGBT、MOSFET等构成的三相全控整流。
如图5所示，所述的直流斩波单元3023为由功率器件(T11、T12等)构成的全桥或半桥DC-DC电路。功率器件为IGBT、IEGT或IGCT其中之一。如图5、6所示，为由IGBT构成的全桥DC-DC电路，还可以是半桥DC-DC电路。
整流电路301将交流电转换为直流电，直流电的正极接直流输入电抗器3021后，连接正负极之间并联直流支撑电容3022，直流支撑电容3022提供给直流斩波单元3023中功率器件(T11、T12等)所需的瞬时能量，直流斩波单元3023的输出端与直流输出电抗器3024连接，直流输出电抗器3024的输出端经隔离开关206和直流短网203后，与电弧炉204连接。
如图5-6所示，在每组直流斩波功率组件211的电路结构中，所述的可控直流变换单元302均包括多个，每一个整流电路301输出端均连接多个可控直流变换单元302，多个可控直流变换单元302输出端并联共同输出一组直流电源输出端；并且，多组直流斩波功率组件211输出的多组直流电源并联，共同输出电弧炉204的直流供电电源。
如图6所示，还可以是多个直流斩波单元3023先并联(图6中为2个先并联)接入同一直流输入电抗器3021输出端后，再将多个输入电抗器3021的输入端并联接入同一整流电路301的输出端中。
一种电弧炉直流斩波供电电源装置的直流斩波功率组件的功率扩展方法，包括如下：
(1)根据直流电弧炉系统所需功率等级，选择配置移相整流变压器个数和单个移相变压器二次侧副边绕组的数量；
(2)根据移相变压器个数和单个移相变压器副边绕组的数量，确定直流斩波功率组件的个数，以及与移相变压器二次绕组的连接方式，直流斩波功率组件可扩展为1,2,3…N台；
(3)直流斩波功率组件内至少包含一个整流器，单个整流器内可以扩展每个桥臂的二极管数量，整流器中的桥臂可进一步包含二极管1,2,3…N个，同时，直流斩波功率组件中二极管整流单元的数量也可进一步扩展；
(4)直流斩波功率组件包含的直流支撑电容可进一步扩展为直流电容1,2,3…M，可控直流变换单元可扩展为1,2,3…M。
本发明的直流斩波电源装置的控制与监控系统是由PLC、HUIC控制器、人机界面HMI等设备组成，实现控制、监控保护和报警功能。
电源装置的控制器采用HUIC控制器，共有三个控制机箱，分为主控箱、脉冲箱和工艺控制箱，控制系统架构如图7所示。
主控箱和脉冲箱主要用于系统控制和一键启动控制，主要功能包括：控制算法计算、模拟量输入输出、数字量输入输出、脉冲触发、逻辑控制、故障报警、故障录波等功能。
工艺控制箱主要用于电弧炉电极位置调节，根据相应的指令值，通过调整电极位置，来改变电弧电压。
直流斩波电源控制系统通过PLC与DCS进行通讯连接，通讯协议采用ModbusTCP或PN协议，PLC与控制器通讯协议采用ModbusTCP协议，PLC与触摸屏和水冷系统的PLC采用PN进行通讯，图8为控制系统通讯链路示意图。
电源装置控制方法采用如图9所示的恒电流，可达到快速跟随电弧电压的变化，保持电弧电流或功率的恒定，从而减小网侧的功率冲击，降低电网侧闪变，恒电流控制采集电弧炉电压、电流，根据电弧稳定系统指令值，计算得到电弧电流给定值，通过闭环调节器，调节斩波单元输出电压，使得输出电流快速跟随给定电流，恒电流控制框图如图9所示，电弧炉电压、电流和电网侧有功功率、无功功率如图10所示。
本发明的方法还采用如下的恒功率+恒电流串级调节的直流斩波控制方法，如图11所示，包括如下步骤：
步骤一、分别采集电弧炉直流斩波供电电源装置的直流输出端的电压V及电流I，计算出负载侧的功率值P；
步骤二、将负载侧采集的功率值P与功率设定值Pset的差值PE输入第一调节器；
步骤三、将第一调节器的输出做为电流调节的设定值Iset，与采集的负载侧的电流I做差，将差值IE输入第二调节器；
步骤四、将第二调节器的输出作为载波移相调制调制度的调节量△V；
第一调节器和第二调节器均可以采用PI调节器；
步骤五、载波移相的调制中，对于上述N个直流斩波功率组件，同时单个直流斩波功率组件中包括M个可控直流变换单元，可控直流变换单元的移相角值，按下式计算：
步骤六、以叠加调节量△V后的调制度和经过移相角值Φ后生成的载波对每个功率器件进行PWM调制，由功率器件构成的直流斩波供电电源装置输出直流供电电源，在电弧电压大幅度波动的情况下，电网侧有功功率和无功功率波动幅值明显减小。
