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CN1605143A - 用于稳定电压的控制系统和方法 - Google Patents

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CN1605143A
CN1605143A CNA028251601A CN02825160A CN1605143A CN 1605143 A CN1605143 A CN 1605143A CN A028251601 A CNA028251601 A CN A028251601A CN 02825160 A CN02825160 A CN 02825160A CN 1605143 A CN1605143 A CN 1605143A
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Abstract

在电弧炉中采用可变旁路和串联电抗的互补组合来提供改善的闪变控制。用于控制连接在一条交流电源线上的诸如电弧炉这样的交流负载的功率控制系统包括所述电源线路与负载之间的第一可变感性电抗；和与所述电源线并联连接的第二可变电抗。提供了一个控制系统，用于(i)监测负载电流和根据所监测的负载电流的变化来调节该第一可变感性电抗，以减小电压闪变，和(ii)检测从所述交流电源线路吸收的无功功率，并根据检测到的无功功率吸收的变化来调节该第二可变电抗，以减小电压闪变。

Description

用于稳定电压的控制系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及功率控制系统，特别涉及用于在电力系统中稳定电压的控制系统和方法。
背景技术
时变负载会在电力网络中引起有害的电压波动。这样的负载的例子是交流(AC)电弧炉，其普遍用于熔化和再熔化含铁材料，如钢，并用于冶炼非含铁材料。这样的炉子通常采用大功率电弧在耐火补里容器内产生热能，并包含用于控制供给所述电弧的电能的电源。大功率电弧是一种能量变换机构，其特性象一个非线性时变阻抗。因此，电弧炉所吸收的电压、电流和功率往往会波动，从而对熔化过程和电源网络都产生干扰。这些干扰会导致效率低下、设备磨损增加、和对电网的干扰，在极端情况下还会损坏电源网络或电弧炉。由于负载电流和功率因数在电弧炉的特定操作阶段中大而快的波动而在电源网络中发生的电压扰动常常称为“闪变”。电弧炉闪变是电弧炉操作员和电力分配员的共同问题。电力分配员将常常对由从他们的配电系统吸收电力的电弧炉引起的闪变设置严格的限制条件，以减少对该配电系统的干扰。
人们开发了各种技术用于这样的电弧炉的功率控制和闪变减少。在电弧炼钢炉中常用的一种技术是静态VAR补偿器(SVC)。一个SVC由一个旁路连接的谐波滤波器组和一个旁路连接的晶闸管控制的电抗器，其协调操作，以降低电压闪变或保持恒定的炉功率因数。该SVC通过旁路容性或感性无功功率的注入来工作，从而通过使炉子吸收的总的无功功率(MVAR)维持在接近零的平衡值(即，既不是感性，也不是容性)，来维持恒定电压。由于晶闸管整流的要求，SVC典型地具有半个周期的延时。早期SVC的一个例子见于美国专利No.3,936,727。
基于SVC的电弧炉控制器通过受控的恒定容性MVAR和可变的感性MVAR的和来动态提供无功功率。该控制器比较负载无功功率和设定点功率因数，并动态控制该MVAR的和到所述设定点。当电弧炉频繁地使炉电极短路和开路时，炉无功功率的幅度从零到炉变压器额定值的200％变化。SVC通常大小为炉额定值的125％-150％，并且典型地使闪变降低大约40％-50％。有的SVC使用电压设定点，并且调节一个旁路电抗来使过程电压与该设定点电压匹配。
较近开发的一种SVC技术的变化叫做STATCOM(静态同步补偿器)或SVC Light，其由并联连接的由DC电容电压源供电的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成。响应速度是IGBT开关频率和耦合电抗大小的函数。
另一种降低闪变的技术是智能预报线路控制器(SPLC)，由与电弧电极串联连接的晶闸管和谐波滤波器组构成。SPLC的作用相当于动态控制的串联电抗，其使用预报软件来稳定电弧炉的电流。SPLC通过降低电力系统中的电弧电流的波动来降低闪变。当电弧电流的波动变得平坦时，电压闪变就得以降低。SPLC的一个例子见于美国专利No.5,991,327，在1999年11月23日出版。
尽管现有技术例如SPLC和SVC已经用于在一定程度上减轻电压闪变，但最好有一种电力系统，其比现有技术能够提供更先进的闪变降低。
发明概述
根据本发明，以一种互补结构使用可变的旁路和串联连接的电抗，来提供诸如电弧炉的时变负载的改进的闪变和功率控制。根据另一方面，根据闪变大小改变一种串联连接的感性电抗来稳定电流或实功率。
