CN115333163B - 一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统及控制方法 - Google Patents

一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统及控制方法，属于电弧炉低碳冶金的技术领域。所述电弧炉炼钢供能控制系统包括供电系统和电弧炉用电系统，所述供电系统包括光伏发电模块、风力发电模块、谷电模块、储能模块以及电弧炉供电配置系统，所述电弧炉用电系统包括电弧炉本体和同厂房内其他的用电设备。所述控制方法通过电弧炉炼钢供能控制系统实时检测P光、P风、P储、P储m、W储m、W储、PE，调节光伏、风能、谷电、储能等供电模块的运行方式，为电弧炉供电选择最优的组合配置方案，保证电弧炉的正常稳定运行，并从供电角度有效降低电弧炉冶炼的过程的碳排放。

Description

一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于电弧炉低碳冶金的技术领域，涉及一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统及控制方法。
背景技术
电弧炉是一种以电能为主要能源的冶金装置，电弧炉炼钢是通过石墨电极产生的电弧向炉内的废钢原料输入能量，使其熔化而进行炼钢的过程。现有的电弧炉通过外部电网送电来进行冶炼，电能来源通常为火力发电厂。电能从发电厂通过高压输电线路输送入厂内，经过变电站降压，再经过电弧炉变压器降压，通过短网和石墨电极输入炉内。电弧炉炼钢过程需要消耗大量的电能，以全废钢电弧炉为例，传统电弧炉冶炼过程至少消耗380kWh/吨钢。电弧炉冶炼造成的巨大电能消耗也将间接造成大量的碳排放。
故而需要清洁能源来弥补提供电弧炉冶炼所需的电能。
中国专利CN113659598A公开了一种基于电力和燃气互补控制的混合供能控制方法和系统，虽然其能够基于所述荷电状态SOC，电网负荷状态对电池储能装置，电网，电热装置和微型燃气轮机进行综合控制，但是显然并不能够用于电弧炉炼钢的高功率电能消耗，也没有综合利用光电发电、和/或风力发电、和/或外部电网部分供电，只适用于较低功率电能消耗的用户侧。
中国专利CN112736908A公开了一种多能协同优化配置规划方法，其中虽然提到了风力发电和光伏发电的清洁能源供电，但是其系统中的供电控制模块用于控制风力发电和光伏发电向负载和储能电池供电，用于控制风力发电、光伏发电、储能电池、电力电网和柴油发电向负载供电，用于将剩余的清洁能源多余电量逆变传输到电力电网；其中的负载包括生活中常见的各种电器及用电工具，比如：冰箱、照明灯、洗衣机、电磁炉、电动车等。显然都是低功率电能消耗，并不适用于工业方面的高功率电能消耗，特别是电弧炉炼钢的高功率电能消耗。且当供电出现问题无法正常供电时，会使用柴发系统进行供电，造成更多污染，并且柴发系统自身成本高。用电低谷时非清洁能源发电无法立即减少供电量，需要停下清洁能源供电。浪费了大量清洁能源供电的资源。
中国专利CN111541297A公开了一种供配电方法，通过多个供电端配合供电，避免供电不足的情况下使用柴发系统供电，节省了柴发系统的成本，减小了污染。然而其中的清洁能源供电端为光伏发电站或风力发电站，并不能够在用电高峰时期采用光伏发电站+风力发电站、和/或外部电网部分供电，且控制装置只能监测清洁能源供电端的供电状态，即监测用户侧电器的需求电量，只能对固定用电功率的电器进行供电，显然不能够判断电弧炉炼钢各个阶段用电功率需求、以及获得各个阶段用电功率需求与总发电出力之间的关系、对清洁能源供电需求量和外部电网部分供电的需求量。
故而现阶段虽然也通过清洁能源比如光伏发电、风力发电等手段来取代火力发电进行供电、或者是协同对固定功率的电器进行供电的方法虽然有很多，但是由于光伏发电和风力发电本身受天气因素影响大，出力不稳定，外部电网供电与清洁能源供电不能很好的匹配控制，限制了其应用范围。而电弧炉属于典型的非线性负荷，功率需求高，变化快，需求电量大，对于供电端的要求也较高。
因此，将清洁能源作为电弧炉的供电端还没有过应用，将清洁能源与外部电网协同的低成本匹配控制方法也没有过应用，故而需要提供一种合理的匹配运行方法，将光伏和风能发电以及价格较低的谷电结合起来，在保证电弧炉正常运行的同时，降低电弧炉炼钢过程的碳排放，实现绿色电弧炉炼钢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中的利用清洁能源供电方式只能供应低功率电器的电能消耗，且功率不能根据需要进行调节，也不能够将清洁能源供电和外部电网供电进行控制以协同低成本高效率供电，特别是对于电弧炉炼钢的高能耗、不同炼钢阶段的不同功率的清洁能源和外部电网协同低成本高效率供电的技术方案目前并不存在。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统，所述电弧炉炼钢供能控制系统包括供电系统和电弧炉用电系统，所述供电系统包括光伏发电模块、风力发电模块、谷电模块、储能模块以及电弧炉供电配置系统，所述电弧炉用电系统包括电弧炉本体和同厂房内其他的用电设备；
其中：所述光伏发电模块用于将光能转换为电能为电弧炉供电；
所述风力发电模块用于将风能转换为电能为电弧炉供电；
所述谷电模块用于连接外部电网，将价格较低的谷电供给给电弧炉；
所述储能模块用于在发电功率过剩时将多余的电能储存起来，在发电功率不足时放电对功率进行补充；
所述电弧炉供电配置系统用于实时采集光伏发电模块、风力发电模块、谷电模块、储能模块以及电弧炉本体的工作状态数据，执行供电配置策略来确定电弧炉的供电控制方法；
所述电弧炉本体用于将废钢等原料在一定时间内冶炼为成分温度合格的钢水产品；
所述同厂房内其他的用电设备用于为电弧炉提供动力、照明等生产辅助功能。
优选地，所述控制方法为：
