儲能技術(shù)與動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)在低碳冶金中的應(yīng)用

楊廣磊，史 英，張劍鋒

（1.濟(jì)南德潤實(shí)業(yè)有限公司，山東濟(jì)南 250001；2.中電普瑞科技有限公司，北京 100025；3.山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東濟(jì)南 271104）

引言

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國鋼鐵工業(yè)2021年碳排放總量占全國碳排放總量的15%左右，其中電力是鋼鐵行業(yè)除化石能源之外的第二大碳排放源，不斷提升綠電的使用比例可大幅降低鋼鐵企業(yè)由于電力使用帶來的隱含碳排放［1］。在有效提升廢鋼資源回收利用水平的同時(shí)，通過構(gòu)建綠色低碳的新型冶金電力系統(tǒng)，提高太陽能、風(fēng)能等清潔能源利用率，可促進(jìn)鋼鐵工業(yè)清潔低碳發(fā)展。

1 冶金綠色微電網(wǎng)

1.1 冶金綠色微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與挑戰(zhàn)

“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同互動(dòng)的冶金綠色微電網(wǎng)以太陽能、風(fēng)能等新能源為主，融合電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和電能質(zhì)量優(yōu)化系統(tǒng)，通過優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)冶金電力系統(tǒng)能源供給零碳化，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 綠色微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

高比例新能源的利用給電網(wǎng)帶來清潔能源的同時(shí)也帶來了以下的挑戰(zhàn)。

（1）新能源發(fā)電波動(dòng)疊加冶金系統(tǒng)沖擊性負(fù)荷，導(dǎo)致電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)雙側(cè)波動(dòng)問題；

（2）由于新能源發(fā)電與負(fù)荷用電空間、時(shí)間尺度不一致，使電網(wǎng)的負(fù)荷均衡與綜合調(diào)度復(fù)雜化；

（3）新能源疊加電力電子設(shè)備和沖擊性負(fù)荷造成電壓波動(dòng)、諧波干擾、電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定等電能質(zhì)量問題。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)無法有效應(yīng)對以上問題，因此以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。新型冶金電力系統(tǒng)采用“源網(wǎng)荷儲”協(xié)調(diào)運(yùn)行模式，可以實(shí)現(xiàn)新能源高效利用、電能質(zhì)量優(yōu)化和各類負(fù)荷的友好接入。

1.2 負(fù)荷分析與儲能方案

1.2.1 負(fù)荷規(guī)律分析

某變電站主體用電負(fù)荷為2 臺25 MW 的LF 精煉爐和1臺60 MW 的電弧爐，2022年1～12月現(xiàn)場負(fù)荷數(shù)據(jù)見表1。

表1 2022年負(fù)荷數(shù)據(jù)表

（1）項(xiàng)目當(dāng)?shù)厝萘坑?jì)收的基本電價(jià)為每月28 元/kVA，最大需量基本電價(jià)是每月38 元/kVA。當(dāng)月度內(nèi)的15 min 平均負(fù)荷最大值小于變壓器容量的74%時(shí)，采用最大需量計(jì)收最經(jīng)濟(jì)。

（2）由表1可知，負(fù)荷15 min 的平均最大需量分布在76～81 MW 范圍內(nèi)，均低于81.4 MW（110 MW×74%=81.4 MW）的門檻。功率大于71 MW 的次數(shù)為464 次，在500 次以內(nèi)，而大于68 MW 的次數(shù)會(huì)超過1 100 次。負(fù)荷波動(dòng)性較大，波動(dòng)尖峰曲線較窄且后繼有一定空閑間隔，連續(xù)1 h 內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)累計(jì)超30 min的76～81 MW高峰負(fù)荷。

1.2.2 儲能技術(shù)方案

儲能系統(tǒng)能夠顯著提高新能源的消納水平，支撐分布式電網(wǎng)及微網(wǎng)，是新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。針對圖1 所示的某冶金項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一套磷酸鐵鋰電池型儲能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、新能源消納、容量備用等功能。

