钢铁制造业属于典型的高载能行业，占我国全社会用电量比重较高（2021年第一季度黑色金属冶炼行业用电量占全社会用电量接近8%）。以电弧炉（Electric Arc Furnace, EAF）为核心装备、三相交流电为主要能量来源的大容量电炉流程在我国发展前景广阔。

优质、高效的供配电技术是交流EAF向绿色化、智能化发展的关键技术之一，相关研究介绍了传统供配电方案（以下简称“传统方案”）的工作原理，多种附加装置或优化技术已用于提升该方案电弧稳定性和治理非线性负荷引发的电能质量问题，但在超高功率化背景下还面临关键设备制造困难、无功损耗突出与控制精度易受干扰等多重挑战。

前期研究介绍了一种交流EAF新型柔性供配电方案（以下简称“新型方案”），其特点为：主电路采用含模块化电力电子功率单元的柔性供配电电源装置取代传统方案的电弧炉变压器调节负载用电电压等级，节省了可调电抗器和系统侧电能质量治理装置成本；控制系统引入电力电子控制与原有电极机械控制相结合。

有研究考虑到交流EAT的无源网络属性，采用电压控制模式（Voltage Control Mode, VCM）直接设定功率单元逆变级参考电压，仿真结果表明：系统侧电能质量控制满足标准，但负载剧烈波动阶段的功率控制效果仍存在提升空间。考虑到功率单元较高的硬件成本与电力电子控制的灵活性，在不附加硬件投入的前提下改进各环节控制策略是提升新型方案实用性的必然选择。

传统方案的工作原理仅依靠电极机械动作调节电弧电压并维持其热功率恒定，石墨电极损耗大，控制自动化程度偏低，且难以跟踪弧长剧烈波动时期误差的宽频变化；此外，电弧经电流过零点改变极性时会因失去导电性而熄灭，存在电弧稳定性问题。短网电感（标幺值通常大于以变压器容量为基准短路电抗的1/3）需释放存储能量辅助连续燃烧。

有学者比较了三种附加功率变换通过调节负载侧电流对电弧稳定性产生的不同影响。有学者提出一种综合考虑电弧电压、电流的电弧稳定性判据。新型方案功率单元逆变级控制可引入电流反馈调节输出电流形成电流控制模式（Current Control Mode, CCM），与电极控制对电弧电压的调节相配合，可显著提升负载侧控制效果。

交流EAF单次运行均存在由弧长极端变化引起的电弧开路、短路现象，传统方案难以快速检测并主动响应此二类事件，严重时损坏冶炼设备，造成系统侧跳闸、频率波动及无功补偿装置运行点频繁改变，而新型方案可按设定方式使负载侧恢复至额定运行点。此外，新型方案可主动控制EAF运行中的起弧过程，在一相装置因检修退出运行时也可继续生产，提升了EAF运行方式的多样性。

组合式逆变结构适用于大容量负载供电场合，但三相电源装置公共端可能引发高频共模电流，使用电磁干扰滤波电路将会增加硬件投入且可靠性低。有学者提出了一种零共模脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）策略，从源头抑制了双三相半桥逆变器并联的相间高频环流。但是分析表明，组合式逆变结构也具备通过改进PWM抑制高频共模电压源的拓扑基础，但需简化调整。

图1 柔性供配电方案整体结构

清华大学等单位的科研人员首先回顾大容量交流EAF柔性供配电方案并指出现有控制策略的局限性；其次分析功率单元逆变级采用电流控制模式的必要性；再次设计了多种工况的控制策略；然后提出适用于组合式逆变结构、基于载波比较的零共模电压PWM以抑制共模电流风险；最后根据实际参数仿真验证本控制策略的优势。

图2 新型方案多工况控制策略

针对前期研究中的交流EAF柔性供配电方案，科研人员充分考虑负载特殊性，针对功率单元逆变级提出了一系列控制策略，主要结论包括：

1）论证了采用CCM比VCM在提升控制系统的整体带宽与电弧稳定性上的显著优势。

2）设计了与交流EAF固有电极控制机制协调的多工况控制策略，可提升负载侧运行的灵活性并减小被动事件工况对系统侧的冲击。

3）提出了适用于组合式逆变结构的、基于载波比较实现的零共模PWM，并明确了其对于本研究场景的重要意义。

4）通过电磁暂态仿真验证了多种控制策略的有效性，有利于充分发挥新型方案功率单元电力电子主导的软硬件优势，为其实用化奠定相关理论基础。

他们指出，交流EAF柔性供配电的应用有望加速钢铁行业的电能替代进程，在未来研究中，计划制定新型方案全冶炼周期供电曲线并优化电弧电流波形，进一步体现其在提高冶炼效率与减小电极损耗等方面的实用性，期待大容量电力电子技术助力钢铁行业的“碳达峰，碳中和”进程。

本文编自2021年第16期《电工技术学报》，论文标题为“大容量交流电弧炉柔性供配电方案控制策略”，作者为赵崇滨、姜齐荣 等。