由光伏发电模块、风力发电模块、谷电模块、储能模块、电弧炉模块构成的系统中，实时检测光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块放电出力P储、储能模块最大放电出力P储m、储能模块总容量W储m、储能模块当前容量W储、当前电价时段和电弧炉炼钢用电功率需求PE，调节光伏、风能、谷电、储能等供电模块的运行方式，为电弧炉供电选择最优的组合配置方案，保证电弧炉的正常稳定运行，并从供电角度有效降低电弧炉冶炼的过程的碳排放。
优选地，所述控制方法的具体步骤如下：
S1：通过实时检测确定需要进行供电的电弧炉本体的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
其中：顶装料电弧炉的冶炼阶段分为点弧穿井期、熔化期、升温期；水平连续加料电弧炉的冶炼阶段分为熔化期、升温期；电弧炉的供电需求也会随着电弧炉所处的冶炼阶段的不同而周期性变化；
S2：确定光伏发电模块以及风力发电模块的出力状态；二者的出力状态会随着时间和天气状况而发生变化；确定储能模块的装机容量配置，主要包括储能模块的储电量W储以及储能模块放电时的出力P储；确定谷电模块所连接的外部电网不同电价的时段，按照电价从高到低依次称为峰电时段、平电时段、谷电时段；
S3：根据S1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据所述的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉的供电功率需求PE；
S4：根据S2所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能装置的出力仿真曲线，并通过出力仿真曲线获得光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、当前容量W储；
S5：根据S1、S2、S3、S4获得的外部电网不同电价的时段、供电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、当前容量W储；按照供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的最优的组合配置方案。
优选地，所述供电配置策略为：
比较光伏发电出力P光+风力发电出力P风的总发电出力与电弧炉炼钢用电功率需求PE，判断总发电出力是否能够满足电弧炉炼钢的用电需求；
当总出力能满足用电需求时，即P光+P风≥PE时，先比对P光与PE,判断光伏发电出力是否能单独满足电弧炉的运行需求，若能满足，即P光≥PE，则由光伏发电来单独为电弧炉供电；
若不能满足，即P光＜PE，则执行比对P风与PE，判断风力发电出力是否能单独满足电弧炉的运行需求，若能满足，即P风≥PE，则由风力发电来单独为电弧炉供电，若不能满足，即P风＜PE,则选择由光伏发电和风力发电共同为电弧炉供电；
选择为电弧炉供电的发电模块之后，在发电模块的发电出力有富余状态下，对储能模块当前容量W储进行判断，电量不满时，即W储＜W储m时，富余的发电出力为储能模块进行充电；电量充满时，即W储≥W储m时，富余的发电出力为其他用电设备进行供电；
当光伏发电出力P光+风力发电出力P风的总发电出力不能满足电弧炉炼钢用电需求时，即P光+P风＜PE时，首先对此时的电价状况进行判断，若处于谷电的时段，则采用谷电来对不足的出力进行补充；若处于非谷电时段，则储能装置进行放电，对不足的出力进行补充；
在储能装置放电情况下，若总发电出力仍然不能满足用电需求，即P光+P风+P储m＜PE时，则通过谷电模块连接外部电网，获取外部电力来补充不足的总发电出力部分。
优选地，所述的P光≥PE，在W储＜W储m时将P光-PE的功率富余量用于给储能模块充电，W储≥W储m时，将P光-PE功率富余量供给给其他用电设备。
优选地，所述的P光＜PE，P风≥PE，在W储＜W储m时将P风-PE的功率富余量用于给储能模块充电，W储≥W储m时，将P风-PE功率富余量供给给其他用电设备。
优选地，所述的P光+P风≥PE，且P光＜PE，P风＜PE，在W储＜W储m时将P光+P风-PE的功率富余量用于给储能模块充电，W储≥W储m时，P光+P风-PE功率富余量供给给其他用电设备。
优选地，若处于谷电的时段，采用谷电来补足不足的出力部分，功率为P谷＝PE-P光-P风，若处于非谷电时段，则储能模块放电，补充不足的出力部分，若P光+P风＜PE，P光+P风+P储m≥PE，则此时储能模块放电出力为P储＝PE-P光-P风。
优选地，所述P光+P风+P储m＜PE时，其功率为P外＝PE-P光-P风-P储m。
优选地，所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为由传统电弧炉的吨钢213千克降低至吨钢12千克，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40％，供电效率提高了约10％。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
上述方案中，本发明提出了一种近零碳排放电弧炉的供电控制方法，对光伏、风能、谷电等供电模块在不同情境下的配置运行提供了决策手段，从而能够选择出最优的运行策略，最大化利用清洁能源和储能装置的装机容量，在保证电弧炉的正常稳定运行的同时，提升该供电方案的高效性和经济性，并有效降低电弧炉冶炼的碳排放。对于电弧的绿色低碳冶炼生产的发展有重大积极意义。
本发明充分利用了光伏和风能等清洁能源和低成本谷电为电弧炉供电，降低了电弧炉冶炼过程由于电能消耗产生的碳排放。
本发明根据不同时段的外部电网电价情况以及光伏发电和风力发电模块的出力情况，引入价格较低的谷电作为供电的补充手段，可以降低发电模块和储能模块的装机容量，使能源配置达到最优化，降低能源配置成本。
本发明所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为由传统电弧炉的吨钢213千克降低至吨钢12千克，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40％，供电效率提高了约10％。