根据本发明的一方面，提供了一种用于连接到AC电源线路上的AC时变负载的功率控制系统。该功率控制系统包括所述电源线路与负载之间的第一可变感性电抗，与所述电源线并联连接的第二可变电抗，和一个控制系统，用于(i)监测负载电流和根据所监测的负载电流的变化来调节第一可变感性电抗，以减小电压闪变，和(ii)检测从所述AC电源线路吸收的无功功率，并根据检测到的无功功率吸收的变化来调节第二可变电抗，以减小电压闪变。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于AC电弧炉的功率控制系统，该AC电弧炉具有一条AC电源线，用于向一个电极施加功率。该系统包括连接在所述电源线与电极之间的可变感性串联电抗，与所述电源线并联连接的可变感性并联电抗，与所述电源线并联连接的一个谐波容性滤波器组，和用于减轻所述电源线上的电压闪变。该控制系统包括：(i)电流稳定装置，用于调节所述感性串联电抗，以稳定一个电极电流，来控制所述电压闪变；(ii)无功功率稳定装置，用于调节所述感性并联电抗以稳定从AC电源线吸收的无功功率，来控制所述电压闪变；和(iii)控制装置，用于监测所述电源线上的电压闪变，并根据所监测到的电压闪变来调节所述电流稳定装置和无功功率稳定装置的操作参数。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，用于控制一个AC电源线中的电压闪变，该AC电源线上连接有时变负载，包括：(a)在所述电源线与负载之间提供一个可变感性串联电抗；(b)提供一个与所述电源线并联的可变并联电抗；(c)改变所述可变感性串联电抗的电抗值以减小电压闪变；和(d)改变所述可变并联电抗的电抗值以减小电压闪变。优选地，在步骤(c)中，改变所述可变感性串联电抗来减小主要发生在选定的第一频率范围内的电压闪变，而在步骤(d)中，改变所述可变并联电抗的电抗值以减小主要发生在选定的第二频率范围内的电压闪变。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于具有连接在其上的时变负载的AC电源线的功率控制系统，包括：所述电源线与负载之间的可变感性电抗；一个用于监测所述AC电源线上的电压闪变的闪变计；一个电流稳定器，用于当所监测到的电压闪变大于第一阈值时，改变所述可变感性电抗来稳定从电源线吸收的电流，以减小电源线上的电压闪变；和一个实功率稳定器，用于当所监测到的电压闪变小于第二阈值时，改变所述可变感性电抗来稳定从电源线吸收的实功率。
本发明的其它方面和特征对于本领域的技术人员来说，参考下面结合附图对本发明具体实施例的说明，将变得显而易见。
附图说明
下面将通过举例并结合附图描述本发明的实施例。
图1是具有根据本发明的一个实施例的电源的电弧炉简化示意图；
图2示出一个示例电弧炉熔化处理周期的功率消耗和炉电压变化的典型曲线；
图3是表示图1中的电弧炉的电源控制系统的简化框图和示意图；
图4是表示根据本发明的一个优选实施例的电源控制系统的电流稳定器的简化框图；
图5是表示根据本发明的一个优选实施例的电源控制系统的无功功率稳定器的简化框图；
图6是表示根据本发明的一个优选实施例的电源控制系统的实功率稳定器、抽头设置控制器、和电极位置控制器的简化框图；
图7是根据本发明的示范实施例的电流稳定器的滤波器的滤波增益与频率间的关系曲线；
图8是根据本发明的示范实施例的无功稳定器的滤波器的滤波增益与频率间的关系曲线。
具体实施方式
参考图1，示出具有根据本发明优选实施例的电源的三电极AC电弧炉5的一个例子。三相功率从本地电源母线10提供给电弧炉5。电源母线10被连接成从公用电源接收功率，或者可选地，从本地发电站接收功率。电弧炉5包括三个电极12，每个电极与三个功率相中的一相关联。电极12的电弧端位于炉腔24内，用于熔化工质，如碎金属，并且被安装为使它们的高度可以调节。电极12连接在带抽头的炉变压器14的炉侧(副边绕组)。感性串联电抗202串联连接在炉5与电源母线10之间。感性串联电抗202的三相中的每一相包括一个可变电抗16与固定电抗18的组合，将炉变压器14的电源侧(原边绕组)的各相连接到电源母线10的对应线。在图示实施例中，每个可变电抗16包括一个电感20，其与一个电感23和晶闸管开关22的串联组合并联连接。每个晶闸管开关22最好包括一对晶闸管，或成对的晶闸管组，这些晶闸管排列为彼此极性相反。
一个感性旁路电抗200与电弧炉5和感性串联电抗202的串联组合并联连接在电源母线10上。该感性旁路电抗200包括三个成Δ电路关系的可变电抗206。每个可变电抗206包括一对串联连接的固定电感204、204A，二者中间有一个AC晶闸管开关208。每个晶闸管开关208最好包括一对晶闸管，或成对的晶闸管组，这些晶闸管排列为彼此极性相反。
在本领域中公知，谐波滤波器组26连接到电源母线10，起补偿无功电流源的作用，以改善由电弧处理而产生的谐波失真，该谐波滤波器组26可以使用旁路连接的容性电抗实现。在一种结构中，谐波滤波器组26包括至少一个(一般是更多)固定电容器组210，这些电容器通过相应的调谐电感212和阻尼电阻213成星型连接的电路关系连接到电源母线10。谐波滤波器组26调谐到由电弧过程产生的预定谐波，以阻止这些谐波进入电源网络。谐波滤波器组26与可变感性旁路电抗200共同作为一个可变旁路电抗，用来抵消炉和感性串联电抗202的无功功率吸收。
如在下面将要更详细解释的，本发明包括一个控制系统，用于在电弧炉5的操作过程中主动控制感性串联电抗202和感性旁路电抗200的操作，以减小电压闪变。优选地，还控制所述电抗的操作来减小实功率波动。电弧炉的阻抗主要由电阻和电抗构成，并随着炉内的熔化状态变化而快速和急剧变化。特别地，当当一炉新的工质放入炉内熔化时，电弧在几分钟的时间内经历急剧的而且显著的物理变化，直到炉内的工质呈现更均匀的特性。该变化的电阻和阻抗使负载(炉)电压的相位和幅度相对于供电系统电压产生波动的变化，导致低频电压闪变。此处在闪变环境中使用的频率指的是波动速率。