（1）儲能容量與動(dòng)作門檻值確定

根據(jù)負(fù)荷規(guī)律，儲能充放電功率取5 MW，由于高峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間≤40 min，綜合考慮成本和容量裕度，充放電倍率選擇0.5，即儲能容量為5 MW/10 MWh。儲能動(dòng)作門檻值定為71 MW，門檻值過低會(huì)導(dǎo)致儲能裝置頻繁動(dòng)作，影響其使用壽命。鋰電池一般有較高的壽命次數(shù)，循環(huán)壽命≥5 000 次且容量保持率≥80%，淺充淺放對其實(shí)質(zhì)壽命影響有限，放電深度低時(shí)有利于延長電池壽命［2］。

（2）方案設(shè)計(jì)

儲能電站采用分布式能量塊方陣，具備電能存儲、功率變換、熱管理、配電及精準(zhǔn)消防能力，其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

儲能系統(tǒng)由2 組分別為14 臺和13 臺186 kW/372 kWh 的能量塊方陣組成，其功率為：186 kW×（14+13）=5.022 MW，其容量為：372 kWh×（14+13）=10.044 MWh，一次系統(tǒng)接線圖見圖3。

圖3 儲能系統(tǒng)一次接線示意圖

能量塊控制系統(tǒng)BCS 融合儲能變流器（PCS）和電池管理系統(tǒng)（BMS）功能，通信實(shí)時(shí)性好，可以統(tǒng)一設(shè)置合理的交直流保護(hù)定值，消除二者交界處的保護(hù)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)快速全面的系統(tǒng)保護(hù)。內(nèi)嵌削峰填谷、需量管理、光儲控制、儲充控制、高速調(diào)度等多種運(yùn)行控制模式。

基于DSP/ARM+FPGA 的EMS 能量管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)千臺能量塊百毫秒級響應(yīng)。采用百k 控制帶寬、閉環(huán)諧振抑制算法和電網(wǎng)阻抗自動(dòng)重構(gòu)單元控制算法，在短路容量比SCR≥1.2 弱電網(wǎng)條件下可穩(wěn)定運(yùn)行。EMS 通過實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)獲得負(fù)載曲線，實(shí)時(shí)控制儲能系統(tǒng)輸出，實(shí)現(xiàn)了削峰填谷、需求側(cè)響應(yīng)、新能源消納等功能，運(yùn)行曲線見圖4。

圖4 加載儲能系統(tǒng)后負(fù)荷曲線圖

圖4中，曲線a為儲能裝置投運(yùn)后的系統(tǒng)功率曲線；曲線b為儲能裝置的充放電曲線，放電時(shí)其功率為負(fù)值。

儲能技術(shù)作為新型冶金電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，增加了系統(tǒng)柔性，通過耦合煉鋼生產(chǎn)工藝和儲能系統(tǒng)的控制策略，解決了部分新能源波動(dòng)、沖擊性負(fù)荷干擾與經(jīng)濟(jì)性之間的多重矛盾，為今后儲能技術(shù)在鋼鐵工業(yè)的進(jìn)一步利用提供參考。

2 鋼鐵冶金系統(tǒng)電能質(zhì)量優(yōu)化方案

2.1 鋼鐵冶金系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題

利用LF 精煉爐的電弧熱源和鋼液余溫熔化廢鋼，可顯著提高廢鋼冶煉比例并促進(jìn)節(jié)能減排，但同時(shí)也存在加廢鋼前后溫差大、倒渣及埋弧次數(shù)增多等問題。部分電流特征與電弧爐較類似，二者都會(huì)造成諧波、負(fù)序、功率因數(shù)低、電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的可靠性和其它設(shè)備的安全。針對上述問題，利用靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVC（Static Var Compensator，以下簡稱SVC）可以進(jìn)行綜合治理。儲能系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)能力，額定無功容量為5 MVar，在其它運(yùn)行模式滿功率運(yùn)行的情況下，仍可輸出約2.25 MVar 的無功，作為其附加功能，可以與SVC 協(xié)調(diào)控制。鑒于電弧爐與LF 精煉爐生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的無功沖擊遠(yuǎn)大于2.25 MVar，根據(jù)負(fù)荷特征最終確定SVC 容量為130 MVar，其全數(shù)字控制系統(tǒng)以32 位浮點(diǎn)運(yùn)算器DSP-TMS320F28335 為處理核心，根據(jù)負(fù)荷的變化情況，采用相應(yīng)的控制策略，通過控制晶閘管導(dǎo)通角的大小實(shí)現(xiàn)晶閘管相控電抗器TCR（Thyristor Controlled Reactor，以下簡稱TCR）基波電流的連續(xù)控制，使其產(chǎn)生連續(xù)變化的感性無功，達(dá)到最優(yōu)控制效果。