总之，本发明提供一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统及其控制方法，将光伏和风能发电以及价格较低的谷电结合起来，在保证电弧炉的非线性负荷基础上，进一步满足电弧炉炼钢的功率需求高和变化快、需求电量大等技术目标的同时，还能够降低电弧炉炼钢过程的碳排放，实现绿色、低成本、高效率的电弧炉炼钢。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的连接示意图；
图2为本发明近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法中最优的组合配置方案判断流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。
本发明提供的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统如图1所示，包括供电系统101和电弧炉用电系统102。
供电系统101包括光伏发电模块1011、风力发电模块1012、谷电模块1013、储能模块1014以及用于执行本发明所述的供电控制方法的电弧炉供电配置系统1015。
电弧炉用电系统中包括电弧炉本体1021，同厂房内其他的用电设备1022。
在具体实施过程中，电弧炉供电配置系统1015会实时采集光伏发电模块1011、风力发电模块1012、谷电模块1013、储能模块1014以及电弧炉本体1021的工作状态数据，执行以下的供电控制方法来为电弧炉炼钢供电。
S1：通过实时检测确定需要进行供电的电弧炉本体1021的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
其中：顶装料电弧炉的冶炼阶段分为点弧穿井期、熔化期、升温期；水平连续加料电弧炉的冶炼阶段分为熔化期、升温期；电弧炉的供电需求也会随着电弧炉所处的冶炼阶段的不同而周期性变化；
S2：确定光伏发电模块1011以及风力发电模块1012的出力状态；二者的出力状态会随着时间和天气状况而发生变化；确定储能模块1014的装机容量配置，主要包括储能模块1014的储电量W储以及储能模块1014放电时的出力P储；确定谷电模块1013所连接的外部电网不同电价的时段，按照电价从高到低依次称为峰电时段、平电时段、谷电时段；
S3：根据S1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据所述的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉的供电功率需求PE；
S4：根据S2所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能装置的出力仿真曲线，并通过出力仿真曲线获得光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、当前容量W储；
S5：根据S1、S2、S3、S4获得的外部电网不同电价的时段、供电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、当前容量W储；按照供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的最优的组合配置方案。
所述的控制方法中最优的组合配置方案如图2所示，具体步骤为：
比较光伏发电出力P光+风力发电出力P风的总发电出力与电弧炉炼钢用电功率需求PE，判断总发电出力是否能够满足电弧炉炼钢的用电需求；
当总出力能满足用电需求时，即P光+P风≥PE时，先比对P光与PE,判断光伏发电出力是否能单独满足电弧炉的运行需求，若能满足，即P光≥PE，则由光伏发电来单独为电弧炉供电；
若不能满足，即P光＜PE，则执行比对P风与PE，判断风力发电出力是否能单独满足电弧炉的运行需求，若能满足，即P风≥PE，则由风力发电来单独为电弧炉供电，若不能满足，即P风＜PE,则选择由光伏发电和风力发电共同为电弧炉供电；
选择为电弧炉供电的发电模块之后，在发电模块的发电出力有富余状态下，对储能模块当前容量W储进行判断，电量不满时，即W储＜W储m时，富余的发电出力为储能模块进行充电；电量充满时，即W储≥W储m时，富余的发电出力为其他用电设备进行供电；
当光伏发电出力P光+风力发电出力P风的总发电出力不能满足电弧炉炼钢用电需求时，即P光+P风＜PE时，首先对此时的电价状况进行判断，若处于谷电的时段，则采用谷电来对不足的出力进行补充；若处于非谷电时段，则储能装置进行放电，对不足的出力进行补充；
在储能装置放电情况下，若总发电出力仍然不能满足用电需求，即P光+P风+P储m＜PE时，则通过谷电模块连接外部电网，获取外部电力来补充不足的总发电出力部分。
表1电弧炉所在地的分时段划分电价情况
Figure BDA0003789163260000081
实施例1
一台50t的水平连续加料电弧炉，其电弧炉变压器容量为40MVA，平均出钢量为50t。该电弧炉配备有装机容量为38MW的光伏发电电站一座，装机容量为40MW的风力发电电站一座，同时连接有装机功率为30MW，总储能电量为90MWh的储能电池电站一座。
使用下述方法来对电弧炉的供电方法进行综合配置，以确保电弧炉能够正常稳定运行，并降低电弧炉冶炼用电造成的碳排放。
S1、通过实时检测确定电弧炉的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
50t水平连续加料电弧炉在正常运行过程中，冶炼周期为40min，通电时间为35分钟，其余时间为出钢和辅助操作时间，其冶炼过程主要分为熔化期和升温期两个阶段；
S2、确定光伏发电以及风力发电的出力状态：
