儲能技術與動態無功補償技術在低碳冶金中的應用

楊廣磊，史 英，張劍鋒

（1.濟南德潤實業有限公司，山東濟南 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，山東濟南 271104）

引言

相關數據顯示，中國鋼鐵工業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，通過構建綠色低碳的新型冶金電力系統，提高太陽能、風能等清潔能源利用率，可促進鋼鐵工業清潔低碳發展。

1 冶金綠色微電網

1.1 冶金綠色微電網的結構與挑戰

“源網荷儲”協同互動的冶金綠色微電網以太陽能、風能等新能源為主，融合電源調節系統、儲能系統和電能質量優化系統，通過優化控制，實現冶金電力系統能源供給零碳化，其拓撲結構見圖1。

圖1 綠色微電網拓撲結構示意圖

高比例新能源的利用給電網帶來清潔能源的同時也帶來了以下的挑戰。

（1）新能源發電波動疊加冶金系統沖擊性負荷，導致電源側與負荷側雙側波動問題；

（2）由于新能源發電與負荷用電空間、時間尺度不一致，使電網的負荷均衡與綜合調度復雜化；

（3）新能源疊加電力電子設備和沖擊性負荷造成電壓波動、諧波干擾、電網頻率不穩定等電能質量問題。

傳統電力系統無法有效應對以上問題，因此以新能源為主體的新型電力系統應運而生。新型冶金電力系統采用“源網荷儲”協調運行模式，可以實現新能源高效利用、電能質量優化和各類負荷的友好接入。

1.2 負荷分析與儲能方案

1.2.1 負荷規律分析

某變電站主體用電負荷為2 臺25 MW 的LF 精煉爐和1臺60 MW 的電弧爐，2022年1～12月現場負荷數據見表1。

表1 2022年負荷數據表

（1）項目當地容量計收的基本電價為每月28 元/kVA，最大需量基本電價是每月38 元/kVA。當月度內的15 min 平均負荷最大值小于變壓器容量的74%時，采用最大需量計收最經濟。

（2）由表1可知，負荷15 min 的平均最大需量分布在76～81 MW 范圍內，均低于81.4 MW（110 MW×74%=81.4 MW）的門檻。功率大于71 MW 的次數為464 次，在500 次以內，而大于68 MW 的次數會超過1 100 次。負荷波動性較大，波動尖峰曲線較窄且后繼有一定空閑間隔，連續1 h 內不會出現累計超30 min的76～81 MW高峰負荷。

1.2.2 儲能技術方案

儲能系統能夠顯著提高新能源的消納水平，支撐分布式電網及微網，是新型電力系統的關鍵技術。針對圖1 所示的某冶金項目，設計了一套磷酸鐵鋰電池型儲能系統，實現削峰填谷、新能源消納、容量備用等功能。

（1）儲能容量與動作門檻值確定

根據負荷規律，儲能充放電功率取5 MW，由于高峰負荷持續時間≤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。儲能動作門檻值定為71 MW，門檻值過低會導致儲能裝置頻繁動作，影響其使用壽命。鋰電池一般有較高的壽命次數，循環壽命≥5 000 次且容量保持率≥80%，淺充淺放對其實質壽命影響有限，放電深度低時有利于延長電池壽命［2］。

（2）方案設計

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、配電及精準消防能力，其系統拓撲結構見圖2。

圖2 儲能系統拓撲結構示意圖

儲能系統由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，一次系統接線圖見圖3。

圖3 儲能系統一次接線示意圖

能量塊控制系統BCS 融合儲能變流器（PCS）和電池管理系統（BMS）功能，通信實時性好，可以統一設置合理的交直流保護定值，消除二者交界處的保護盲區，實現快速全面的系統保護。內嵌削峰填谷、需量管理、光儲控制、儲充控制、高速調度等多種運行控制模式。

基于DSP/ARM+FPGA 的EMS 能量管理系統可實現千臺能量塊百毫秒級響應。采用百k 控制帶寬、閉環諧振抑制算法和電網阻抗自動重構單元控制算法，在短路容量比SCR≥1.2 弱電網條件下可穩定運行。EMS 通過實時監測系統運行參數獲得負載曲線，實時控制儲能系統輸出，實現了削峰填谷、需求側響應、新能源消納等功能，運行曲線見圖4。

