CN112952858B - 电弧炉功率补偿控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电弧炉功率补偿控制装置及方法，用于补偿电弧炉变压器低压侧的有功功率或补偿电弧炉变压器的无功功率或调节电弧炉变压器低压侧有功功率的三相平衡。该装置包括：电流互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电流；电压互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压；控制器，其用于计算、比较判断相关指标；变流器，其接收来自控制器的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出，从而进行相应的功率补偿。本发明可有效解决电弧炉无功率自动控制调节、无功补偿系统复杂等问题；通过控制器和变流器即可对功率进行补偿，无需通过升降电极来调整，响应速度比较快；可有效解决交流超大功率电弧炉冶炼时对电网的冲击问题。

Description

电弧炉功率补偿控制装置及方法
技术领域
本发明涉及变压器功率补偿领域，特别涉及一种电弧炉功率补偿控制装置及方法。
背景技术
变压器带负荷运行时，有些负荷随工艺过程的推进而变化，造成变压器功率动态变化且三相不平衡，流经变压器的电流随功率的变化而波动。为了满足负荷功率需求，在特定情况下需要调整变压器分接头，从而改变变压器低压侧电压，以此调节低压侧电流及负荷功率。但是频繁操作变压器分接头对电网电能质量及变压器寿命会造成影响。
到目前为止，交流超大功率电弧炉冶炼时对电网的冲击问题不易解决。其主要原因在于电极控制策略。电弧炉是利用电弧的热量熔炼金属的电炉。电弧炉变压器低压侧输出的是低电压、大电流，常用的交流大电流测量方法主要有两大类：(1)采用传统的电磁式电流互感器进行测量；(2)采用电子式电流互感器进行测量。但无法进行精确的控制。
目前电弧炉的电流控制是由电弧炉变压器高压侧绕组分接头的切换和电弧极的升降实现的，甚至需要停电进行调整。直流电弧炉通常依据电弧电阻的变化，控制直流电压，使电流保持恒定，从而避免交流电弧炉中常见的废钢塌料时因过电流引起的高压真空断路器跳闸现象。而电压的控制与交流电弧炉一样，通过升降电极来调整，所以响应速度比较缓慢。
此外，由于电弧炉变压器的阻抗较大，无功损耗很大。电弧炉无功补偿方法主要采用电容器组在中压侧或高压侧补偿无功功率，但这种补偿方式的无功补偿量不够精确，随动性差。
因此，亟需一种针对电弧炉的、能够对功率补偿进行精确控制的装置及方法，从而减少对供电外网的冲击，提高供电效率。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电弧炉功率补偿控制装置及方法，从而克服现有技术中交流超大功率电弧炉冶炼时对电网的冲击且供电效率较低的缺点。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供一种电弧炉功率补偿控制装置，用于补偿电弧炉变压器低压侧的有功功率，包括：电流互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电流；电压互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压；控制器，其接收采集到的电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压、电流数据；计算电弧炉变压器低压侧的有功功率PL；根据有功功率PL与目标功率PG的比较，判断是否需要对低压侧的有功功率PL进行补偿；变流器，其接收来自所述控制器的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出至所述变压器的高压侧或中压侧，对低压侧的有功功率PL进行补偿。
为实现上述目的，根据本发明的第二方面，本发明提供一种电弧炉功率补偿控制装置，用于补偿电弧炉变压器的无功功率，包括：电流互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧的电流；电压互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧的电压；控制器，其接收采集到的电弧炉变压器高压侧的电压、电流数据；计算电弧炉变压器的功率因数根据功率因数/>与目标功率因数/>的比较，判断是否需要对无功功率进行补偿；变流器，其接收来自控制器的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出至所述变压器的中压侧，对无功功率进行补偿。