为了有助于理解本发明，参考图2，其中包括表示一个示例电弧炉的示范功耗曲线的曲线图214和表示该示例电弧炉在熔化周期中的示范百分比电源母线电压变化曲线的曲线图216。具体地，曲线图214表示20分钟“铲斗熔化(bucket melt)”的炉功率(MW)与时间之间的典型曲线，其中包括从电极首先被降低到工质上以点燃电弧直到完全熔化的工质可以从炉腔内倒出或另一铲斗碎金属加入炉内的时间。曲线图216表示在20分钟铲斗熔化的过程中电压变化的改变的典型曲线，该改变由闪变计测量，该闪变计输出炉的电源母线的电压波动百分比。根据炉功率和电源电压变化曲线，电弧炉熔化处理周期的特征可以描述为具有三个阶段，这在图2中以近似方式示出，包括：“入炉”(bore-in)阶段218，在该阶段，电弧炉电极降低到要被熔化的工质中，进行电弧点燃，然后是“长弧熔化”阶段219，在该阶段工质被熔化，最后是“长弧泡沫渣加热”阶段220，在该阶段工质被进一步熔化，最终的金属液体被加热到目标温度。入炉阶段218中伴随着很大的炉功率斜坡上升，其中主要是由电极被首先降低进入碎块时其不稳定的属性导致的大而低频的电压波动这一阶段一直持续到电极电弧稳定下来，并且功率斜坡上升基本结束。在该入炉阶段中，会发生例如0.1-7Hz频率的相对大电压波动。长弧熔化阶段219中主要是从大幅度低频率波动过渡到比入炉阶段具有较低幅度和较高频率的电压波动，反映出一旦工质开始熔化，则具有更稳定的电弧。随着熔化阶段的进行，中间范围的电压波动占优势，例如主要在5-15Hz频率范围内。长弧泡沫渣加热阶段220中主要是更低幅度、更高频率的电压波动，反映出一旦工质被熔化成泡沫渣，则存在相对稳定的电弧。在该泡沫渣加热阶段中，会发生频率为例如大于10Hz的更小的电压波动。
因此，电压闪变大体上从处理周期早期的低频大幅度波动进行到处理周期后期的较高频率较小电压的波动。当然，以上所述各阶段之间的实际界限随电路和负载的不同而不同，取决于电弧炉特性，并基于工质成分和等级。
根据本发明，用一种控制系统来控制感性串联电抗202和感性旁路电抗200的操作，以控制电压闪变。优选地，该控制系统以响应在电弧炉操作的不同阶段中发生的电压闪变的频率和幅度变化的方式控制电抗200和202。参考图3，示出电弧炉5的一个电源控制系统。应当理解，在图3所示的示意图中，只示出电弧炉5的一个相和电极及其电源。在所有附图中用相同的标号表示类似的部件。在一个优选实施例中，该电源控制系统控制四个要素来减小电压闪变和减小实功率波动，即：感性串联电抗202的可变电抗16的值、感性旁路电抗200的可变电抗206的值、变压器14的抽头位置、以及电极12的高度调节。在一个优选实施例中，所述控制系统包括一个处理控制器228、无功功率稳定器230、电流稳定器232、实功率稳定器28、抽头控制器46、和电极控制器48。
如以下将要更详细解释的，该处理控制器228协调电源控制系统各部件的操作。该处理控制器228包括一个闪变计226，其通过变压器30连接到电源母线10以监测每相电源线电压(VL-G)。闪变计226采用公知的技术输出表示该电源线电压波动的幅度和频率的信号。例如，该闪变计226可以输出符合IEC 868和/或IEEE 519标准的一个或一个以上的信号。每个这些标准都允许测量每秒0.1到15次波动的电压波动，最灵敏的是每秒5到7次波动。处理控制器228还包括一个工业PC或其它适当配置的逻辑器件，用于自动解释闪变计226的输出，并发送操作信号来如下所述协调电源控制系统的其它部件的操作。
根据本发明的一个优选实施例，电流稳定器232用于主要在炉处理周期中发生大幅度、低频率电压波动的入炉阶段到长弧熔化阶段219期间控制电压闪变。图2示出电流稳定器232在所述的示例电弧炉处理过程中充分有助于电压闪变降低的示例时间范围270。在这一点上，电流稳定器232配置为选通感性串联电抗的晶闸管22，以便使炉电极的电流吸收与设定值Iset-point匹配，从而在发生大的电弧阻抗摆动的过程中维持相对恒定的炉负载阻抗。图4示出根据本发明一个优选实施例的电流稳定器232的简化框图，该电流稳定器包括一个数字调谐的滤波器234，其接收表示由电弧炉5的每一相吸收的主电源电流的信号Iprimary作为输入。如图3所示，电流互感器(CT)34可以用来测量电弧炉每相的电源电流，并产生所述信号Iprimary。数字调谐的滤波器234从处理控制器228接收调谐控制信号F1，从而该滤波器234只允许主要落入由所述处理控制器规定的带宽内的信号通过，进入电流稳定器232的平均电流计算器236。相应地，所述电流稳定器232可以被调谐来响应落入规定范围内的电源电流波动，例如，在入炉阶段发生的低频波动。此外，上述调谐还可以在电弧炉处理周期中变化，以便在处理周期中的不同时间将电流稳定器的操作集中在不同波动范围。
