CN112787353A - 交流电弧炉的混合柔性供电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流电弧炉的混合柔性供电系统及其控制方法，包括主电路和控制‑保护系统；主回路降低关键设备的制造难度与前期投入，可显著降低系统侧电能质量威胁并隔离负载侧极端运行工况对系统侧的频率冲击；控制系统以用户侧单位产品生产成本最低或为系统侧提供辅助服务为目标，在日前收集可再生能源出力预测信息并制定当日生产与机组开机计划，电弧炉未生产时可将分布式可再生能源并网或利用储能装置储存，电弧炉生产时根据可再生能源出力误差，在设备功率运行域内调控稳态运行点而改变加热周期，利用控制系统维持负载侧控制精度。可提升冶金过程的数字化水平，降低下一代电弧炉供电系统中前期投入成本与运行时停机检修时间等附加成本。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术及特种负荷供配电技术领域，特别涉及一种交流电弧炉的混合柔性供电系统及其控制方法。
背景技术
近年来，由于我国废钢的累积与中频感应炉的全面取缔，短流程交流电弧炉(EAF)将迎来新一轮发展机遇。然而若沿用现有供电模式，当单体电弧炉功率等级发展数十至百兆瓦时，负载侧无功损耗导致的附加电费及特种变压器容量与制造难度，系统侧电能质量补偿装置体积、占地面积与控制难度等均将显著上升，供电系统因严重依赖人工经验，数字化水平偏低，可能制约我国电弧炉产业的推广及缩短与西方国家在冶金关键装备的差距。
针对交流电弧炉供电系统主电路，国内工程应用中尚未摆脱电能消耗-补偿的固有模式，且实际运行效果与理论存在偏差。已有研究提出将含全控功率半导体器件(IGBT/IGCT)的电力电子模块串入主回路的供电方案以调节负载侧电气特性，但未能针对电弧炉的特殊性设计合理的拓扑与控制策略：
一方面，电弧炉采用低压电弧熔炼金属(典型值为1kV)而负载电流极大(典型值为数十kA)，功率模块需大量并联使用，若按现有星形接法将电力电子装置三相半桥/全桥输出端与短网输入端相连，则难以充分利用对应高压-大电流功率模块的容量(典型值为1.7kV/2.4kA或3.3kV/1.8kA)或将增加模块数量，降低系统可靠性；此外，未能考虑电力电子模块关键参数，特别是AC-DC-AC功率变换的直流母线电容)与负载侧短网参数的协同设计；
另一方面，钢铁企业可通过合理安排电弧炉生产计划降低工业电价成本，考虑到其大多分布在我国西部，分布式可再生能源通过电力电子接口可被电弧炉负载就地消纳，或在无生产计划时存储至储能单元供有生产计划时使用，或向电网倒送功率实现分布式可再生能源并网，从而完全避免可再生能源远距离汇集至钢铁企业自备电厂或大量外购高价电网电增加用电成本；
此外，对交流电弧炉供电系统控制-保护系统，现有供电系统未能充分协调多种操作下电力电子控制与电极机械控制，前者的灵活性未能得到充分发挥，存在较大的优化空间，后者的模式选择在前者参与的条件下需重新设计；而当可再生能源-储能单元参与交流电弧炉为代表的高载能负荷的供电过程时，需要计及工业用电成本的分级控制指令自动生成。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种交流电弧炉的混合柔性供电系统，该系统降低冶金企业工业用电成本并提升运行效率，保障电力设备的安全性和电力系统的电能质量。
本发明的另一个目的在于提出一种交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种交流电弧炉的混合柔性供电系统，包括：主电路和控制-保护系统；
所述主电路包括多绕组工频移相变压器、功率单元、分布式可再生能源-储能单元、短网和电极执行机构；
所述控制-保护系统包括控制目标生成模块、电极控制模块、电力电子控制模块及水冷系统；
多绕组工频移相变压器输入端连接外部电网，用于调节输入电压；
所述功率单元输入端与所述多绕组工频移相变压器输出端连接，输出端与负载侧短网输入端连接，用于对输入交流电整流得到稳定直流电压，再逆变以及调节系统的供电模式；