电弧炉所在地区的日平均有效光照时数为6小时，光伏发电出力根据时段和天气状况为装机容量的0-110％范围内变化；电弧炉所在地区日常有风，在一天内出力状况根据风力大小在装机容量的20％-80％范围内变化；
确定储能模块装机容量配置；储能模块总储电容量W储m＝90MWh，当前处于电量不满状态，W储＝45MWh，P储m＝300kW/吨钢；
确定外部电网不同电价的时段，电价从高到低依次称为峰电、平电、谷电。电弧炉所在地的外部电价按时段划分情况如上表1所示；
S3、根据步骤1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据目前的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉的供电功率需求PE。进行计算时，时刻为上午10时，该电弧炉正常运行，冶炼阶段处于熔化期，功率总需求为35MW，按出钢量折算功率需求为PE＝700kW/吨钢；
S4、根据步骤1所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能装置的出力仿真曲线。由出力仿真曲线获得光伏发电出力P光，风力发电出力P风，储能模块最大放电出力P储m、当前容量W储；
进行计算时，时刻为上午10时，光伏发电模块出力比例为80％，P光＝608kW/吨钢，风力发电模块出力比例为30％，P风＝240kW/吨钢；储能装置当前处于电量不满状态，W储＝45MWh，P储m＝300kW/吨钢；
S5：根据步骤1、步骤2、步骤3获得的外部电网不同电价的时段、供电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、当前容量W储；按照一定的供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的供电控制方法。
此时的P光+P风＝848kW/吨钢，大于电弧炉用电需求PE＝700kW/吨钢，但P光＜PE，P风＜PE，因此需要光伏发电和风力发电共同为电弧炉供电，由于此时的P光+P风≥PE，且由于W储＜W储m，储能装置电量不满，则以富余功率P光+P风-PE＝208kW/吨钢为储能装置充电；
由此确定了当前时刻电弧炉的供电配置策略：光伏发电和风力发电以功率PE＝700kW/吨钢共同为电弧炉供电，同时以P光+P风-PE＝208kW/吨钢的功率共同为储能装置充电。
本实施例所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为12kg/吨钢，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40％，供电效率提高了10％。
实施例2
一台50t的水平连续加料电弧炉，其电弧炉变压器容量为40MVA，平均出钢量为50t。该电弧炉配备有装机容量为38MW的光伏发电电站一座，装机容量为40MW的风力发电电站一座，同时连接有装机功率为30MW，总储能电量为90MWh的储能电池电站一座。
使用下述方法来对电弧炉的供电方法进行综合配置，以确保电弧炉能够正常稳定运行，并降低电弧炉冶炼用电造成的碳排放。
S1、通过实时检测确定电弧炉的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
50t水平连续加料电弧炉在正常运行过程中，冶炼周期为40min，通电时间为35分钟，其余时间为出钢和辅助操作时间，其冶炼过程主要分为熔化期和升温期两个阶段；
S2、确定光伏发电以及风力发电的出力状态：
电弧炉所在地区的日平均有效光照时数为6小时，光伏发电出力根据时段和天气状况为装机容量的0-110％范围内变化；电弧炉所在地区日常有风，在一天内出力状况根据风力大小在装机容量的20％-80％范围内变化；
确定储能模块装机容量配置；储能模块总储电容量W储m＝90MWh，当前处于电量不满状态，W储＝45MWh，P储m＝300kW/吨钢；
确定外部电网不同电价的时段，电价从高到低依次称为峰电、平电、谷电。电弧炉所在地的外部电价按时段划分情况如上表1所示；
S3、根据步骤1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据目前的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉的供电功率需求PE；
进行计算时，时刻为夜晚11时，该电弧炉正常运行，冶炼阶段处于升温期，功率总需求为36MW，按出钢量折算功率需求为PE＝720kW/吨钢；
S4、根据步骤1所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能装置的出力仿真曲线；由出力仿真曲线获得光伏发电出力P光，风力发电出力P风，储能模块最大放电出力P储m、当前容量W储；
进行计算时，时刻为夜晚11时，光伏发电模块出力比例为0％，P光＝0kW/吨钢，风力发电模块出力比例为80％，P风＝640kW/吨钢。储能装置当前处于电量不满状态，W储＝45MWh，P储m＝300kW/吨钢；
S5、根据步骤1、步骤2、步骤3获得的外部电网不同电价的时段、供电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、当前容量W储，按照一定的供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的供电控制方法；
此时的P光+P风＝640kW/吨钢，小于电弧炉的功率需求PE＝720kW/吨钢，由于夜晚11时处于谷电时段，采用谷电补充不足的出力，采用的谷电的功率为P谷＝PE-P光-P风＝80kW/吨钢；
由此确定了当前时刻电弧炉的供电配置策略：光伏发电和风力发电以功率P光+P风＝640kW/吨钢共同为电弧炉供电，并从外部电网取谷电，取用谷电的功率为P谷＝PE-P光-P风＝80kW/吨钢。
本实施例所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为34kg/吨钢，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低35％，供电效率提高了10％。