为实现上述目的，根据本发明的第三方面，本发明提供一种电弧炉功率补偿控制装置，用于调节电弧炉变压器低压侧有功功率的三相平衡，包括：电流互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电流；电压互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压；控制器，其接收采集到的电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压、电流数据；计算电弧炉变压器低压侧的三相功率PLA、PLB和PLC；根据三相功率PLA、PLB和PLC的均衡程度判断是否需要补偿三相功率PLA、PLB和PLC的较小相；变流器，其接收来自控制器的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出至所述变压器的中压侧，对三相功率的较小相进行补偿。
为实现上述目的，根据本发明的第四方面，本发明提供一种电弧炉功率补偿控制方法，用于补偿电弧炉变压器低压侧的有功功率，包括如下步骤：A、采集电弧炉变压器高压侧、中压侧的电流及电压；B、根据电流及电压数值，计算电弧炉变压器低压侧的有功功率PL；C、根据有功功率PL与目标功率PG的比较，判断是否需要对低压侧的有功功率PL进行补偿；D、在需要进行所述补偿时，则控制变流器的功率输出至变压器的高压侧或中压侧，从而对低压侧的有功功率PL进行补偿。
为实现上述目的，根据本发明的第五方面，本发明提供一种电弧炉功率补偿控制方法，用于补偿电弧炉变压器的无功功率，包括如下步骤：A、采集电弧炉变压器高压侧的电流及电压；B、根据电流及电压数值，计算变压器的功率因数C、根据功率因数/>与目标功率因数/>的比较，判断是否需要对无功功率进行补偿；D、在需要进行补偿时，则控制变流器的功率输出至变压器的中压侧，对无功功率进行补偿。
为实现上述目的，根据本发明的第六方面，本发明提供一种电弧炉功率补偿控制方法，用于调节电弧炉变压器低压侧有功功率的三相平衡，包括如下步骤：A、采集电弧炉变压器高压侧、中压侧的电流及电压；B、根据电流及电压数值，计算电弧炉变压器低压侧的有功功率PL；计算PL的三相功率PLA、PLB和PLC；C、根据三相功率PLA、PLB和PLC的均衡程度判断是否需要补偿三相功率PLA、PLB和PLC的较小相；D、在需要进行补偿时，控制变流器的功率输出至变压器的中压侧，对三相功率的所述较小相进行补偿。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明可有效解决电弧炉无功率自动控制调节、无功补偿系统复杂等问题；
2)本发明通过控制器和变流器即可对功率进行补偿，无需通过升降电极来调整，响应速度比较快；
3)可有效解决交流超大功率电弧炉冶炼时对电网的冲击问题。
上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1是本发明电弧炉功率补偿控制装置的接入方式示意图。
图2是本发明电弧炉功率补偿控制装置的电路原理图。
图3是本发明实施例1电弧炉功率补偿控制方法的流程图。
图4是本发明实施例2电弧炉功率补偿控制方法的流程图。
图5是本发明实施例3电弧炉功率补偿控制方法的流程图。
主要附图标记说明：
11-电源；12-高压侧电流互感器；13-高压侧电压互感器；14-控制器；15-变流器；16-中压侧电流互感器；17-中压侧电压互感器；18-电弧炉变压器；19-负载；20-串联变压器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1的电弧炉功率补偿控制装置，用于补偿电弧炉变压器18低压侧的有功功率，包括高压侧电流互感器12、中压侧电流互感器16，分别用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电流。还包括高压侧电压互感器13、中压侧电压互感器17，分别用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压。该装置还包括控制器14和变流器15。控制器14接收采集到的电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压、电流数据；计算电弧炉变压器低压侧的有功功率PL；根据有功功率PL与目标功率PG的比较，判断是否需要对低压侧的有功功率PL进行补偿。变流器15有两个端口，每个端口既可作输入端又可作输出端，分别接于电弧炉变压器18的高压侧和中压侧。当需要进行补偿时，变流器15接收来自控制器14的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出至变压器的高压侧或中压侧，最终对低压侧的有功功率PL进行补偿。
进一步如图2所示，该原理图采用变压器T型结构图。图中RH、LH、RM、LM、RL、LL分别代表高压绕组的电阻、电抗，中压绕组的电阻、电感，低压绕组的电阻、电感。变流器15两侧接于电弧炉变压器18的高压侧和中压侧，输出功率可由变压器18的高压绕组流向低压绕组，也可由中压绕组流向低压绕组，为低压负荷RL供电。低压负荷消耗的有功功率可通过PL＝PH-PM-PLOSS计算，其中PH为从高压侧流入变压器的有功功率，PM为从中压侧流入变压器的有功功率，PLOSS为变压器损耗。当变流器15从变压器18高压侧或中压侧输入功率时，都可以提供负荷消耗的有功功率，从而减少系统传递给变压器的功率，达到降低网络损耗及电力系统主设备要求的目的，并且能够减少电弧炉负荷波动对电网的影响。