所述分布式可再生能源-储能单元与所述功率单元连接，用于生成可再生能源为系统供电；
所述短网输出端与所述电极执行机构连接，用于通过布局使得三相对称；
所述电极执行机构包括多根电极，与所述短网输出端串联，并与熔料液面间形成电弧熔炼金属；
所述控制目标生成模块用于生成控制目标；
所述电力电子控制模块用于根据所述控制目标生成电极控制策略；
所述电极控制模块用于根据所述制目标及所述电极控制策略对电极进行控制；
所述水冷系统用于为系统的多个模块降温。
本发明实施例的交流电弧炉的混合柔性供电系统，用于交流电弧炉供电系统的改造或新建。其中混合柔性供电系统由主回路和控制-保护系统组成，主回路以合理的拓扑结构与器件选型，降低关键设备的制造难度与前期投入，并具备降低系统侧电能质量威胁，隔离负载侧故障对系统侧冲击的硬件电路基础；控制系统首先在日前以单位产品成本最低为目标，收集可再生能源出力预测信息并制定当日生产与机组开机计划，在生产中利用控制系统维持负载侧控制精度并消除对系统侧电能质量的威胁。其优点是可提升冶金过程的数字化水平，有效降低下一代电弧炉供电系统中前期投入成本与运行时停机检修时间等附加成本，减小整体占地面积，提升钢铁企业生产计划的灵活性及电弧炉冶炼工艺的可靠性，获得高投资回报率，有力推动相关产业的发展。
另外，根据本发明上述实施例的交流电弧炉的混合柔性供电系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述功率单元包括整流级、逆变级、直流斩波保护电路与直流断路器；
整流级采用三相两电平不控或全控桥式整流电路，输入端与前级变压器一个副边绕组相连；
逆变级采用多个两电平H桥全控逆变模块，逆变级与整流级经L-C高频滤波电路背靠背连接，各相逆变级构成组合式逆变结构，采用角形接法，将第一相正极与第二相负极、第一相负极与第三相正极分别连接形成三个输出端，分别与负载侧短网输入端相连；
直流斩波保护电路用于能量泄放以维持直流母线电压在设定范围；
直流断路器用于使系统进入完全由所述分布式可再生能源-储能单元对负载供电的孤岛模式，由混合供电模式退化为第一独立供电模式，或对系统侧进行检修。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述分布式可再生能源-储能单元包括：能量收集模块、直流升压模块、直流断路器及电磁储能模块；
能量收集模块包括分布式光伏板或风力发电机，电磁储能模块并联在能量收集模块的低压直流母线，在电弧炉不生产时可选择存储可再生能源的能量；直流升压模块通过电力电子DC-DC功率变换升压，汇入所述功率单元的高压直流母线；直流断路器可使分布式可再生能源-储能单元退出系统完成检修，并由混合供电模式退化为第二独立供电模式。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制目标生成模块具体用于，预测并收集分布式可再生能源出力水平，制定交流电弧炉工作计划，以及确定不同冶炼阶段输出电压、电流稳态值。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法，包括：
在混合柔性供电系统的主动运行工况下对交流电弧炉进行控制；
判断是否起弧，若起弧，则执行起弧步骤，并判断是否为常规工况；若未起弧，则判断是否进行功率等级调节，若进行功率等级调节，则执行功率等级调节步骤，并判断是否为常规工况，若不进行功率等级调节，则调整负载侧功率、电压、电流指令及加热周期，执行一相独立运行步骤，在系统不退出时，继续执行常规工况步骤；
在为常规工况时，执行常规工况步骤，在非常规工况时，判断工况类型，执行开路工况步骤或准短路工况步骤。
本发明实施例的交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法，用于交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制，可以降低冶金企业工业用电成本并提升运行效率，保障电力设备的安全性和电力系统的电能质量。