实施例3
一台100t的顶装料电弧炉，其电弧炉变压器容量为72MVA，平均出钢量为105t。该电弧炉配备有装机容量为60MW的光伏发电电站一座，装机容量为40MW的风力发电电站一座，同时连接有装机功率为30MW，总储能电量为90MWh的储能电池电站一座。
使用下述方法来对电弧炉的供电方法进行综合配置，以确保电弧炉能够正常稳定运行，并降低电弧炉冶炼用电造成的碳排放。
S1、通过实时检测确定电弧炉的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
100t的顶装料电弧炉在正常运行过程中，配加48％铁水，冶炼周期为38min，通电时间为25min，其余时间为出钢和辅助操作时间，其冶炼过程主要分为点弧穿井期、熔化期、升温期三个阶段；
S2、确定光伏发电以及风力发电的出力状态：
电弧炉所在地区的日平均有效光照时数为6小时，光伏发电出力根据时段和天气状况为装机容量的0-110％范围内变化；电弧炉所在地区日常有风，在一天内出力状况根据风力大小在装机容量的20％-100％范围内变化；
确定储能模块装机容量配置；储能模块总储电容量W储m＝90MWh，当前处于电量未充满状态，W储＝60MWh，P储m＝285kW/吨钢；
确定外部电网不同电价的时段，电价从高到低依次称为峰电、平电、谷电。电弧炉所在地的外部电价按时段划分情况如上表1所示；
S3、根据步骤1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据目前的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉的供电功率需求PE；
进行计算时，时刻为下午2时，该电弧炉正常运行，冶炼阶段处于熔化期，功率总需求为56MW，按出钢量折算功率需求为PE＝533kW/吨钢；
S4、根据步骤1所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能装置的出力仿真曲线；由出力仿真曲线获得光伏发电出力P光，风力发电出力P风，储能模块最大放电出力P储m、当前容量W储；
进行计算时，时刻为下午2时，光伏发电模块出力比例为100％，P光＝571kW/吨钢，风力发电模块出力比例为20％，P风＝76kW/吨钢。储能装置当前处于电量未充满状态，W储＝60MWh，P储m＝285kW/吨钢；
S5、根据步骤1、步骤2、步骤3获得的外部电网不同电价的时段、供电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、当前容量W储，按照一定的供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的供电控制方法；
此时的P光+P风＝647kW/吨钢，大于电弧炉的功率需求PE＝533kW/吨钢，由于此时的P光≥PE，采用光伏发电为电弧炉供电，且由于W储＜W储m，储能装置电量未充满，则以富余功率P光-PE＝38kW/吨钢为储能装置充电；
由此确定了当前时刻电弧炉的供电配置策略：光伏发电以功率P光＝533kW/吨钢为电弧炉供电，同时以P光-PE＝388kW/吨钢的功率为储能装置充电。
本实施例所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为12kg/吨钢，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40％，供电效率提高了10％。
实施例4
一台100t的顶装料电弧炉，其电弧炉变压器容量为72MVA，平均出钢量为105t。该电弧炉配备有装机容量为60MW的光伏发电电站一座，装机容量为40MW的风力发电电站一座，同时连接有装机功率为30MW，总储能电量为90MWh的储能电池电站一座。
使用下述方法来对电弧炉的供电方法进行综合配置，以确保电弧炉能够正常稳定运行，并降低电弧炉冶炼用电造成的碳排放。
S1、通过实时检测确定电弧炉的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
100t的顶装料电弧炉在正常运行过程中，配加48％铁水，冶炼周期为38min，通电时间为25min，其余时间为出钢和辅助操作时间，其冶炼过程主要分为点弧穿井期、熔化期、升温期三个阶段；
S2、确定光伏发电以及风力发电的出力状态：
电弧炉所在地区的日平均有效光照时数为6小时，光伏发电出力根据时段和天气状况为装机容量的0-110％范围内变化；电弧炉所在地区日常有风，在一天内出力状况根据风力大小在装机容量的20％-100％范围内变化；
确定储能模块装机容量配置；储能模块总储电容量W储m＝90MWh，当前处于电量充满状态，W储＝90MWh，P储m＝285kW/吨钢；
确定外部电网不同电价的时段，电价从高到低依次称为峰电、平电、谷电。电弧炉所在地的外部电价按时段划分情况如上表1所示；
S3、根据步骤1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据目前的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉的供电功率需求PE；
进行计算时，时刻为夜晚8时，该电弧炉正常运行，冶炼阶段处于点弧穿井期，功率总需求为38MW，按出钢量折算功率需求为PE＝362kW/吨钢；
S4、根据步骤1所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能装置的出力仿真曲线；由出力仿真曲线获得光伏发电出力P光，风力发电出力P风，储能模块最大放电出力P储m、当前容量W储；
进行计算时，时刻为夜晚8时，光伏发电模块出力比例为0％，P光＝0kW/吨钢，风力发电模块出力比例为100％，P风＝380kW/吨钢。储能装置当前处于电量充满状态，W储＝90MWh，P储m＝285kW/吨钢；