圖4 加載儲能系統后負荷曲線圖

圖4中，曲線a為儲能裝置投運后的系統功率曲線；曲線b為儲能裝置的充放電曲線，放電時其功率為負值。

儲能技術作為新型冶金電力系統的關鍵支撐技術，增加了系統柔性，通過耦合煉鋼生產工藝和儲能系統的控制策略，解決了部分新能源波動、沖擊性負荷干擾與經濟性之間的多重矛盾，為今后儲能技術在鋼鐵工業的進一步利用提供參考。

2 鋼鐵冶金系統電能質量優化方案

2.1 鋼鐵冶金系統的電能質量問題

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節能減排，但同時也存在加廢鋼前后溫差大、倒渣及埋弧次數增多等問題。部分電流特征與電弧爐較類似，二者都會造成諧波、負序、功率因數低、電壓波動和閃變等電能質量問題，嚴重影響供電系統的可靠性和其它設備的安全。針對上述問題，利用靜止型動態無功補償裝置SVC（Static Var Compensator，以下簡稱SVC）可以進行綜合治理。儲能系統具有動態無功調節能力，額定無功容量為5 MVar，在其它運行模式滿功率運行的情況下，仍可輸出約2.25 MVar 的無功，作為其附加功能，可以與SVC 協調控制。鑒于電弧爐與LF 精煉爐生產時產生的無功沖擊遠大于2.25 MVar，根據負荷特征最終確定SVC 容量為130 MVar，其全數字控制系統以32 位浮點運算器DSP-TMS320F28335 為處理核心，根據負荷的變化情況，采用相應的控制策略，通過控制晶閘管導通角的大小實現晶閘管相控電抗器TCR（Thyristor Controlled Reactor，以下簡稱TCR）基波電流的連續控制，使其產生連續變化的感性無功，達到最優控制效果。

2.2 SVC系統組成

SVC 主要由濾波器組FC（以下簡稱FC）和TCR構成，其拓撲結構見圖5。

圖5 SVC系統拓撲結構圖

FC 部分主要用于提供容性無功功率和濾除諧波電流。全數字控制由多個功能單元組成，通過分層式的構成方式實現對多個監控量的采集與控制，其系統結構見圖6。

圖6 SVC全數字控制系統結構圖

SVC 全數字控制系統包括信號調理、數據采集與A/D 轉換、電壓同步和DSP 運算等功能模塊。各功能模塊通過Ether CAT 實時控制技術實現快速響應，提高了系統可靠性和靈活性。

2.3 SVC控制原理分析

2.3.1 信號調理與數據采集

電壓與電流調理單元通過二次變送、采樣、濾波等措施，快速實現電壓與電流的精確檢測。利用A/D 轉換芯片對信號調理部分輸出的電壓、電流信號進行模數轉換并經光電隔離后傳送入DSP，完成導納計算并生成觸發脈沖，光電隔離提高了控制系統的抗干擾性能。

2.3.2 同步信號

快速準確獲取電網基波電壓的相位角是SVC控制系統動態和穩態控制性能的必要條件之一。電壓同步單元采用DSP+FPGA 架構，利用過零檢測電路將電壓正弦波信號轉換為方波信號，方波信號的前沿分別對應于電壓信號相位為0°、100°、165°處，作為控制邏輯計時的基準。該方波信號的獲取采用了數字化處理技術，克服了傳統模擬鎖相環直流零點漂移、器件飽和及易受電源和環境溫度變化影響等缺點［3］。相位0°電壓同步方波是觸發計時的基準，為晶閘管的觸發角提供精準的過零信號。觸發延遲角α的有效移相范圍為90°～180°，設立100°、165°為觸發保護窗口的前后沿，可保證觸發脈沖只能在正向觸發角為100°～165°和負向觸發角為280°～345°范圍內觸發。