另外，根据本发明上述实施例的交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述一相独立运行步骤为：
选定独立运行相与退出运行的两相；选定一相独立运行时交流电弧炉运行模式或低频准方波-近似直流电弧炉运行模式；
根据不同运行模式一相功率单元逆变器输出电压、电流等级计算额定输出功率，并与三相运行下额定功率对比，调整加热周期及对应运行阶段指令；
选定与一相逆变级相连的电极执行起弧操作；
执行正常运行工况的操作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述功率等级调节步骤为：
对功率单元逆变级选择电压源型控制模式，选择电极控制为自动控制模式，确定功率等级调节操作的起始与结束状态，并转换为对应电压、电流稳态指令，其中电极控制包括恒阻抗控制、恒电流控制和恒功率控制；
按设定速率连续调节电流指令，指令变化速度同时受器件输出电流应力与系统侧频率响应的约束；
当负载侧电流达到设定值时，采集负载侧电压并校验设定值指令，若偏离设定值切换电极控制至设定模式微调电极位置，最终使负载侧功率达到设定值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述常规运行工况为：
对各相均处于常规运行工况，将控制目标生成模块得到的控制目标分别传输至电力电子控制模块与电极控制模块，选择功率单元逆变级为电流源型控制模式，电极控制选择为自动控制模式中的恒阻抗控制。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述准路工况为：
对识别到准路工况的电极，采用设定模式以最快速度提升，相连的两相的功率单元逆变级控制外环设定为负载侧电流有效值以快速限流，剩余相外环设定为负载侧有功功率以降低与指令值的偏差，对应电极仍采用自动控制模式；
当三相负载侧电流稳定时，对发生准短路工况相执行起弧过程，常规工况相保持控制策略不变。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述开路工况为：
确定发生开路工况的相数；
若识别到一相发生开路工况，依次对相应电极与功率单元逆变级执行起弧过程的部分步骤和准短路工况全部步骤，其余相控制方法不变；若识别到两相或三相发生开路工况，需将电极上升至电弧炉顶部，再执行起弧工况的完整步骤。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的交流电弧炉的混合柔性供电系统结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的混合柔性供电系统主回路内部结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法实现流程图；
图4为根据本发明一个实施例的功率单元逆变级与可再生能源-储能单元中前者参考电压生成控制框图；
图5为根据本发明一个实施例的混合柔性供电系统组合式逆变结构角形接法的零共模电压调制策略示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的交流电弧炉的混合柔性供电系统及其控制方法。
首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的交流电弧炉的混合柔性供电系统。
图1为根据本发明一个实施例的交流电弧炉的混合柔性供电系统结构示意图。
如图1所示，该交流电弧炉的混合柔性供电系统包括：主电路和控制-保护系统。
主电路包括多绕组工频移相变压器、功率单元、分布式可再生能源-储能单元、短网和电极执行机构。控制-保护系统包括控制目标生成模块、电极控制模块、电力电子控制模块及水冷系统。三相主电路结构完全对称并独立接收控制系统的指令信号以实现多种控制目标与安全运行。
如图2所示，展示了主回路的内部结构。
多绕组工频移相变压器输入端连接外部电网，用于调节输入电压。具体而言，多绕组工频移相变压器设置一个原边绕组和k个副边绕组，无需分接头，将输入端高压35kV电压降至低压1kV，k取典型值4或5以降低变压器制造复杂度与对应功率单元容量，并可抵消传统电弧炉供电系统中负载侧注入系统的典型低次谐波(2-7次)，提升功率因数，避免无功补偿装置的附加投入。