S5、根据步骤1、步骤2、步骤3获得的外部电网不同电价的时段、供电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、当前容量W储，按照一定的供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的供电控制方法；
此时的P光+P风＝380kW/吨钢，大于电弧炉的功率需求PE＝362kW/吨钢，由于此时的P风≥PE，采用风力发电为电弧炉供电，且由于W储≥W储m，储能装置电量充满，则以富余功率P风-PE＝18kW/吨钢为其他用电设备供电；
由此确定了当前时刻电弧炉的供电配置策略：风力发电以功率P风＝362kW/吨钢为电弧炉供电，并将富余功率为其他用电设备供电，功率为P风-PE＝18kW/吨钢。
本实施例所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为12kg/吨钢，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40％，供电效率提高了10％。
实施例5
一台100t的顶装料电弧炉，其电弧炉变压器容量为72MVA，平均出钢量为105t。该电弧炉配备有装机容量为60MW的光伏发电电站一座，装机容量为40MW的风力发电电站一座，同时连接有装机功率为30MW，总储能电量为90MWh的储能电池电站一座。
使用下述方法来对电弧炉的供电方法进行综合配置，以确保电弧炉能够正常稳定运行，并降低电弧炉冶炼用电造成的碳排放。
S1、通过实时检测确定电弧炉的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
100t的顶装料电弧炉在正常运行过程中，配加48％铁水，冶炼周期为38min，通电时间为25min，其余时间为出钢和辅助操作时间，其冶炼过程主要分为点弧穿井期、熔化期、升温期三个阶段；
S2、确定光伏发电以及风力发电的出力状态：
电弧炉所在地区的日平均有效光照时数为6小时，光伏发电出力根据时段和天气状况为装机容量的0-110％范围内变化；电弧炉所在地区日常有风，在一天内出力状况根据风力大小在装机容量的20％-100％范围内变化；
确定储能模块装机容量配置；储能模块总储电容量W储m＝90MWh，当前处于电量充满状态，W储＝90MWh，P储m＝285kW/吨钢；
确定外部电网不同电价的时段，电价从高到低依次称为峰电、平电、谷电。电弧炉所在地的外部电价按时段划分情况如上表1所示；
S3、根据步骤1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据目前的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉的供电功率需求PE；
进行计算时，时刻为下午5时，该电弧炉正常运行，冶炼阶段处于升温期，功率总需求为50MW，按出钢量折算功率需求为PE＝476kW/吨钢；
S4、根据步骤1所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能装置的出力仿真曲线；由出力仿真曲线获得光伏发电出力P光，风力发电出力P风，储能模块最大放电出力P储m、当前容量W储；
进行计算时，时刻为下午5时，光伏发电模块出力比例为20％，P光＝114kW/吨钢，风力发电模块出力比例为60％，P风＝228kW/吨钢。储能装置当前处于电量充满状态，W储＝90MWh，P储m＝285kW/吨钢；
S5、根据步骤1、步骤2、步骤3获得的外部电网不同电价的时段、供电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、当前容量W储，按照一定的供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的供电控制方法；
此时的P光+P风＝342kW/吨钢，小于电弧炉的功率需求PE＝476kW/吨钢，且由于处于非谷电时段，采用光伏发电和风力发电共同为电弧炉供电，同时储能装置放电，补充不足的功率，放电功率为P储＝PE-P光-P风＝134kW/吨钢；
由此确定了当前时刻电弧炉的供电配置策略：光伏发电和风力发电以功率P光+P风＝342kW/吨钢为电弧炉供电，同时储能装置放电为电弧炉供电，由于P光+P风+P储m＞PE,储能装置不需要全功率放电，放电功率为P储＝PE-P光-P风＝134kW/吨钢。
本实施例所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为12kg/吨钢，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40％，供电效率提高了10％。
实施例6
一台100t的顶装料电弧炉，其电弧炉变压器容量为72MVA，平均出钢量为105t。该电弧炉配备有装机容量为60MW的光伏发电电站一座，装机容量为40MW的风力发电电站一座，同时连接有装机功率为30MW，总储能电量为90MWh的储能电池电站一座。
使用下述方法来对电弧炉的供电方法进行综合配置，以确保电弧炉能够正常稳定运行，并降低电弧炉冶炼用电造成的碳排放。
S1、通过实时检测确定电弧炉的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
100t的顶装料电弧炉在正常运行过程中，配加48％铁水，冶炼周期为38min，通电时间为25min，其余时间为出钢和辅助操作时间，其冶炼过程主要分为点弧穿井期、熔化期、升温期三个阶段；
S2、确定光伏发电以及风力发电的出力状态：
电弧炉所在地区的日平均有效光照时数为6小时，光伏发电出力根据时段和天气状况为装机容量的0-110％范围内变化；电弧炉所在地区日常有风，在一天内出力状况根据风力大小在装机容量的20％-100％范围内变化；