上述的恒功率与恒电流串级调节的电弧炉电压、电流和电网侧有功功率、无功功率如图12所示。
由图12，在电弧电压大幅度波动的情况下，电网侧有功功率和无功功率波动幅值，明显减小，图12比采用图10的采用单电流闭环调节的方式电网侧有功功率和无功功率波动幅值更进一步明显减小，其从而改善了电网侧电能质量。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (7)
1.一种电弧炉直流斩波供电电源装置，其特征在于，包括移相变压器和斩波功率组；移相变压器一次端连接交流电网，二次端连接斩波功率组的输入端，经斩波功率组的交流-直流-可控直流的变换，其输出的可控直流电经过直流短网连接电弧炉的电极；
所述的移相变压器的二次侧包括多个输出绕组，具有多个移相输出端；
所述的斩波功率组包括多组直流斩波功率组件，每组直流斩波功率组件输入端均连接一个移相变压器的移相输出端，多组直流斩波功率组件的多组直流电源输出端并联，连接至电弧炉的电极；
所述的直流斩波功率组件的电路结构包括依次连接的整流电路和可控直流变换单元，可控直流变换单元包括依次连接的直流输入电抗器、支撑电容、直流斩波单元和直流输出电抗器；
在每组直流斩波功率组件的电路结构中，所述的可控直流变换单元均包括多个，每一个整流电路输出端均连接多个可控直流变换单元，多个可控直流变换单元输出端并联共同输出一组直流电源输出端；并且，多组直流斩波功率组件输出的多组直流电源并联，共同输出电弧炉的直流供电电源；
每组直流斩波功率组件的输出端均连接有隔离开关，多组直流斩波功率组件均经由各自的隔离开关后并联输出至电弧炉的电极，直流斩波功率组件经隔离开关后冗余性设计。
2.根据权利要求1所述的一种电弧炉直流斩波供电电源装置，其特征在于，或为多个直流斩波单元先并联接入同一直流输入电抗器输出端后，再将多个输入电抗器的输入端并联接入同一整流电路的输出端中。
3.根据权利要求1所述的一种电弧炉直流斩波供电电源装置，其特征在于，所述的直流斩波单元为由功率器件构成的全桥或半桥DC-DC电路。
4.根据权利要求1所述的一种电弧炉直流斩波供电电源装置，其特征在于，所述的直流斩波单元中的功率器件为IGBT、IEGT或IGCT其中之一。
5.根据权利要求1所述的一种电弧炉直流斩波供电电源装置，其特征在于，所述的整流电路为三相不控整流或三相全控整流。
6.一种如权利要求1所述的电弧炉直流斩波供电电源装置的直流斩波控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、分别采集电弧炉直流斩波供电电源装置的直流输出端的电压V及电流I，计算出负载侧的功率值P；
步骤二、将负载侧采集的功率值P与功率设定值Pset的差值PE输入第一调节器；
步骤三、将第一调节器的输出做为电流调节的设定值Iset，与采集的负载侧的电流I做差，将差值IE输入第二调节器；
步骤四、将第二调节器的输出作为载波移相调制调制度的调节量△V；
步骤五、载波移相的调制中，对于N个直流斩波功率组件，同时单个直流斩波功率组件中包括M个可控直流变换单元，可控直流变换单元的移相角值，按下式计算：
步骤六、以叠加调节量△V后的调制度和经过移相角值Φ后生成的载波对每个功率器件进行PWM调制，由功率器件构成的如权利要求1所述的电弧炉直流斩波供电电源装置输出直流供电电源。
7.一种如权利要求1所述的电弧炉直流斩波供电电源装置的方法，其特征在于，为直流斩波功率组件的功率扩展方法，包括如下：
(1)根据直流电弧炉系统所需功率等级，选择配置移相整流变压器个数和单个移相变压器二次侧副边绕组的数量；
(2)根据移相变压器个数和单个移相变压器副边绕组的数量，确定直流斩波功率组件的个数，以及与移相变压器二次绕组的连接方式，直流斩波功率组件能够扩展为1,2,3…N台；
(3)直流斩波功率组件内至少包含一个整流器，单个整流器内能够扩展每个桥臂的二极管数量，整流器中的桥臂进一步包含二极管1,2,3…N个，同时，直流斩波功率组件中二极管整流单元的数量也能够进一步扩展；
(4)直流斩波功率组件包含的直流支撑电容能够进一步扩展为直流电容1,2,3…M个，
可控直流变换单元能够扩展为1,2,3…M个。
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