功率单元输入端与多绕组工频移相变压器输出端连接，输出端与负载侧短网输入端连接，用于对电路进行整流以及调节系统的供电模式。
进一步地，功率单元包含整流级、逆变级、直流斩波保护电路与直流断路器，整流级采用三相两电平全控桥式整流电路，其输入端与前级变压器一个副边绕组相连，空载直流电压等级为1.35kV；逆变级采用多个两电平H桥全控逆变模块提升负载侧电气量控制的灵活性，逆变级与整流级经L-C高频滤波电路背靠背连接，各相逆变级构成组合式逆变结构，采用角形接法，将第一相正极与第二相负极、第一相负极与第三相正极分别连接形成三个输出端，分别与负载侧短网输入端相连；直流斩波保护电路用于能量泄放以维持直流母线电压在设定范围；直流断路器可使系统进入完全由可再生能源-储能对负载供电的孤岛模式，即由混合供电模式退化为独立供电模式1，或对系统侧进行检修。
分布式可再生能源-储能单元与功率单元连接，用于生成可再生能源为系统供电。
进一步地，分布式可再生能源-储能单元包含能量收集模块，三相交直流功率变换模块(可省略)、直流升压模块、直流断路器及电磁储能模块。能量收集模块以分布式光伏板及风力发电机为代表，对后者需增设三相全控整流建立低压直流电压，二者低压直流母线与电磁储能模块并联，在电弧炉不生产时可选择存储可再生能源的能量；直流升压模块通过电力电子DC-DC功率变换升压，汇入功率单元的高压直流母线；直流断路器可使分布式可再生能源-储能单元退出系统完成检修，并由混合供电模式退化为独立供电模式2。
短网输出端与电极执行机构连接，用于通过布局使得三相对称。短网包括高阻抗比(X/R)水冷电缆及其附件，可通过合理布局使三相对称(参数一致)。
电极执行机构由三根高品质柱状石墨电极组成，与短网输出端串联并可与熔料液面间形成电弧熔炼金属。
结合图1所示，控制目标生成模块用于生成控制目标；电力电子控制模块用于根据控制目标生成电极控制策略；电极控制模块用于根据控制目标及电极控制策略对电极进行控制；水冷系统用于为系统的多个模块降温。
具体地，控制目标生成模块负责在日前收集可再生能源出力预测数据及当日生产目标，以确定24小时内分布式可再生能源出力水平；在不同冶炼时期功率等级确定时，优先通过独立供电模式1(完全利用可再生能源发电)向负载供电以促进可再生能源的就地消纳，进而确定钢铁企业自备电厂开机或外购电计划以补充功率缺额；依据功率特性曲线及功率单元不同运行方式下电压、电流输出等级，参考传统供电系统的档位调节信息，生成不同冶炼时期的稳态电压、电流指令。
电极控制分为工艺过程控制、电压调节器控制与液压系统控制三级。工艺过程自动控制模式通常可选择电弧恒功率、恒阻抗或恒电流控制，设定模式可直接设定电压控制器输出，对应电极最大提升或下落速度以及锁定电极位置；电压调节器控制完成模-数转换，将工艺过程控制被控对象物理量偏差比例缩放为数字量偏差；液压系统由比例阀与液压缸组成，前者为数-模转换得到电流信号，电流信号产生电磁力驱动后者液压油流量变化，使活塞发生垂直位移。
电力电子控制同样可分为三级控制，即控制模式选择，参考电压生成及调制策略，被控对象为功率单元逆变级与可再生能源-储能单元变流器，二者相互独立。对功率单元逆变级控制，首先依据功率单元输出端期望的电气属性选择电压源型与电流源型控制模式，前者对短网输入端等效为三相正弦交流电压源，与传统供电系统电弧炉变压器低压侧性质一致，但区别于传统数量有限的档位调节，电压幅值可通过外环电流有效值反馈连续调节；后者对负载侧等效为三相交流电流源，采集负载侧瞬时电流，并通过内环反馈控制生成电压指令，并可根据电弧稳定性的需求灵活调节电流波形避免断弧，外环可选择负载侧电流有效值或功率指令，各工况若不加说明默认选择此方式；各相参考电压消除零序分量后，调制策略将双环跟踪生成的参考电压转化为脉冲信号驱动逆变级H桥导通与关断，包括单极性、双极性、载波移相和特别适用于组合式逆变结构角形接法的零共模电压调制策略，对组合式逆变结构采用角形接法默认采用第四者。可再生能源-储能单元变流器控制模式包括最大功率点跟踪与分配，可再生能源孤岛运行和恒低压直流母线控制；前两者可采用电压外环-功率内环双环跟踪，后者采用电压单环跟踪生成参考电压；通过三角载波比较生成单相boost电路功率管脉冲信号；通过正弦脉宽调制或空间矢量调制生成三相交直流功率变换模块脉冲信号(仅针对可再生能源收集模块采用风力发电机这种输出为三相交流形式需要)。