确定储能模块装机容量配置；储能模块总储电容量W储m＝90MWh，当前处于电量未充满状态，W储＝30MWh，P储m＝200kW/吨钢；
确定外部电网不同电价的时段，电价从高到低依次称为峰电、平电、谷电。电弧炉所在地的外部电价按时段划分情况如上表1所示；
S3、根据步骤1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据目前的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉的供电功率需求PE；
进行计算时，时刻为夜间7时，该电弧炉正常运行，冶炼阶段处于熔化期，功率总需求为56MW，按出钢量折算功率需求为PE＝533kW/吨钢；
S4、根据步骤1所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能装置的出力仿真曲线；由出力仿真曲线获得光伏发电出力P光，风力发电出力P风，储能模块最大放电出力P储m、当前容量W储；
进行计算时，时刻为夜间7时，光伏发电模块出力比例为0％，P光＝0kW/吨钢，风力发电模块出力比例为70％，P风＝267kW/吨钢。储能装置当前处于电量未充满状态，W储＝30MWh，P储m＝200kW/吨钢；
S5、根据步骤1、步骤2、步骤3获得的外部电网不同电价的时段、供电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、当前容量W储，按照一定的供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的供电控制方法；
此时的P光+P风＝267kW/吨钢，小于电弧炉的功率需求PE＝533kW/吨钢，且由于处于非谷电时段，采用光伏发电和风力发电共同为电弧炉供电，同时储能装置放电，补充不足的功率，但由于P光+P风+P储m＜PE，储能装置放电功率为P储＝P储m＝200kW/吨钢。此时需要通过谷电模块引入外部电网电能为电弧炉供电，引入功率为P外＝PE-P光-P风-P储m＝66kW/吨钢；
由此确定了当前时刻电弧炉的供电配置策略：光伏发电和风力发电以功率P光+P风＝267kW/吨钢为电弧炉供电，同时储能装置放电为电弧炉供电，放电功率为P储＝P储m＝200kW/吨钢，并通过谷电模块引入外部电网电能为电弧炉供电，引入功率为P外＝PE-P光-P风-P储m＝66kW/吨钢。
本实施例所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为36.3kg/吨钢，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低32％，供电效率提高了10％。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
上述方案中，本发明提出了一种近零碳排放电弧炉的供电控制方法，对光伏、风能、谷电等供电模块在不同情境下的配置运行提供了决策手段，从而能够选择出最优的运行策略，最大化利用清洁能源和储能装置的装机容量，在保证电弧炉的正常稳定运行的同时，提升该供电方案的高效性和经济性，并有效降低电弧炉冶炼的碳排放。对于电弧的绿色低碳冶炼生产的发展有重大积极意义。
本发明充分利用了光伏和风能等清洁能源和低成本谷电为电弧炉供电，降低了电弧炉冶炼过程由于电能消耗产生的碳排放。
本发明根据不同时段的外部电网电价情况以及光伏发电和风力发电模块的出力情况，引入价格较低的谷电作为供电的补充手段，可以降低发电模块和储能模块的装机容量，使能源配置达到最优化，降低能源配置成本。
本发明所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为由传统电弧炉的吨钢213kg降低至吨钢12kg，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40％，供电效率提高了约10％。
总之，本发明提供一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统及其控制方法，将光伏和风能发电以及价格较低的谷电结合起来，在保证电弧炉的非线性负荷基础上，进一步满足电弧炉炼钢的功率需求高和变化快、需求电量大等技术目标的同时，还能够降低电弧炉炼钢过程的碳排放，实现绿色、低成本、高效率的电弧炉炼钢。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统，其特征在于，所述电弧炉炼钢供能控制系统包括供电系统和电弧炉用电系统，所述供电系统包括光伏发电模块、风力发电模块、谷电模块、储能模块以及电弧炉供电配置系统，所述电弧炉用电系统包括电弧炉本体和同厂房内其他的用电设备；
其中：所述光伏发电模块用于将光能转换为电能为电弧炉供电；
所述风力发电模块用于将风能转换为电能为电弧炉供电；
所述谷电模块用于连接外部电网，将价格较低的谷电供给给电弧炉；
所述储能模块用于在发电功率过剩时将多余的电能储存起来，在发电功率不足时放电对功率进行补充；
所述电弧炉供电配置系统用于实时采集光伏发电模块、风力发电模块、谷电模块、储能模块以及电弧炉本体的工作状态数据，执行供电配置策略来确定电弧炉的供电控制方法；
所述电弧炉本体用于将废钢原料在一定时间内冶炼为成分温度合格的钢水产品；
所述同厂房内其他的用电设备用于为电弧炉提供动力、照明生产辅助功能；
所述电弧炉供电配置系统根据不同时段的外部电网电价情况以及光伏发电和风力发电模块的出力情况，引入价格较低的谷电作为供电的补充手段，降低发电模块和储能模块的装机容量，使能源配置达到最优化，降低能源配置成本；
所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为由传统电弧炉的吨钢213千克降低至吨钢12千克，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40%，供电效率提高了10%。