实施例1中补偿电弧炉变压器18低压侧的有功功率的具体步骤如下：
步骤101，高压侧电压互感器13、中压侧电压互感器17以及高压侧电流互感器12、中压侧电流互感器16将测量的电压、电流信号传送给控制器14；
步骤102，控制器14根据测量的高压侧电流IH、电压UH计算高压侧功率PH，根据测量的中压侧电流IM、电压UM计算中压侧功率PM，考虑变压器损耗PLOSS，计算低压侧有功功率PL＝PH-PM-PLOSS；
步骤103，判断计算获取的PL与目标功率PG的差值是否大于预设值ε(该预设值可根据用户需要进行设定)，若是，则进行以下步骤104，若否，则重复以上步骤101；
步骤104，控制器14根据判断结果，向变流器15发出驱动信号，调整工作桥臂、开关频率及占空比，控制变流器15的功率输出，从而补偿低压侧有功功率。
实施例2
同样如图1所示，本发明实施例2的电弧炉功率补偿控制装置，用于补偿电弧炉变压器的无功功率。包括高压侧电流互感器12，用于采集电弧炉变压器高压侧的电流。还包括高压侧电压互感器13，用于采集电弧炉变压器高压侧的电压。该装置还包括控制器14和变流器15。控制器14接收采集到的电弧炉变压器高压侧的电压、电流数据；计算电弧炉变压器的功率因数根据功率因数/>与目标功率因数/>的比较，判断是否需要对无功功率进行补偿。变流器15有两个端口，每个端口既可作输入端又可作输出端，分别接于电弧炉变压器18的高压侧和中压侧。当需要进行补偿时，变流器15接收来自控制器14的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出至变压器的中压侧，从而提高功率因数，对无功功率进行补偿。
实施例2中无功补偿的具体步骤如下：
步骤201，高压侧电压互感器13和高压侧电流互感器12将测量的电压、电流信号传送给控制器14；
步骤202，控制器14根据测量的高压侧电流IH、电压UH，计算变压器功率因数
步骤203，将与目标功率因数/>比较，如判断计算获得的所述/>小于目标功率因数/>得到功率因数提升至/>时所需的无功功率，即△QL，然后执行步骤204；否则返回步骤201。
步骤204，控制器14根据计算结果，向变流器15发出驱动信号，调整其工作桥臂、开关频率及占空比，控制接于中压侧的输出端，输出相应补偿量。
实施例3
同样如图1所示，本发明实施例3的电弧炉功率补偿控制装置，用于调节电弧炉变压器低压侧有功功率的三相平衡，包括高压侧电流互感器12、中压侧电流互感器16，分别用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电流。还包括高压侧电压互感器13、中压侧电压互感器17，分别用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压。该装置还包括控制器14和变流器15。控制器14接收采集到的电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压、电流数据；计算电弧炉变压器低压侧的三相功率PLA、PLB和PLC；根据三相功率PLA、PLB和PLC的均衡程度判断是否需要补偿三相功率PLA、PLB和PLC的较小相。变流器15有两个端口，每个端口既可作输入端又可作输出端，分别接于电弧炉变压器18的高压侧和中压侧。当需要进行补偿时，变流器15接收来自所述控制器的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出至所述变压器的中压侧，对三相功率的所述较小相进行补偿。
实施例3中调节电弧炉变压器低压侧有功功率的三相平衡的具体步骤如下：
步骤301，高压侧电压互感器13、中压侧电压互感器17以及高压侧电流互感器12、中压侧电流互感器16将测量的电压、电流信号传送给控制器14；
步骤302，控制器14根据测量的高压侧电流IH、电压UH计算高压侧功率PH，根据测量的中压侧电流IM、电压UM计算中压侧功率PM，考虑变压器损耗PLOSS，计算低压侧有功功率PL＝PH-PM-PLOSS，进而计算低压侧三相功率PLA、PLB、PLC；
步骤303，判断任意两相有功差值是否大于预设值ε，若是，则进行步骤304；若否，则重复步骤301；
步骤304，将测量出的有功功率的正序分量分解出来，即PLA1、PLB1、PLC1，则可得到各相功率补偿量即ΔP＝PLK-PLK1，此处k∈(A、B、C)；
步骤305，控制器14根据计算结果，向变流器15发出驱动信号，调整其工作桥臂、开关频率及占空比，控制变流器的功率输出至变压器的中压侧，对三相功率的较小相进行补偿。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电弧炉功率补偿控制装置，其特征在于，用于补偿电弧炉变压器低压侧的有功功率，包括：
电流互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电流；
电压互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压；