水冷系统用于大功率电力电子装置的冷却以提升系统可靠性。
根据本发明实施例提出的交流电弧炉的混合柔性供电系统，用于交流电弧炉供电系统的改造或新建。其中混合柔性供电系统由主回路和控制-保护系统组成，主回路以合理的拓扑结构与器件选型，降低关键设备的制造难度与前期投入，并具备降低系统侧电能质量威胁，隔离负载侧故障对系统侧冲击的硬件电路基础；控制系统首先在日前以单位产品成本最低为目标，收集可再生能源出力预测信息并制定当日生产与机组开机计划，在生产中利用控制系统维持负载侧控制精度并消除对系统侧电能质量的威胁。其优点是可提升冶金过程的数字化水平，有效降低下一代电弧炉供电系统中前期投入成本与运行时停机检修时间等附加成本，减小整体占地面积，提升钢铁企业生产计划的灵活性及电弧炉冶炼工艺的可靠性，获得高投资回报率，有力推动相关产业的发展。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法。
图3为根据本发明一个实施例的交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法流程图。
如图3所示，该交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法包括以下步骤：
S1，在混合柔性供电系统的主动运行工况下对交流电弧炉进行控制；
S2，判断是否起弧，若起弧，则执行起弧步骤，并判断是否为常规工况；若未起弧，则判断是否进行功率等级调节，若进行功率等级调节，则执行功率等级调节步骤，并判断是否为常规工况，若不进行功率等级调节，则调整负载侧功率、电压、电流指令及加热周期，执行一相独立运行步骤，在系统不退出时，继续执行常规工况步骤；
S3，在为常规工况时，执行常规工况步骤，在非常规工况时，判断工况类型，执行开路工况步骤或准短路工况步骤。
如图3所示，将交流电弧炉采用混合柔性供电系统的运行工况分为主动与被动控制型。前者包括可计划的起弧、一相独立运行与功率等级调节等操作，为提升供电可靠性，可优先选择在独立供电模式2下完成各操作；后者指运行中电弧弧长因熔料液面无规律变化潜在的负载侧一相/多相开路或准短路等极端工况以及正常运行工况，弧长与电弧电压有效值存在近似线性关系。每种工况需分阶段协调电极控制与电力电子功率单元逆变级控制的顶层控制，并应最终过渡至正常运行工况或可接受运行范围。此外，对后者的底层调制策略需抑制角形接法内部环流以防止对功率器件电流容量的消耗。实际应用中需首先在上位机设计一套工况监测、指令下达数字系统，在控制周期内，上位机针对不同工况，采集对应物理量计算，控制冶炼时长，并下发指令到控制系统及执行机构，最大限度的提升系统数字化、自动化水平。
如图4所示，展示了功率单元逆变级与可再生能源-储能单元中前者参考电压生成控制框图。
进一步地，在本发明的一个实施例中，起弧操作按以下步骤执行：
第一步：选择设定模式，使选定电极(两根或三根)同时以最大速度下落，功率单元逆变级设定为电流源型控制并利用外环控制负载侧电流有效值，进一步抑制起弧瞬间的过流风险，同时控制策略中加入前馈电压增加起弧速度。在电极下落过程中监测三相电流变化；
第二步：由于未起弧前三根电极与熔料液面距离不一致，两根电极成功起弧时将优先与一相逆变级的正、负极构成回路，此时立即锁定此两根电极位置；第三根电极继续下落至电流不为0的瞬间，表明三相均起弧成功，锁定三根电极位置，避免了起弧过程中电极与废钢接触，造成电极断裂或过流跳闸等风险。增大前馈电压以使三相稳定燃烧；
第三步：利用式(1)估测三相弧长并向最长一相电极同步，从而消除拉弧(电极上升过程)的负载侧功率二次谐波；
第四步：以最大速度提升电极，外环电流有效值设定值的增长速度以略高于电极对应运动速度增长以保证电弧稳定性；