2.2 SVC系統(tǒng)組成

SVC 主要由濾波器組FC（以下簡稱FC）和TCR構(gòu)成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 SVC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

FC 部分主要用于提供容性無功功率和濾除諧波電流。全數(shù)字控制由多個(gè)功能單元組成，通過分層式的構(gòu)成方式實(shí)現(xiàn)對多個(gè)監(jiān)控量的采集與控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 SVC全數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

SVC 全數(shù)字控制系統(tǒng)包括信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集與A/D 轉(zhuǎn)換、電壓同步和DSP 運(yùn)算等功能模塊。各功能模塊通過Ether CAT 實(shí)時(shí)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，提高了系統(tǒng)可靠性和靈活性。

2.3 SVC控制原理分析

2.3.1 信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集

電壓與電流調(diào)理單元通過二次變送、采樣、濾波等措施，快速實(shí)現(xiàn)電壓與電流的精確檢測。利用A/D 轉(zhuǎn)換芯片對信號調(diào)理部分輸出的電壓、電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并經(jīng)光電隔離后傳送入DSP，完成導(dǎo)納計(jì)算并生成觸發(fā)脈沖，光電隔離提高了控制系統(tǒng)的抗干擾性能。

2.3.2 同步信號

快速準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)基波電壓的相位角是SVC控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制性能的必要條件之一。電壓同步單元采用DSP+FPGA 架構(gòu)，利用過零檢測電路將電壓正弦波信號轉(zhuǎn)換為方波信號，方波信號的前沿分別對應(yīng)于電壓信號相位為0°、100°、165°處，作為控制邏輯計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)。該方波信號的獲取采用了數(shù)字化處理技術(shù)，克服了傳統(tǒng)模擬鎖相環(huán)直流零點(diǎn)漂移、器件飽和及易受電源和環(huán)境溫度變化影響等缺點(diǎn)［3］。相位0°電壓同步方波是觸發(fā)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)，為晶閘管的觸發(fā)角提供精準(zhǔn)的過零信號。觸發(fā)延遲角α的有效移相范圍為90°～180°，設(shè)立100°、165°為觸發(fā)保護(hù)窗口的前后沿，可保證觸發(fā)脈沖只能在正向觸發(fā)角為100°～165°和負(fù)向觸發(fā)角為280°～345°范圍內(nèi)觸發(fā)。

2.3.3 調(diào)節(jié)運(yùn)算與觸發(fā)控制

數(shù)據(jù)完成采樣后，DSP 最高以150 MHz 的主頻進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算得到TCR 等效電納，最終得到晶閘管觸發(fā)角，并以數(shù)字形式分別發(fā)送至三片可編程邏輯陣列（CPLD）中，然后以約0.05°的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并發(fā)出三相觸發(fā)脈沖至VBE 閥基電子部分（VBE-Valve Base Electronics），VBE 將觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換為符合時(shí)序要求的光信號脈沖，經(jīng)光纖傳送至閥組高電位板（TE 板）解碼后完成晶閘管的觸發(fā)。同時(shí)，VBE 對閥組TE 板回報(bào)信號進(jìn)行解碼，實(shí)時(shí)監(jiān)測閥組的工作狀態(tài)并將其上報(bào)控制系統(tǒng)。

閥組的工作狀態(tài)包括導(dǎo)通狀態(tài)、閥故障、閥組保護(hù)性觸發(fā)BOD（Break Over Diode）等信號。當(dāng)晶閘管擊穿數(shù)目大于設(shè)定值時(shí)，通過IO口向CPU發(fā)送緊急故障信號并跳閘，對閥單元進(jìn)行及時(shí)可靠的保護(hù)。

2.4 控制策略

針對鋼鐵工業(yè)突出的電能質(zhì)量問題，以瞬時(shí)無功功率理論為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)無功功率，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。對于基波而言，晶閘管控制的電抗器可看作一個(gè)可控的電納，其等效電納B與觸發(fā)角α的關(guān)系如式（1）。