经过滤波的信号Iprimary被平均电流计算器用来计算三相中每一相在预定时间周期中的平均电源电流(例如，在半个或整个AC周期上，即对于60Hz电源来说是8或16.7ms)。平均化的电源电流被提供给选通角计算模块238，其确定感性串联电抗202的晶闸管触发角，以匹配由处理控制器228规定的主电源电流设定值Ip-set-point。在一个优选实施例中，模块238通过根据电弧炉5的具体特性预先确定的查找表执行其功能。电流稳定器240包括一个选通脉冲发生模块240，其从选通角计算模块238接收计算的晶闸管选通角，并向串联电抗16的晶闸管22发送合适的选通信号。
为了响应电弧熄灭并有助于电弧点燃，在一个优选实施例中，选通脉冲发生模块240配置为从低电流限制控制模块242和低电压限制控制模块248接收优势信号，这些优势信号在主电源电流或电极电弧电压降到低于预定阈值以下的情况下，使所述选通脉冲发生模块240暂时完全禁止选通晶闸管22，以便充分插入电抗20。在电弧熄灭的情况下(由低电流表示)，充分插入电抗20在降低电极以重新建立电弧时限制了峰值电流。低电压表示短路，要求电抗20完全插入。这样，低电流限制控制模块242监测经过滤波的信号Iprimary，以确定何时提供优势信号。低电压限制控制模块248通过另一个数字调谐的滤波器244监测每相的电弧电极电压，以确定何时由其提供一个优势信号给选通脉冲发生模块240。从处理控制器228接收调谐控制信号F2的数字调谐滤波器244对表示电弧炉的每相电极电压的信号Varc进行滤波。如图3所示，电压互感器(VT)58可以用来测量每相的电弧电极电压，并提供代表信号Varc。
参考图3，在一个优选实施例中，电源控制性系统包括一个开关276，处理控制器228操作该开关，以便有选择地连接电流稳定器232或实功率稳定器28，来控制感性串联电抗202的晶闸管22。例如，处理控制器228可以配置为一旦闪变计226的读数显示闪变降到预定阈值以下，即从电流稳定器控制切换到实功率稳定器控制。
广泛地说，电流稳定器232配置为响应在由处理控制器228规定的波动范围内发生的电流波动，以便使提供给电弧炉的电流与由处理控制器228规定的设定电源电流匹配。该电流稳定器可以使用多种不同结构实现，例如，一个或多个适当编程的工业PC，或其它可编程逻辑器件，可以与市场上可买到的数字调谐滤波器结合使用来实现电流稳定器232。该电流稳定器可以使用合适的可调滤波器与公知的SPLC技术结合来实现。
根据本发明的一个优选实施例，无功功率稳定器230用于控制主要在炉处理周期的入炉阶段之后的电压闪变，即在低幅度、高频率电压波动支配所述处理时的长弧熔化和长弧泡沫渣加热阶段的操作过程中。图2示出无功功率稳定器230在所述的示例电弧炉处理过程中充分有助于电压闪变降低的示例时间范围272。在这一点上，无功功率稳定器230配置为选通感性旁路电抗200的晶闸管208，以便使电弧炉(包括串联电抗202)、谐波滤波器组26、和感性旁路电抗200的总的无功功率吸收保持基本恒定，且平衡于一个小的值(最好接近0)。根据本发明一个实施例的无功功率稳定器230的简化框图示于图5。该无功功率稳定器包括一个数字调谐的滤波器250，其接收表示由电弧炉5的每一相吸收的主电源电流的信号Iprimary作为输入。如上所述，可以使用电流互感器(CT)34测量电弧炉每相的电源电流，并产生所述信号Iprimary。数字调谐的滤波器250从处理控制器228接收调谐控制信号F3，从而该滤波器250只允许具有落入由所述处理控制器规定的频带内的波动的信号Iprimary通过，到达所述无功功率稳定器230的无功功率稳定器230。
无功功率稳定器230还包括另一个数字调谐滤波器252，其接收表示每相电源电压的信号VL-G(从电压互感器30)作为输入。该数字调谐滤波器252从处理控制器228接收调谐控制信号F4，使得滤波器250只允许具有落入由所述处理控制器规定的频带内的波动的信号VL-G通过所述无功功率计算器268。相应地，无功功率稳定器230可以被调谐来响应只落入特定范围内的电源电流和电压波动(从而也是无功功率变化)，例如，在入炉阶段之后发生的较高频率波动。此外，上述调谐还可以在电弧炉处理周期中变化，以便在处理周期中的不同时间将电流稳定器的操作集中在不同波动范围。
在数字滤波器250、252和无功功率计算器268之间有一个±45度移相器254，用于提供表示每相线电压和每相炉电源电流的实时样本。这些样本由无功功率计算器268使用，该无功功率计算器268还从处理控制器228接收期望设定功率因数PFset-point和谐波滤波器组26的每相无功功率Qfilter作为输入。该谐波滤波器组的每相无功功率可以基于测量值。利用这些输入，所述无功功率计算器为每相确定表示实际功率因数与设定功率因数之间的误差的一个数。该计算的误差值与由选通角计算模块264使用的晶闸管所要求的选通角成正比，该选通角计算模块264配置为确定晶闸管208的适当触发角，以调节旁路电抗，使得实际功率因数与设定功率因数PFset-point相匹配。计算的选通角由选通脉冲发生模块266使用，其产生合适的脉冲来调节晶闸管208的触发角。无功功率稳定器230动作，来通过恒定的容性MVAR(由谐波滤波器组26提供)与可变感性MVAR受控相加，动态平衡无功功率。这样，除了存在可调滤波器250和252，无功功率稳定器230与本领域中公知的传统静态var补偿器(SVC)中使用的控制系统类似，并可通过使用具有公知SVC技术的可变数字滤波器来实现。无功功率稳定器230可以采用多种不同结构实现，例如，一个或多个适当编程的工业PC，或其它可编程逻辑器件，可以与市场上可买到的数字调谐滤波器结合使用来实现电流稳定器232。