第五步：待各相弧长上升至一定高度时，电极控制切换至自动控制模式的某一种，功率单元逆变级外环切换至负载侧设定功率，最终完成起弧并切换至常规运行工况。
进一步地，在本发明的一个实施例中，一相独立运行按以下步骤执行：
第一步：选定独立运行相与退出运行的两相；选定一相独立运行时交流电弧炉运行模式或低频准方波-近似直流电弧炉运行模式；
第二步：根据不同运行模式一相功率单元逆变器输出电压、电流等级计算额定输出功率，并与三相运行下额定功率对比，调整加热周期及对应运行阶段指令；
第三步：选定与一相逆变级相连的两根电极执行起弧操作(省略其中第三步)；
第四步：执行正常运行工况的操作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，功率等级调节按以下步骤执行：
第一步：对功率单元逆变级选择(切换至)电压源型控制模式，选择电极控制为自动控制模式，确定功率等级调节操作的起始与结束状态，并转换为对应电压、电流稳态指令，其中电极控制包括恒阻抗控制、恒电流控制和恒功率控制；
第二步：按设定速率连续调节电流指令，指令变化速度同时受器件输出电流应力与系统侧频率响应的约束；
第三步：当负载侧电流达到设定值时，采集负载侧电压并校验设定值指令，若偏离设定值切换电极控制至设定模式微调电极位置，最终使负载侧功率达到设定值。
对多种被动控制型工况，需首先采用滞环逻辑估测弧长、准确识别各工况的依据。
对各相均处于常规运行工况，将控制目标生成模块得到的控制目标分别传输至电力电子控制与电极控制，优先选择功率单元逆变级为电流源型控制模式(外环选择恒负载侧有功功率)，电极控制可以选择为自动控制模式中的恒阻抗控制。
进一步地，在本发明的一个实施例中，对某相发生准短路工况，按以下步骤执行：
第一步：对识别到该类工况的电极，采用设定模式以最快速度提升，相连的两相的功率单元逆变级控制外环设定为负载侧电流有效值以快速限流，剩余相(只针对一相准短路工况)外环设定为负载侧有功功率以降低与指令值的偏差，对应电极仍采用自动控制模式；
第二步：当三相负载侧电流稳定时，对发生准短路工况相执行起弧过程，常规工况相保持控制策略不变。
对某相发生开路工况，按以下步骤执行：
第一步：确定发生开路工况的相数；
第二步：若识别到一相发生开路工况，依次对相应电极与功率单元逆变级执行起弧过程的前两步和准短路工况的两步，其余相控制方法不变；若识别到两相或三相发生开路工况，需将电极上升至电弧炉顶部(最高位置)，再执行起弧工况的完整步骤。
图5展示了一种适用于组合式逆变结构角形接法零共模电压调制策略的示意图，按以下步骤执行：
第一步：参考电压矢量扇区判断：将三相参考电压消除零序分量后输入锁相环，得到参考电压矢量的实时相位；
第二步：各桥臂参考电压的标幺化与修正：幅值标幺值，以各功率单元直流母线电压平均值为基值，首先得到各相幅值标幺值
与
再根据图5右图的参考电压生成规则，对各参考电压的幅值进行修正；
第三步：死区补偿，进一步调整各各桥臂参考电压；
第四步：三角载波比较，发出每个桥臂一对开关管脉冲信号，其中同一相两桥臂载波移相180度，使等效开关频率达到2倍。
具体地，通过一个具体实施例介绍本发明交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法。
步骤1：交流电弧炉混合柔性供电系统的构建
若面向钢铁厂已有交流电弧炉供电系统的升级改造，则首先断开原电弧炉变压器一次侧的开关使原传统供电系统停运，完整保留原系统负载侧短网与电极执行机构并将电弧炉变压器移除，接入多绕组工频移相变压器、功率单元与分布式可再生能源-储能单元，并使功率单元输出端与短网输入端相连；对原系统的控制-保护系统，修改并补充适用于负载侧电弧炉功率、包含可再生能源-储能系统的功率等级控制目标及其电压、电流指令，加入电力电子控制与水冷系统，依据电极控制与电力电子控制配合原则，修改电极控制对应策略。