式中：B——相控電抗器電納，S；

ωL——相控電抗器的基波電抗，Ω；

α——觸發(fā)控制角，（°）。

2.4.1 無功調(diào)節(jié)控制模式

為提高系統(tǒng)柔性，設(shè)計(jì)的SVC 系統(tǒng)采用多種控制模式見圖7。無功調(diào)節(jié)模式一般應(yīng)用于三相基本平衡的負(fù)載。該模式下，F(xiàn)C濾波支路提供固定的容性無功功率QC，相控電抗器提供連續(xù)可調(diào)的感性無功值QTCR，感性無功與容性無功相抵消，維持系統(tǒng)的無功平衡，如式（2）。

式中：QN——系統(tǒng)無功功率（為常數(shù)或0），kVar；

QL——負(fù)載無功功率，kVar；

QC——濾波支路總無功功率，kVar；

QTCR——相控電抗器無功功率，kVar。

根據(jù)有關(guān)三相電路瞬時(shí)無功功率理論［4］，推算三相瞬時(shí)無功總功率Qm如式（3）。

式中：Qm——三相瞬時(shí)無功總功率，kVar；

uab、ubc、uca——系統(tǒng)線電壓的瞬時(shí)值，V；

ia、ib、ic——電力系統(tǒng)各相電流瞬時(shí)值，A；

T——采樣周期，ms。

DSP 通過對母線總的電壓和電流的采樣分析，實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)瞬時(shí)無功功率，并與參考值進(jìn)行比較得到控制偏差，由式（4）得出TCR的等效電納。

式中：B——TCR等效電納，S；

Q——系統(tǒng)三相瞬時(shí)無功總功率（Q符號規(guī)定：容性無功為負(fù)，感性無功為正），kVar；

U——三相電壓（線電壓）有效值的平均值，kV。

控制系統(tǒng)根據(jù)式（1）、式（3）、式（4），經(jīng)過計(jì)算和查詢觸發(fā)角與電納對應(yīng)表，得出晶閘管的觸發(fā)角偏差并最終得到其觸發(fā)角。

2.4.2 負(fù)荷無功跟蹤模式

負(fù)荷無功跟蹤模式采用STEINMETZ（施泰因梅茨）電納平衡補(bǔ)償理論和基于瞬時(shí)無功功率理論的補(bǔ)償導(dǎo)納算法，通過補(bǔ)償基波無功電流和基波負(fù)序電流實(shí)現(xiàn)平衡化補(bǔ)償。控制策略以各相無功電流的有效值表示的補(bǔ)償導(dǎo)納計(jì)算方法為基礎(chǔ)［5］，控制系統(tǒng)采用閉環(huán)和開環(huán)相結(jié)合的方式，通過對母線電壓、SVC各支路電流和負(fù)荷電流的計(jì)算，并對母線電壓和電流采用加權(quán)控制的方法實(shí)現(xiàn)了對劇烈沖擊性負(fù)荷的快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和分相調(diào)節(jié)。在提高功率因數(shù)的同時(shí)，抑制負(fù)序電流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三相平衡化。

2.5 SVC應(yīng)用效果分析

35 kV 母線各次諧波電壓含有率、諧波電流等電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 35 kV母線諧波電壓與諧波電流

表3 35 kV母線其它電能質(zhì)量指標(biāo)

測試結(jié)果表明：SVC在提高功率因數(shù)、抑制電壓波動(dòng)和閃變、改善三相不平衡等方面有較好的效果。

3 結(jié)論與展望

針對鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展中有關(guān)大規(guī)模清潔能源利用與廢鋼回收利用，構(gòu)建了冶金綠色微電網(wǎng)的初步模型，通過鋼鐵工業(yè)場景儲能系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，可促進(jìn)儲能技術(shù)在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用。針對鋼鐵冶金電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，通過多種控制策略保證了SVC 的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)節(jié)精度，為新型冶金電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。未來，新型冶金電力系統(tǒng)將通過多機(jī)協(xié)調(diào)控制策略對發(fā)電、輸電、負(fù)荷、儲能等環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)同控制，在實(shí)現(xiàn)太陽能、風(fēng)能等清潔能源大規(guī)模應(yīng)用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的功率平衡，滿足用戶用電質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的低碳綠色發(fā)展。