图6是实功率稳定器28、电极位置控制器48和抽头设置控制器46的优选实施例的简化框图。抽头设置控制器46配置为根据功率设定值Pset-point和从处理控制器228获得的期望电极电流或电极阻抗设定值来设置炉变压器14的抽头位置。具体地，设置抽头位置，使得根据电弧炉的特性，向电极提供合适的电压，以便使实际功率消耗与功率设定值Pset-point大体匹配。在操作中，抽头设置控制器46最好执行下列步骤：(a)计算需要的操作电压；(b)根据与每个电压抽头关联的预定的(即，名牌)电压值计算合适的变压器电压抽头；和(c)将变压器抽头移到所计算的抽头位置(带负载或不带负载)。
在本发明的优选实施例中，实功率稳定器28与电极位置控制器48结合工作，以便在发生入炉和长弧熔化阶段之后维持电弧炉吸收的有功功率(MV)恒定。图2示出实功率稳定器28在所述的示例电弧炉处理过程中充分有助于实功率调节的示例时间范围274。一旦处理控制器28将开关276切换到实功率稳定器28，实功率稳定器28就调节感性串联电抗202，使得电弧炉的实际功率消耗在存在电弧阻抗波动的情况下跟踪期望的功率设定值。优选地，当实功率稳定器28工作时，在每个AC线电压半个周期中至少周期性地调节一次感性串联电抗202的晶闸管选通。
实功率稳定器28包括一个下游阻抗计算模块38，用于根据通过电流互感器34测量的三相中每相的主电源电流和通过电压互感器32(其在所示实施例中位于串联电抗16的炉侧)测量的三相中每相的炉电压Vfurnace确定感性串联电抗202的每相下游(即，炉侧)阻抗。根据这些电流和电压测量值，阻抗计算模块38确定可变电抗16的炉侧每相电阻(RL)和电抗(XL)，并将这些值输出到需要的电抗计算模块40。炉侧电阻(RL)和电抗(XL)的变化指示在炉熔化处理周期中发生的电极阻抗的变化。电抗计算模块40还从电压互感器30接收表示每相电源电压(VL-G)的信号，和从处理控制器228接收期望的每相功率设定值(Pset-point)作为输入。电抗计算模块40根据这些输入确定可变电抗16应当呈现的每相的要求的电抗(XREQ)值，以便使实际炉功率跟踪期望的炉功率设定值。
实功率稳定器28还包括一个选通角计算模块42，其接收每相三个输入，即由电抗模块40计算的要求的电抗(XREQ)、和由下游阻抗计算模块38确定的在可变电抗16炉侧的电抗(XL)和电阻(RL)。根据这些输入，角计算模块42确定实现所计算的要求电抗所需的晶闸管22每相的合适触发角。在一个优选实施例中，模块42通过访问根据目标电弧炉的唯一特性预先确定的一个存储的查找表来确定所述触发角。在所示实施例中，可以通过以下步骤预先确定查找表的值：
a)以预定增量确定炉侧电抗(XL)和电阻(RL)的可能值；
b)对炉侧电抗(XL)和电阻(RL)的每个可能值，根据旁路电感20和系统线电压的设计值计算0-180度之间的每个晶闸管触发角的稳态负载电流波形；
c)对每个稳态负载电流，计算电流基频分量，并通过求系统线电压与基波电流的比值来计算总的基波电抗；
d)对每个计算的总的基波电抗，通过从该总的基波电抗减去炉侧电抗(XL)，确定所需的可变电抗的电抗值(XREQ)；和
e)将结果制成表格，使得对要求的电抗值(XREQ)、炉侧电抗(XL)和炉侧电阻(RL)的每种可能组合都能确定所需的选通角。
应当理解，选通角可以在选通角计算模块42中利用不同于参考预定查找表的方法来计算，但是，考虑到选通角计算的计算强度和重复特性，查找表可以提供合理的有效解决方案。
此外每，也可采用其它方法来计算查找表中包含的值，并且根据目标电弧炉的具体结构，可以考虑其它变量。
实功率稳定器28还包括选通脉冲发生模块44，其接收由角计算模块42确定的选通角和来自电压互感器30的线电压信号VL-G作为输入。选通脉冲发生模块44包括一个脉冲门发生器，其调节晶闸管22的选通角，使其与由角计算模块42确定的每相选通角匹配。在所示实施例中，所述脉冲发生模块配置为每半个AC电压周期更新晶闸管角度，在这方面包括一个过零检测器，其通过电压互感器30监测线电压，以控制品闸管角度更新的定时。类似地，在该实施例中，在实功率稳定器28操作期间，要求的电抗计算模块40至少每半个AC线电压周期确定每相的一个要求的电抗值，以保证供给脉冲发生模块44的选通角是当前的。根据炉具体特性，实功率稳定器可以配置为以大于或小于每半个周期一次的频率调节触发角，但为了充分稳定电弧功率，通常期望至少每个功率周期调节一次。
在以下将会更详细解释，实功率稳定器28最好配置为当电源控制系统检测到对应的一个电极电弧正在熄灭时，接受一个优势信号，使其将相应的晶闸管对22完全打开。在所示实施例中，选通角计算模块42被配置为当从电弧熄灭预报模块56接收到一个优势信号时，在预定时间间隔内输出一个近似为零的选通角指令给选通脉冲发生模块44。来自电弧熄灭预报模块56的该优势信号的优先级高于选通角计算模块42从要求的电抗计算模块40接收到的任何输入。
实功率稳定器28的模块38、40、和43可以使用适当编程的工业PC很方便地实现，但本领域地技术人员应当理解，这样地模块地功能可以使用多种不同的硬件和/或软件配置实现。选通脉冲发生模块44可以使用适当编程的FPGA很方便地实现，但也可采用其它实现，如微处理器或基于专用电路的设备。