若在钢铁厂内新建一套电弧炉混合柔性供电系统，则首先选定系统侧母线电压等级，进而确定冶炼所需电弧炉的功率等级，安装碳素电极。按传统供电系统计算方法或与拟采用功率单元等效电容协同配置短网后，接入多绕组工频移相变压器、功率单元与分布式可再生能源-储能单元。建立完整的包含控制目标生成、电极控制、电力电子控制及水冷系统的控制-保护系统。
步骤2：交流电弧炉混合柔性供电系统的调试
测试不同运行工况下控制-保护系统各模块/单元的功能是否符合预期；制定适用于交流电弧炉混合柔性供电系统的生产曲线及该冶炼时期的稳态指令；检测电能质量是否符合系统侧对应国家标准，若不符合需增设电能质量补偿装置。
步骤3：交流电弧炉混合柔性供电系统的启动
在日前收集新能源出力等信息确定当日生产计划。待完成电弧炉填料、预热等准备工作后向系统发出运行指令，封锁各全控器件脉冲，启动水冷系统，闭合各交流开关，建立稳定的、在预设范围内功率单元母线直流电压。
步骤4：交流电弧炉混合柔性供电系统的运行
将各时段生产计划对应的负载侧功率、电压、电流、模式等指令下发至电极控制与电力电子控制，启动两类控制使系统投入运行，依据混合运行模式、独立运行模式1/2确定各交流开关与直流短路器的开通与关断。单个加热周期内均需按主动控制工况依次完成起弧、功率等级调节等主动运行工况操作，通过估测弧长判断极端工况的存在性，并切换至对应的控制策略平滑过渡至常规工况。
步骤5：交流电弧炉混合柔性供电系统的保护
采集主回路关键电气量，判断有效值、峰值是否处于设定范围内，按照设定原则断开直流断路器或直流斩波电路，或采用软件限幅防止器件过流，或退化为独立供电模式。当有部分主回路非计划退出运行时，由控制-保护系统判断系统是以原功率等级运行，更新运行模式、指令与周期，或发出系统退出运行指令。
步骤6：交流电弧炉混合柔性供电系统的退出
封锁各全控器件脉冲，将各直流母线电压存储能量释放在对应功率单元直流斩波电路的电阻上。关闭水冷系统，停止控制系统其余指令计算、采集功能。
需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法，用于交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制，可以降低冶金企业工业用电成本并提升运行效率，保障电力设备的安全性和电力系统的电能质量。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种交流电弧炉的混合柔性供电系统，其特征在于，包括：主电路和控制-保护系统；
所述主电路包括多绕组工频移相变压器、功率单元、分布式可再生能源-储能单元、短网和电极执行机构；
所述控制-保护系统包括控制目标生成模块、电极控制模块、电力电子控制模块及水冷系统；
多绕组工频移相变压器输入端连接外部电网，用于调节输入电压；
所述功率单元输入端与所述多绕组工频移相变压器输出端连接，输出端与负载侧短网输入端连接，用于对输入交流电整流得到稳定直流电压，再逆变以及调节系统的供电模式；
所述分布式可再生能源-储能单元与所述功率单元连接，用于生成可再生能源为系统供电；
所述短网输出端与所述电极执行机构连接，用于通过布局使得三相对称；
所述电极执行机构包括多根电极，与所述短网输出端串联，并与熔料液面间形成电弧熔炼金属；
所述控制目标生成模块用于生成控制目标；
所述电力电子控制模块用于根据所述控制目标生成电极控制策略；
所述电极控制模块用于根据所述控制目标及所述电极控制策略对电极进行控制；
所述水冷系统用于为系统的多个模块降温。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率单元包括整流级、逆变级、直流斩波保护电路与直流断路器；
整流级采用三相两电平不控或全控桥式整流电路，输入端与前级变压器一个副边绕组相连；
逆变级采用多个两电平H桥全控逆变模块，逆变级与整流级经L-C高频滤波电路背靠背连接，各相逆变级构成组合式逆变结构，采用角形接法，将第一相正极与第二相负极、第一相负极与第三相正极分别连接形成三个输出端，分别与负载侧短网输入端相连；
直流斩波保护电路用于能量泄放以维持直流母线电压在设定范围；
