- 頭條清華大學科研人員提出交流電弧爐柔性供配電方案的新控制策略2022-03-21 作者：趙崇濱、姜齊榮 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語合理化供配電技術是調控大容量交流電弧爐負載能量平衡的關鍵。含模塊化電力電子功率單元的柔性供配電方案可顯著減輕交流電弧爐運行對系統電能質量的影響，通過改進其多環節控制策略可以進一步提高交流電弧爐冶煉的性能并降低對系統的頻率沖擊。 電力系統及大型發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系）、中冶京誠工程技術有限公司的研究人員趙崇濱、姜齊榮 等，在2021年第16期《電工技術學報》上撰文，首先提出功率單元逆變級采用電流控制模式取代電壓控制模式與固有電極調節配合，提升控制系統帶寬；其次，設計該方案針對多種運行工況的控制策略，增加其實際應用的靈活性與面向系統的友好性；再次，改進逆變級調制策略以抑制潛在的高頻共模電流風險；最后，根據實際參數仿真驗證了多種控制策略的有效性，可充分發揮所提方案電力電子主導的軟硬件優勢。
鋼鐵制造業屬于典型的高載能行業，占我國全社會用電量比重較高（2021年第一季度黑色金屬冶煉行業用電量占全社會用電量接近8%）。以電弧爐（Electric Arc Furnace, EAF）為核心裝備、三相交流電為主要能量來源的大容量電爐流程在我國發展前景廣闊。
優質、高效的供配電技術是交流EAF向綠色化、智能化發展的關鍵技術之一，相關研究介紹了傳統供配電方案（以下簡稱“傳統方案”）的工作原理，多種附加裝置或優化技術已用于提升該方案電弧穩定性和治理非線性負荷引發的電能質量問題，但在超高功率化背景下還面臨關鍵設備制造困難、無功損耗突出與控制精度易受干擾等多重挑戰。
前期研究介紹了一種交流EAF新型柔性供配電方案（以下簡稱“新型方案”），其特點為：主電路采用含模塊化電力電子功率單元的柔性供配電電源裝置取代傳統方案的電弧爐變壓器調節負載用電電壓等級，節省了可調電抗器和系統側電能質量治理裝置成本；控制系統引入電力電子控制與原有電極機械控制相結合。
有研究考慮到交流EAT的無源網絡屬性，采用電壓控制模式（Voltage Control Mode, VCM）直接設定功率單元逆變級參考電壓，仿真結果表明：系統側電能質量控制滿足標準，但負載劇烈波動階段的功率控制效果仍存在提升空間。考慮到功率單元較高的硬件成本與電力電子控制的靈活性，在不附加硬件投入的前提下改進各環節控制策略是提升新型方案實用性的必然選擇。
傳統方案的工作原理僅依靠電極機械動作調節電弧電壓并維持其熱功率恒定，石墨電極損耗大，控制自動化程度偏低，且難以跟蹤弧長劇烈波動時期誤差的寬頻變化；此外，電弧經電流過零點改變極性時會因失去導電性而熄滅，存在電弧穩定性問題。短網電感（標幺值通常大于以變壓器容量為基準短路電抗的1/3）需釋放存儲能量輔助連續燃燒。
有學者比較了三種附加功率變換通過調節負載側電流對電弧穩定性產生的不同影響。有學者提出一種綜合考慮電弧電壓、電流的電弧穩定性判據。新型方案功率單元逆變級控制可引入電流反饋調節輸出電流形成電流控制模式（Current Control Mode, CCM），與電極控制對電弧電壓的調節相配合，可顯著提升負載側控制效果。
交流EAF單次運行均存在由弧長極端變化引起的電弧開路、短路現象，傳統方案難以快速檢測并主動響應此二類事件，嚴重時損壞冶煉設備，造成系統側跳閘、頻率波動及無功補償裝置運行點頻繁改變，而新型方案可按設定方式使負載側恢復至額定運行點。此外，新型方案可主動控制EAF運行中的起弧過程，在一相裝置因檢修退出運行時也可繼續生產，提升了EAF運行方式的多樣性。
組合式逆變結構適用于大容量負載供電場合，但三相電源裝置公共端可能引發高頻共模電流，使用電磁干擾濾波電路將會增加硬件投入且可靠性低。有學者提出了一種零共模脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）策略，從源頭抑制了雙三相半橋逆變器并聯的相間高頻環流。但是分析表明，組合式逆變結構也具備通過改進PWM抑制高頻共模電壓源的拓撲基礎，但需簡化調整。
圖1 柔性供配電方案整體結構
清華大學等單位的科研人員首先回顧大容量交流EAF柔性供配電方案并指出現有控制策略的局限性；其次分析功率單元逆變級采用電流控制模式的必要性；再次設計了多種工況的控制策略；然后提出適用于組合式逆變結構、基于載波比較的零共模電壓PWM以抑制共模電流風險；最后根據實際參數仿真驗證本控制策略的優勢。
圖2 新型方案多工況控制策略
針對前期研究中的交流EAF柔性供配電方案，科研人員充分考慮負載特殊性，針對功率單元逆變級提出了一系列控制策略，主要結論包括：
1）論證了采用CCM比VCM在提升控制系統的整體帶寬與電弧穩定性上的顯著優勢。
2）設計了與交流EAF固有電極控制機制協調的多工況控制策略，可提升負載側運行的靈活性并減小被動事件工況對系統側的沖擊。
3）提出了適用于組合式逆變結構的、基于載波比較實現的零共模PWM，并明確了其對于本研究場景的重要意義。
4）通過電磁暫態仿真驗證了多種控制策略的有效性，有利于充分發揮新型方案功率單元電力電子主導的軟硬件優勢，為其實用化奠定相關理論基礎。
他們指出，交流EAF柔性供配電的應用有望加速鋼鐵行業的電能替代進程，在未來研究中，計劃制定新型方案全冶煉周期供電曲線并優化電弧電流波形，進一步體現其在提高冶煉效率與減小電極損耗等方面的實用性，期待大容量電力電子技術助力鋼鐵行業的“碳達峰，碳中和”進程。
本文編自2021年第16期《電工技術學報》，論文標題為“大容量交流電弧爐柔性供配電方案控制策略”，作者為趙崇濱、姜齊榮 等。