在每相中存在与可变电抗16串联的固定电抗18有助于保持在电压电源母线上测量的平均炉功率因数在特定范围内，特别是在电抗20完全短路的情况下。由于有固定电抗18，电弧电阻的变化可以通过使可变电抗16的电抗值变化等于或小于电弧电阻变化来加以补偿。在这些条件下，最终从电源母线吸收的无功功率被最小化。可选的电感23用于保护晶闸管对22不被短路电流损坏。
下面来看电极位置的调节。电源控制系统包括一个电极位置控制器48，用于调节电极移动系统54以调节电极12相对于炉腔24的高度。下面将会更详细叙述，电极位置控制器48配置为根据工作情况来监测各种炉操作状态，如电极电压、电极电流、功耗、电极移动。所监测的过程变量及其变化与存储的值和预定的指示多种不同类型的炉扰动状态的变化模式相比较。根据炉过程变量变化中的特征标记，位置控制器预测多种不同的可能炉扰动状态中的一种的开始，并以适合该特定扰动状态的模式调节电极高度。通过针对特定扰动状态的调节，电极位置控制器试图减小功率波动，同时维持处理能量效率、炉顶结构完整、和电力系统电气平衡。在图3和6所示实施例中，电极移动系统54示为绞盘驱动系统，但也可采用其它能够使电极12升降的系统，如液压缸驱动系统。
电极位置控制器48最好受模式确定模块50控制，该模式确定模块连续监测炉的操作特性，并根据测量的特性采取多种可能的操作模式之一来调节电极高度。尽管模式确定模块50在图6中示为电极位置控制器的一部分，但其也可以位于过程控制器228中作为其一部分。为了测量炉状态，模式确定模块50从测量电极电流的电流互感器(CT)60(三相中每相使用一个CT 60)和测量电极与中性点间的电压的电压互感器(VT)58(三相中每相使用一个VT 58)接收输入。滤波器55可以用来对来自CT 60和VT 58的输入滤波，使得电极位置控制器可以将低频机械共振引起的电流和电压偏差过滤掉。这样的滤波可以有助于避免在电极调节器机械系统的固有共振频率处发生闪变放大。模式确定模块50还监测另外的操作特性，包括通过从诸如热电偶热电欧(未示出)的温度监测元件接收到的信号监测炉顶温度，通过从声能转换器(未示出)接收到的信号监测炉噪声(包括听得见的和一些听不见的频率)，通过从电极位置计算模块52接收到的反馈监测电极移动，通过线36监测期望的功率设定值，和通过来自抽头设置控制器46的输入监测炉抽头设置。模式确定模块50配置为从电压模式、阻抗模式、和电流模式中选择一种操作模式。
在一个优选实施例中，当电流稳定器228激活时(即当开关276切换到电流稳定器232)，模式确定模块选择默认的电压模式。如果电压模式不是默认模式，则当检测到开弧状态时(例如当一个和多个电极尖端不加屏蔽地位于工质之上时)，模式确定模块50将暂时选择电压模式，以便保护炉顶不受过量电弧辐射。模式确定模块50监测多个变量，以便判断是否已经发生或可能发生开弧状态，包括但不限于：(a)电极功率因数的变化；(b)电极功率标准偏差的增加；(c)电极电弧损耗的更高发生率；(d)更高听得见的炉噪声；(e)电弧电流的电压谐波曲线的变化；(f)紧挨着电极开口周围炉顶热通量的增加；和(g)最近的电极移动，如电极提升和降低摆动。模式确定模块50比较这些变量当前被监测的值与存储的阈值和预先确定为指示目标电弧炉中要发生开弧状态的模式。
当在电压模式时，模式确定模块50确定其提供给电极位置计算模块52来控制电极12的运动的电压模式控制误差公式，通常是沿向下方向控制电极移动，以消除开弧状态。在一个优选实施例中，所述电压模式控制误差公式为：
控制误差＝kI*I-kV*V    公式(1)
其中，V是通过互感器58测量的电极到中性点的电压；
kI和kV是事先计算并存储在查找表中的电流和电压换算常数。它们在查找表中根据变压器抽头位置编号；以及
I是预定的常数，其近似等于目标电弧炉的额定运行电极电流。
在电压模式，上述控制误差公式利用对每个电极测量的电压应用于所有三个电极12。通过使用预定电流常数作为I，而不是测量的电极电流值，来确定控制误差，电极位置控制器集中资源来通过电极高度调节快速稳定电压。
当炉电弧稳定之后，一般使用阻抗模式，从而在一个优选实施例中，当实功率稳定器28有效控制所述感性串联电抗202时，模式确定模块默认选择阻抗模式。这样，当过程控制器228检测到电压闪变下降到低于阈值时，电极位置控制器48就从默认的电压模式切换为默认的阻抗模式。在阻抗模式，每个电极12的机械运动与本实施例的三电极系统中的其它电极的机械运动不相耦合。当每个单独的电极12的测量阻抗值从设定阻抗值变化预定量时，该电极被移动，直到测量值与设定值之间的匹配恢复到一个预定公差之内为止。因此，对于每个电极，模式确定模块50确定当前的电极阻抗(通过测量的电极电压和电流值)，如果测量的阻抗与设定阻抗不匹配(即，如果该电极存在扰动)，则模式确定模块50计算阻抗模式控制误差公式，并将其提供给电极位置计算模块，以控制电极移动。优选地，阻抗设定值为增益常数之比kI/kV，且阻抗模式控制误差公式如下：
控制误差＝kI*I-kV*V         公式(2)
其中，V是通过互感器58测量的电极到中性点电压；
kI和kV是上述增益常数；
I是通过互感器60测量的电极电流。
在阻抗模式，单独调节其处理阻抗偏离设定阻抗值的电极减小了电弧上覆盖的电荷的干扰。应当理解，除了通过互感器58、60的副边测量外，V和I的值还可以分别从互感器32和34的原边测量值中导出，通过按照正确的炉互感器匝数比修正该原边测量值。