直流断路器用于使系统进入完全由所述分布式可再生能源-储能单元对负载供电的孤岛模式，由混合供电模式退化为第一独立供电模式，或对系统侧进行检修。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分布式可再生能源-储能单元包括：能量收集模块、直流升压模块、直流断路器及电磁储能模块；
能量收集模块包括分布式光伏板或风力发电机，电磁储能模块并联在能量收集模块的低压直流母线，在电弧炉不生产时可选择存储可再生能源的能量；直流升压模块通过电力电子DC-DC功率变换升压，汇入所述功率单元的高压直流母线；直流断路器可使分布式可再生能源-储能单元退出系统完成检修，并由混合供电模式退化为第二独立供电模式。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制目标生成模块具体用于，预测并收集分布式可再生能源出力水平，制定交流电弧炉工作计划，以及确定不同冶炼阶段输出电压、电流稳态值。
5.一种交流电弧炉的混合柔性供电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在混合柔性供电系统的主动运行工况下对交流电弧炉进行控制；
判断是否起弧，若起弧，则执行起弧步骤，并判断是否为常规工况；若未起弧，则判断是否进行功率等级调节，若进行功率等级调节，则执行功率等级调节步骤，并判断是否为常规工况，若不进行功率等级调节，则调整负载侧功率、电压、电流指令及加热周期，执行一相独立运行步骤，在系统不退出时，继续执行常规工况步骤；
在为常规工况时，执行常规工况步骤，在非常规工况时，判断工况类型，执行开路工况步骤或准短路工况步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一相独立运行步骤为：
选定独立运行相与退出运行的两相；选定一相独立运行时交流电弧炉运行模式或低频准方波-近似直流电弧炉运行模式；
根据不同运行模式一相功率单元逆变器输出电压、电流等级计算额定输出功率，并与三相运行下额定功率对比，调整加热周期及对应运行阶段指令；
选定与一相逆变级相连的电极执行起弧操作；
执行正常运行工况的操作。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述功率等级调节步骤为：
对功率单元逆变级选择电压源型控制模式，选择电极控制为自动控制模式，确定功率等级调节操作的起始与结束状态，并转换为对应电压、电流稳态指令，其中电极控制包括恒阻抗控制、恒电流控制和恒功率控制；
按设定速率连续调节电流指令，指令变化速度同时受器件输出电流应力与系统侧频率响应的约束；
当负载侧电流达到设定值时，采集负载侧电压并校验设定值指令，若偏离设定值切换电极控制至设定模式微调电极位置，最终使负载侧功率达到设定值。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述常规运行工况为：
对各相均处于常规运行工况，将控制目标生成模块得到的控制目标分别传输至电力电子控制模块与电极控制模块，选择功率单元逆变级为电流源型控制模式，电极控制选择为自动控制模式中的恒阻抗控制。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述准路工况为：
对识别到准路工况的电极，采用设定模式以最快速度提升，相连的两相的功率单元逆变级控制外环设定为负载侧电流有效值以快速限流，剩余相外环设定为负载侧有功功率以降低与指令值的偏差，对应电极仍采用自动控制模式；
当三相负载侧电流稳定时，对发生准短路工况相执行起弧过程，常规工况相保持控制策略不变。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述开路工况为：
确定发生开路工况的相数；
若识别到一相发生开路工况，依次对相应电极与功率单元逆变级执行起弧过程的部分步骤和准短路工况全部步骤，其余相控制方法不变；若识别到两相或三相发生开路工况，需将电极上升至电弧炉顶部，再执行起弧工况的完整步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210511 |