控制器，其接收采集到的所述电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压、电流数据；计算所述电弧炉变压器低压侧的有功功率PL；根据所述有功功率PL与目标功率PG的比较，判断是否需要对低压侧的有功功率PL进行补偿；
变流器，其接收来自所述控制器的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出至所述变压器的高压侧或中压侧，对所述低压侧的有功功率PL进行补偿；所述变流器设有两个端口，分别接于变压器高压侧和中压侧，当其中任意一个端口为输入端时，另一端口为输出端。
2.一种电弧炉功率补偿控制装置，其特征在于，用于调节电弧炉变压器低压侧有功功率的三相平衡，包括：
电流互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电流；
电压互感器，其用于采集电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压；
控制器，其接收采集到的所述电弧炉变压器高压侧和中压侧的电压、电流数据；计算所述电弧炉变压器低压侧的三相功率PLA、PLB和PLC；根据所述三相功率PLA、PLB和PLC的均衡程度判断是否需要补偿所述三相功率PLA、PLB和PLC的最小相；
变流器，其接收来自所述控制器的补偿驱动指令，控制变流器的功率输出至所述变压器的中压侧，对所述三相功率的所述最小相进行补偿；所述变流器设有两个端口，分别接于变压器高压侧和中压侧，当其中任意一个端口为输入端时，另一端口为输出端。
3.一种电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，用于补偿电弧炉变压器低压侧的有功功率，应用权利要求1所述的装置，包括如下步骤：
A、采集电弧炉变压器高压侧、中压侧的电流及电压；
B、根据所述电流及电压数值，计算所述电弧炉变压器低压侧的有功功率PL；
C、根据所述有功功率PL与目标功率PG的比较，判断是否需要对低压侧的有功功率PL进行补偿；
D、在需要进行所述补偿时，则控制变流器的功率输出至所述变压器的高压侧或中压侧，从而对所述低压侧的有功功率PL进行补偿。
4.根据权利要求3所述的电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，所述步骤B中的所述计算具体为：
PL＝PH-PM-PLOSS；
其中PH为高压侧功率；PM为中压侧功率；PLOSS为所述变压器损耗。
5.根据权利要求4所述的电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，所述步骤C具体为：判断所述低压侧的有功功率PL与目标功率PG的差值是否大于预设值，如果是，则执行步骤D；如果否，则重复执行步骤A。
6.根据权利要求3所述的电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，在所述步骤D中，通过调节工作桥臂、开关频率和/或占空比来控制所述变流器的功率输出。
7.一种电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，用于调节电弧炉变压器低压侧有功功率的三相平衡，应用权利要求2所述的装置，包括如下步骤：
A、采集电弧炉变压器高压侧、中压侧的电流及电压；
B、根据所述电流及电压数值，计算所述电弧炉变压器低压侧的有功功率PL；计算PL的三相功率PLA、PLB和PLC；
C、根据所述三相功率PLA、PLB和PLC的均衡程度判断是否需要补偿所述三相功率PLA、PLB和PLC的最小相；
D、在需要进行所述补偿时，控制变流器的功率输出至所述变压器的中压侧，对所述三相功率的所述最小相进行补偿。
8.根据权利要求7所述的电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，在所述步骤B中，计算所述电弧炉变压器低压侧的有功功率PL具体为：
PL＝PH-PM-PLoSS；
其中PH为高压侧功率，PM为中压侧功率，PLOSS为所述变压器损耗。
9.根据权利要求8所述的电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，在所述步骤C中，当所述三相功率PLA、PLB和PLC任意两项的差值大于预设值时，则执行步骤D；当所述三相功率PLA、PLB和PLC任意两项的差值不大于预设值时，则重复执行步骤A。
10.根据权利要求9所述的电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，在需要进行所述补偿时，所述三相中的各相功率补偿量ΔP＝PLK-PLK1；其中，
k∈(A、B、C)，
PLK1为测量的有功功率分解出来的正序分量。
11.根据权利要求7所述的电弧炉功率补偿控制方法，其特征在于，在所述步骤D中，通过调节工作桥臂、开关频率和/或占空比来控制所述变流器的功率输出。
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