在有些实施例中，当炉运行状态指示高度的电气不平衡(如果对其置之不理，则可能引起保护继电器切断炉电源)时，模式确定模块50还可以临时选择电流模式。在电流模式，电极位置控制器48操作来移动电极，以恢复平衡的电极电流，从而使不平衡炉跳闸的可能性降到最小。
模式确定模块50通过测量炉变压器14原边或副边相电流中的负序电流分量监测电流平衡。在所示例子中，通过电流互感器60测量副边相电流，模式确定模块50执行对称分量分解。一个典型的分解公式如下所示：
I2＝1/3(Ia+a2Ib+aIc)
其中：
a＝-0.5+j0.866；
I2＝负序电流；
Ia＝a相电流向量；
Ib＝b相电流向量；
Ic＝c相电流向量。
当负序电流值维持在预定阈值电平之上预定时间时，即选择电流模式。当矫正了电流平衡状态的扰动时，恢复阻抗模式。
一旦选择了电流模式，模式确定模块50即确定电流模式控制误差公式，将其提供给电极位置计算模块52控制电极12的运动，以减少电流不平衡。在一个优选实施例中，电流模式控制误差公式如下：
控制误差＝kI*I-kV*V         公式(3)
其中，I是通过互感器测量的电极电流；
kI和kV是上述的电流和电压换算常数；
V是预定常数，近似等于目标电弧炉的额定运行电极电压。
在电流模式，上述控制误差公式利用对每个电极测量的电流应用于所有三个电极12。通过使用预定电压常数V，而不是测量的电压值，来确定控制误差，电极位置控制器集中资源来通过电极高度调节快速稳定电流。应当理解，电流模式控制误差公式(3)和电压模式控制误差公式(1)与阻抗模式控制误差公式(2)相同，只是在电流模式公式中用常数代替测量的电压V，在电压模式公式中用常数代替测量的电流I。
在三电极电弧炉中，各相之间电极电压和电流的耦合是固有的。因此，在本实施例的三电极电弧炉中，当一个电极下发生电弧扰动时，所有三个电极的电压和电流都受影响。因此，在电流和电压模式中，移动所有三个电极来对抗扰动状态。但是，在阻抗模式中，在一个优选实施例中，只移动其阻抗需要调节的电极，从而使电弧覆盖的扰动最小化。
电极位置控制器48包括电极位置计算模块52，其配置为根据从模式确定模块50接收的指令控制电极移动系统54来提高或降低电极12。计算模块52还监测电极位置供自己使用，并提供关于电极位置和运动的反馈给模式确定模块50。如以上所示，在电流和电压模式，三个电极被移动以分别恢复电流和电压到设定值。在阻抗模式，个别地给电极施加运动，以恢复它们各自地阻抗到合适地大小。计算模块52分别从电流互感器60和电压互感器58接收电极电流信息和电极电压信息。
在炉运行过程中，位置计算模块52从模式确定模块50接收合适地控制误差公式选择，用来如下所述控制电极移动。控制误差被提升到指数n，其中α＜n＜β(其中α通常为1，β通常为2)，并被积分器不断地积分。当达到积分限制时，电极起始速度被设置为与积分周期上地平均误差成正比的值。然后，使电极速度与瞬时误差成正比，直到误差下降到预定的静带。然后积分器复位，当电极停止移动时，积分开始。在控制误差高于预设的阈值的情况下，则跳过积分步骤，电极以高速或最大速度移动，直到(a)误差下降到所述预定静带，或(b)误差降到预设阈值以下，然后调节速度，使其与瞬时误差成正比。通常，本发明该实施例中的电极移动速度应当在300mm/分钟-20000mm/分钟。应当理解，除了此处描述的方法外，电极位置计算模块52还可以采用多种不同的已知运动控制算法来控制电极移动。
电极位置计算模块52包括电弧长度优势函数，通过该优势函数，其在移动每个电极之前先确定其电弧长度，并且在移动电极过程中不断监测电极行程。如果电极行程超过其计算的弧长，则发出一个优势指令，将电极速度降低到蠕动速度，以使电极损坏或炉渣路径中的冶金反应(这可能由电极中的碳与炉内的熔铸槽之间的反应所引起)最小化。在本实施例中，每个电极的弧长如下计算：
电弧长度＝(V-I*Rslag-Vo)/Eo
其中，V是电极到中性点间的电压；
I是电极电流；
Rslag是当尖端刚接触热的槽表面时电极的电阻；
Vo是表示电压降的常数；
Eo是表示弧电场的常数，弧电场用伏特/cm为单位。
实践中，电弧长度计算除了以上所示的变量外，还可以依据其它炉运行变量。在本实施例中，根据每半个周期测量的炉运行特性，每半个电源周期对控制误差积分一次。但是，本发明的炉电极高度调节器也可使用更小频率的积分和采样间隔。
电极位置控制器48还包括另一个优势函数，其由电弧熄灭预测算法模块56实现，该模块预测另一种扰动状态。该模块通过监测电弧电流快速衰减特征的出现，预测任何电极12中电弧的熄灭，并通过以下动作响应：(a)命令电极位置计算模块52快速降低预测到电弧熄灭的电极12，和(b)如上所述，向电抗控制器28发送一个优势信号，使得与预测到电弧熄灭的电极12关联的晶闸管开关完全打开(即，提供近似为零的选通角)，从而完全旁路相应的电感20，这样向受影响的电极提供及时的电压增大。由于使晶闸管开关完全打开导致的电极尖端电压的增加和由于降低电极导致的电弧长度的减小将增强该电极下的电场。结果电弧体中的电离程度将恢复，从而防止了电弧熄灭(或当电弧已经熄灭的情况下，使电弧恢复)。一旦电弧体恢复，则电弧熄灭预测模块50将停止对电抗控制器28的优势控制，从而允许电抗控制器28检测所产生的减小的电弧阻抗，并相应地通过增加晶闸管选通角来增加可变电抗16的电抗值。结果，将不允许电极功率超过功率设定值。快速降低电极通常的后果是快速正电流和/或电压摆动，这可能导致熔炼电路的断路器跳闸。在炼钢炉中，快速降低可能引起电极尖端损坏和/或断路器跳闸。因此，通常要避免快速降低电极。但是，可变电抗16的控制结合电极降低减轻了正的功率摆动，从而降低了由于断路器跳闸导致断电的概率。此外，电弧长度优势功能(即使在电弧优势消失的过程中也继续起作用)减小了由于电极尖端损坏导致炉延迟的机会。
