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鋼鐵制造業(yè)屬于典型的高載能行業(yè)，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(yè)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(fā)展前景廣闊。

優(yōu)質(zhì)、高效的供配電技術(shù)是交流EAF向綠色化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，相關(guān)研究介紹了傳統(tǒng)供配電方案（以下簡稱“傳統(tǒng)方案”）的工作原理，多種附加裝置或優(yōu)化技術(shù)已用于提升該方案電弧穩(wěn)定性和治理非線性負荷引發(fā)的電能質(zhì)量問題，但在超高功率化背景下還面臨關(guān)鍵設(shè)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(zhàn)。

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(tǒng)方案的電弧爐變壓器調(diào)節(jié)負載用電電壓等級，節(jié)省了可調(diào)電抗器和系統(tǒng)側(cè)電能質(zhì)量治理裝置成本；控制系統(tǒng)引入電力電子控制與原有電極機械控制相結(jié)合。

有研究考慮到交流EAT的無源網(wǎng)絡(luò)屬性，采用電壓控制模式（Voltage Control Mode, VCM）直接設(shè)定功率單元逆變級參考電壓，仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)側(cè)電能質(zhì)量控制滿足標(biāo)準(zhǔn)，但負載劇烈波動階段的功率控制效果仍存在提升空間?？紤]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(huán)節(jié)控制策略是提升新型方案實用性的必然選擇。

傳統(tǒng)方案的工作原理僅依靠電極機械動作調(diào)節(jié)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(jīng)電流過零點改變極性時會因失去導(dǎo)電性而熄滅，存在電弧穩(wěn)定性問題。短網(wǎng)電感（標(biāo)幺值通常大于以變壓器容量為基準(zhǔn)短路電抗的1/3）需釋放存儲能量輔助連續(xù)燃燒。

有學(xué)者比較了三種附加功率變換通過調(diào)節(jié)負載側(cè)電流對電弧穩(wěn)定性產(chǎn)生的不同影響。有學(xué)者提出一種綜合考慮電弧電壓、電流的電弧穩(wěn)定性判據(jù)。新型方案功率單元逆變級控制可引入電流反饋調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)相配合，可顯著提升負載側(cè)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(xiàn)象，傳統(tǒng)方案難以快速檢測并主動響應(yīng)此二類事件，嚴(yán)重時損壞冶煉設(shè)備，造成系統(tǒng)側(cè)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(shè)定方式使負載側(cè)恢復(fù)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(xù)生產(chǎn)，提升了EAF運行方式的多樣性。

組合式逆變結(jié)構(gòu)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(fā)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(xué)者提出了一種零共模脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）策略，從源頭抑制了雙三相半橋逆變器并聯(lián)的相間高頻環(huán)流。但是分析表明，組合式逆變結(jié)構(gòu)也具備通過改進PWM抑制高頻共模電壓源的拓撲基礎(chǔ)，但需簡化調(diào)整。

圖1 柔性供配電方案整體結(jié)構(gòu)

清華大學(xué)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(xiàn)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(shè)計了多種工況的控制策略；然后提出適用于組合式逆變結(jié)構(gòu)、基于載波比較的零共模電壓PWM以抑制共模電流風(fēng)險；最后根據(jù)實際參數(shù)仿真驗證本控制策略的優(yōu)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(jié)論包括：

1）論證了采用CCM比VCM在提升控制系統(tǒng)的整體帶寬與電弧穩(wěn)定性上的顯著優(yōu)勢。

2）設(shè)計了與交流EAF固有電極控制機制協(xié)調(diào)的多工況控制策略，可提升負載側(cè)運行的靈活性并減小被動事件工況對系統(tǒng)側(cè)的沖擊。

3）提出了適用于組合式逆變結(jié)構(gòu)的、基于載波比較實現(xiàn)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(tài)仿真驗證了多種控制策略的有效性，有利于充分發(fā)揮新型方案功率單元電力電子主導(dǎo)的軟硬件優(yōu)勢，為其實用化奠定相關(guān)理論基礎(chǔ)。

他們指出，交流EAF柔性供配電的應(yīng)用有望加速鋼鐵行業(yè)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(yōu)化電弧電流波形，進一步體現(xiàn)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(shù)助力鋼鐵行業(yè)的“碳達峰，碳中和”進程。

本文編自2021年第16期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)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。