[發(fā)明專利]交流電弧爐的混合柔性供電系統(tǒng)及其控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110099195.X
• 申請(qǐng)日: 2021-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN112787353A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜齊榮;趙崇濱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J3/36
• 分類號(hào): H02J3/36;H02J3/38;H02J1/10;C21C5/52
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 李巖

本發(fā)明公開了一種交流電弧爐的混合柔性供電系統(tǒng)及其控制方法，包括主電路和控制?保護(hù)系統(tǒng)；主回路降低關(guān)鍵設(shè)備的制造難度與前期投入，可顯著降低系統(tǒng)側(cè)電能質(zhì)量威脅并隔離負(fù)載側(cè)極端運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)側(cè)的頻率沖擊；控制系統(tǒng)以用戶側(cè)單位產(chǎn)品生產(chǎn)成本最低或?yàn)橄到y(tǒng)側(cè)提供輔助服務(wù)為目標(biāo)，在日前收集可再生能源出力預(yù)測(cè)信息并制定當(dāng)日生產(chǎn)與機(jī)組開機(jī)計(jì)劃，電弧爐未生產(chǎn)時(shí)可將分布式可再生能源并網(wǎng)或利用儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存，電弧爐生產(chǎn)時(shí)根據(jù)可再生能源出力誤差，在設(shè)備功率運(yùn)行域內(nèi)調(diào)控穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)而改變加熱周期，利用控制系統(tǒng)維持負(fù)載側(cè)控制精度。可提升冶金過程的數(shù)字化水平，降低下一代電弧爐供電系統(tǒng)中前期投入成本與運(yùn)行時(shí)停機(jī)檢修時(shí)間等附加成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金技術(shù)及特種負(fù)荷供配電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種交流電弧爐的混合柔性供電系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)

近年來，由于我國(guó)廢鋼的累積與中頻感應(yīng)爐的全面取締，短流程交流電弧爐(EAF)將迎來新一輪發(fā)展機(jī)遇。然而若沿用現(xiàn)有供電模式，當(dāng)單體電弧爐功率等級(jí)發(fā)展數(shù)十至百兆瓦時(shí)，負(fù)載側(cè)無功損耗導(dǎo)致的附加電費(fèi)及特種變壓器容量與制造難度，系統(tǒng)側(cè)電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置體積、占地面積與控制難度等均將顯著上升，供電系統(tǒng)因嚴(yán)重依賴人工經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字化水平偏低，可能制約我國(guó)電弧爐產(chǎn)業(yè)的推廣及縮短與西方國(guó)家在冶金關(guān)鍵裝備的差距。

針對(duì)交流電弧爐供電系統(tǒng)主電路，國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用中尚未擺脫電能消耗-補(bǔ)償?shù)墓逃心Ｊ剑覍?shí)際運(yùn)行效果與理論存在偏差。已有研究提出將含全控功率半導(dǎo)體器件(IGBT/IGCT)的電力電子模塊串入主回路的供電方案以調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)電氣特性，但未能針對(duì)電弧爐的特殊性設(shè)計(jì)合理的拓?fù)渑c控制策略：

一方面，電弧爐采用低壓電弧熔煉金屬(典型值為1kV)而負(fù)載電流極大(典型值為數(shù)十kA)，功率模塊需大量并聯(lián)使用，若按現(xiàn)有星形接法將電力電子裝置三相半橋/全橋輸出端與短網(wǎng)輸入端相連，則難以充分利用對(duì)應(yīng)高壓-大電流功率模塊的容量(典型值為1.7kV/2.4kA或3.3kV/1.8kA)或?qū)⒃黾幽K數(shù)量，降低系統(tǒng)可靠性；此外，未能考慮電力電子模塊關(guān)鍵參數(shù)，特別是AC-DC-AC功率變換的直流母線電容)與負(fù)載側(cè)短網(wǎng)參數(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)；

另一方面，鋼鐵企業(yè)可通過合理安排電弧爐生產(chǎn)計(jì)劃降低工業(yè)電價(jià)成本，考慮到其大多分布在我國(guó)西部，分布式可再生能源通過電力電子接口可被電弧爐負(fù)載就地消納，或在無生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)存儲(chǔ)至儲(chǔ)能單元供有生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)使用，或向電網(wǎng)倒送功率實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源并網(wǎng)，從而完全避免可再生能源遠(yuǎn)距離匯集至鋼鐵企業(yè)自備電廠或大量外購(gòu)高價(jià)電網(wǎng)電增加用電成本；

此外，對(duì)交流電弧爐供電系統(tǒng)控制-保護(hù)系統(tǒng)，現(xiàn)有供電系統(tǒng)未能充分協(xié)調(diào)多種操作下電力電子控制與電極機(jī)械控制，前者的靈活性未能得到充分發(fā)揮，存在較大的優(yōu)化空間，后者的模式選擇在前者參與的條件下需重新設(shè)計(jì)；而當(dāng)可再生能源-儲(chǔ)能單元參與交流電弧爐為代表的高載能負(fù)荷的供電過程時(shí)，需要計(jì)及工業(yè)用電成本的分級(jí)控制指令自動(dòng)生成。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種交流電弧爐的混合柔性供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低冶金企業(yè)工業(yè)用電成本并提升運(yùn)行效率，保障電力設(shè)備的安全性和電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種交流電弧爐的混合柔性供電系統(tǒng)的控制方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面實(shí)施例提出了一種交流電弧爐的混合柔性供電系統(tǒng)，包括：主電路和控制-保護(hù)系統(tǒng)；

所述主電路包括多繞組工頻移相變壓器、功率單元、分布式可再生能源-儲(chǔ)能單元、短網(wǎng)和電極執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

所述控制-保護(hù)系統(tǒng)包括控制目標(biāo)生成模塊、電極控制模塊、電力電子控制模塊及水冷系統(tǒng)；

多繞組工頻移相變壓器輸入端連接外部電網(wǎng)，用于調(diào)節(jié)輸入電壓；