2.一种基于权利要求1所述的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法为：
由光伏发电模块、风力发电模块、谷电模块、储能模块、电弧炉模块构成的系统中，实时检测光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块放电出力P储、储能模块最大放电出力P储m、储能模块总容量W储m、储能模块当前容量W储、当前电价时段和电弧炉炼钢用电功率需求PE，调节光伏发电模块、风力发电模块、谷电模块、储能模块的运行方式，为电弧炉供电选择最优的组合配置方案，保证电弧炉的正常稳定运行，并从供电角度有效降低电弧炉冶炼的过程的碳排放；
所述控制方法的具体步骤如下：
S1：通过实时检测确定需要进行供电的电弧炉本体的供电需求状态，获得其各个冶炼阶段的供电需求；
其中：顶装料电弧炉的冶炼阶段分为点弧穿井期、熔化期、升温期；水平连续加料电弧炉的冶炼阶段分为熔化期、升温期；电弧炉的供电需求也会随着电弧炉所处的冶炼阶段的不同而周期性变化；
S2：确定光伏发电模块以及风力发电模块的出力状态；二者的出力状态会随着时间和天气状况而发生变化；确定储能模块的装机容量配置，主要包括储能模块当前容量W储以及储能模块放电时的出力P储；确定谷电模块所连接的外部电网不同电价的时段，按照电价从高到低依次称为峰电时段、平电时段、谷电时段；
S3：根据S1所述的电弧炉正常冶炼过程各个冶炼阶段的供电需求状态，建立电弧炉的供电功率需求仿真曲线，并根据所述的电弧炉当前所处的冶炼阶段，由供电功率需求仿真曲线获得此时电弧炉炼钢用电功率需求PE；
S4：根据S2所述的光伏发电以及风力发电的出力状态，建立光伏发电、风力发电、储能模块的出力仿真曲线，并通过出力仿真曲线获得光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、储能模块当前容量W储；
S5：根据S1、S2、S3、S4获得的外部电网不同电价的时段、电弧炉炼钢用电功率需求PE和光伏发电出力P光、风力发电出力P风、储能模块最大放电出力P储m、总容量W储m、储能模块当前容量W储；按照供电配置策略确定为电弧炉供电所采用的最优的组合配置方案。
3.根据权利要求2所述的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法，其特征在于，所述供电配置策略为：
比较光伏发电出力P光+风力发电出力P风的总发电出力与电弧炉炼钢用电功率需求PE，判断总发电出力是否能够满足电弧炉炼钢的用电需求；
当总出力能满足用电需求时，即P光+P风≥PE时，先比对P光与PE,判断光伏发电出力是否能单独满足电弧炉的运行需求，若能满足，即P光≥PE，则由光伏发电来单独为电弧炉供电；
若不能满足，即P光＜PE，则执行比对P风与PE，判断风力发电出力是否能单独满足电弧炉的运行需求，若能满足，即P风≥PE，则由风力发电来单独为电弧炉供电，若不能满足，即P风＜PE,则选择由光伏发电和风力发电共同为电弧炉供电；
选择为电弧炉供电的发电模块之后，在发电模块的发电出力有富余状态下，对储能模块当前容量W储进行判断，电量不满时，即W储＜W储m时，富余的发电出力为储能模块进行充电；电量充满时，即W储≥W储m时，富余的发电出力为其他用电设备进行供电；
当光伏发电出力P光+风力发电出力P风的总发电出力不能满足电弧炉炼钢用电需求时，即P光+P风＜PE时，首先对此时的电价状况进行判断，若处于谷电的时段，则采用谷电来对不足的出力进行补充；若处于非谷电时段，则储能装置进行放电，对不足的出力进行补充；
在储能装置放电情况下，若总发电出力仍然不能满足用电需求，即P光+P风+P储m＜PE时，则通过谷电模块连接外部电网，获取外部电力来补充不足的总发电出力部分。
4.根据权利要求3所述的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法，其特征在于，所述的P光≥PE，在W储＜W储m时将P光-PE的功率富余量用于给储能模块充电，W储≥W储m时，将P光-PE功率富余量供给给其他用电设备。
5.根据权利要求3所述的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法，其特征在于，所述的P光＜PE，P风≥PE，在W储＜W储m时将P风-PE的功率富余量用于给储能模块充电，W储≥W储m时，将P风-PE功率富余量供给给其他用电设备。
6.根据权利要求3所述的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法，其特征在于，所述的P光+P风≥PE，且P光＜PE，P风＜PE，在W储＜W储m时将P光+P风-PE的功率富余量用于给储能模块充电，W储≥W储m时，P光+P风-PE功率富余量供给给其他用电设备。
7.根据权利要求3所述的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法，其特征在于，若处于谷电的时段，采用谷电来补足不足的出力部分，功率为P谷=PE-P光-P风，若处于非谷电时段，则储能模块放电，补充不足的出力部分，若P光+P风＜PE，P光+P风+P储m≥PE，则此时储能模块放电出力为P储=PE-P光-P风。
8.根据权利要求3所述的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法，其特征在于，所述P光+P风+P储m＜PE时，其功率为P外=PE-P光-P风-P储m。
9.根据权利要求3所述的近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的控制方法，其特征在于，所述近零碳排放的电弧炉炼钢供能控制系统的碳排放为由传统电弧炉的吨钢213千克降低至吨钢12千克，供电成本相比传统的电弧炉炼钢降低40%，供电效率提高了10%。
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