2.3.3 調節運算與觸發控制

數據完成采樣后，DSP 最高以150 MHz 的主頻進行浮點運算得到TCR 等效電納，最終得到晶閘管觸發角，并以數字形式分別發送至三片可編程邏輯陣列（CPLD）中，然后以約0.05°的計數脈沖進行計數并發出三相觸發脈沖至VBE 閥基電子部分（VBE-Valve Base Electronics），VBE 將觸發脈沖轉換為符合時序要求的光信號脈沖，經光纖傳送至閥組高電位板（TE 板）解碼后完成晶閘管的觸發。同時，VBE 對閥組TE 板回報信號進行解碼，實時監測閥組的工作狀態并將其上報控制系統。

閥組的工作狀態包括導通狀態、閥故障、閥組保護性觸發BOD（Break Over Diode）等信號。當晶閘管擊穿數目大于設定值時，通過IO口向CPU發送緊急故障信號并跳閘，對閥單元進行及時可靠的保護。

2.4 控制策略

針對鋼鐵工業突出的電能質量問題，以瞬時無功功率理論為基礎，實時檢測系統無功功率，實現快速精準的動態調節。對于基波而言，晶閘管控制的電抗器可看作一個可控的電納，其等效電納B與觸發角α的關系如式（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——觸發控制角，（°）。

2.4.1 無功調節控制模式

為提高系統柔性，設計的SVC 系統采用多種控制模式見圖7。無功調節模式一般應用于三相基本平衡的負載。該模式下，FC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可調的感性無功值QTCR，感性無功與容性無功相抵消，維持系統的無功平衡，如式（2）。

式中：QN——系統無功功率（為常數或0），kVar；

QL——負載無功功率，kVar；

QC——濾波支路總無功功率，kVar；

QTCR——相控電抗器無功功率，kVar。

根據有關三相電路瞬時無功功率理論［4］，推算三相瞬時無功總功率Qm如式（3）。

式中：Qm——三相瞬時無功總功率，kVar；

uab、ubc、uca——系統線電壓的瞬時值，V；

ia、ib、ic——電力系統各相電流瞬時值，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，實時計算系統瞬時無功功率，并與參考值進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——系統三相瞬時無功總功率（Q符號規定：容性無功為負，感性無功為正），kVar；

U——三相電壓（線電壓）有效值的平均值，kV。

控制系統根據式（1）、式（3）、式（4），經過計算和查詢觸發角與電納對應表，得出晶閘管的觸發角偏差并最終得到其觸發角。

2.4.2 負荷無功跟蹤模式

負荷無功跟蹤模式采用STEINMETZ（施泰因梅茨）電納平衡補償理論和基于瞬時無功功率理論的補償導納算法，通過補償基波無功電流和基波負序電流實現平衡化補償?？刂撇呗砸愿飨酂o功電流的有效值表示的補償導納計算方法為基礎［5］，控制系統采用閉環和開環相結合的方式，通過對母線電壓、SVC各支路電流和負荷電流的計算，并對母線電壓和電流采用加權控制的方法實現了對劇烈沖擊性負荷的快速動態無功補償和分相調節。在提高功率因數的同時，抑制負序電流，實現系統三相平衡化。

2.5 SVC應用效果分析

35 kV 母線各次諧波電壓含有率、諧波電流等電能質量測試數據見表2、表3。

表2 35 kV母線諧波電壓與諧波電流

表3 35 kV母線其它電能質量指標

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

3 結論與展望

針對鋼鐵工業低碳發展中有關大規模清潔能源利用與廢鋼回收利用，構建了冶金綠色微電網的初步模型，通過鋼鐵工業場景儲能系統的初步設計，可促進儲能技術在鋼鐵工業的應用。針對鋼鐵冶金電力系統電能質量問題，通過多種控制策略保證了SVC 的動態性能和調節精度，為新型冶金電力系統的安全穩定運行提供了保障。未來，新型冶金電力系統將通過多機協調控制策略對發電、輸電、負荷、儲能等環節進行協同控制，在實現太陽能、風能等清潔能源大規模應用的同時實現實時的功率平衡，滿足用戶用電質量要求，實現鋼鐵工業的低碳綠色發展。