电弧熄灭预测算法模块56的运行由以下伪码示出：
******************************
如伪码的步骤(i)和(ii)所示，在电弧炉运行期间，电弧熄灭预测算法模块56通过与每个电极关联的电流互感器60监测每个电极电流。在步骤(iii)示出，如果电流在减小，则检查其变化速度，看其是否超过预定阈值。该预定阈值根据目标电弧炉的特性选择，具体地是选择已知指示即将发生电弧熄灭的一个值。在步骤(iii)中，还检查电极电流，看其是否小于电流设定值的预定百分比。(该电流设定值根据功率设定值和变压器抽头设置来确定)。如果在步骤(iii)中的两个测试条件存在，则模块56按照步骤(iv)推断，炉运行状态预计将发生电弧熄灭，并采取步骤来通过命令电极位置计算模块52降低电极和命令电抗控制器28完全打开晶闸管22以避免电弧熄灭。如步骤(v)所示，这些避免电弧熄灭的措施一直维持，直到(a)目标电极电流恢复到设定值(表示防止了电弧熄灭，或在电弧熄灭已经发生到情况下恢复了电弧)，或(b)电极电压变为零(表示电极尖端触到了炉腔中的熔铸槽)。在步骤(v)后，电弧熄灭预测算法模块56将电极调节的控制释放回到模式确定模块50，将可变电抗16的控制释放回到电抗控制器28，如步骤(vi)所示，这通常将导致电极的一定程度提升和可变电抗16的增加，从而减轻电极重新点燃时可能发生的任何功率摆动。
电极位置控制器48可以方便地利用适当编程的工业PC实现，但是，本领域的技术人员应当理解，其模块的功能可以利用多种不同的可能硬件和/或软件结构实现。抽头设置控制器46也可利用工业PC或合适的替换物实现，并可以利用与用作电极位置控制器48的同一PC实现。
在过程已经确定下来之后的时间周期174中由实功率稳定器28提供的可变电抗控制和本发明的电极调节有助于为它们所作用的电弧炉提供平坦的功率曲线，而没有显著的正或负功率波动。这样，在本发明的优选实施例中，电流稳定器232在铲斗熔化周期中控制感性电抗202，以控制电压闪变。一旦工质被完全熔化，闪变下降到阈值之下，则实功率稳定器28接管感性串联电抗202的控制，以便减轻实功率的任何波动，从而提高处理的效率。
以上提供了电源系统的各个组件的概述，下面参考附图，根据本发明的优选实施例讨论在炼钢电弧炉铲斗加热的环境下该电源系统的运行。在铲斗加热的开始和全过程，过程控制器228通过闪变计226不断监测电源母线10上的闪变，并通过协调无功功率稳定器230、电流稳定器232、电极位置控制器48、抽头控制器46、和实功率稳定器36的运行以减轻闪变来响应。在熔化过程开始之前，过程控制器执行电流稳定器232的电流滤波器234和电压滤波器244以及无功稳定器230的电流滤波器250和电压滤波器252的初始调节，提供功率因数设定值PFset-point给无功功率稳定器230、电流设定值Ip-set-point给电流稳定器，以及提供功率设定值Pset-point给实功率稳定器28、抽头设置控制器46、和电极位置控制器48中的每一个。
在入炉阶段开始，功率设定值Pset-point典型地被设置为预定最大炉功率(其可以通过炉运行人员与电力网络所有者之间的合同设定)的某个中间范围百分比，例如，最大功率限制的50％。在整个入炉阶段，该功率设定值将沿斜坡上升到等于或近似等于最大功率限制，如图2中的采样炉功率曲线214所示。在入炉之后，功率设定值将维持等于或近似等于最大功率限制。电流设定值Iset-point和抽头设定值根据功率设定值或其它标准确定，例如电弧长度。在炼钢电弧炉中，电压闪变的发生与功率斜坡的陡度有直接的关系，因此，闪变衰减越厉害，则功率斜坡可以越陡，从而改善炉性能。
在入炉的开始，功率因数设定值PFset-point将典型地设置为与小于1的实用计量点功率因数相对应，如0.95-0.98。在入炉之后，功率因数设定值将典型地被提高到与实用计量点功率因数相对应，并更靠近或等于1。
在入炉的开始，开关276的位置将使得电流稳定器232而不是实功率稳定器28来控制感性串联电抗202的晶闸管22。电流稳定电流和电压滤波器234、244在一个示范实施例中可以配置为具有如图7所示增益曲线的低通滤波器，具有低频截止点B1。无功功率稳定器电流和电压滤波器250、252在一个示范实施例中可以配置为具有如图8所示增益曲线的带通滤波器，具有截止点RB1和RB1’。利用这样的滤波器配置，通过由电流稳定器232调节感性串联电抗202以使炉电源电流与电流设定值相匹配，在入炉阶段以及进入长弧熔化阶段中往往会发生的低频大幅度闪变波动将从根本上得到补偿。通过由无功功率稳定器230控制感性旁路电抗，以调节谐波滤波器组26、感性旁路电抗200和电弧炉的总的无功功率，跟踪功率因数设定值，在长弧熔化阶段后期和进入长弧泡沫渣加热阶段往往在铲斗加热过程中占优的较高频率、较低幅度的闪变波动将从根本上得到补偿。
因此，由于上述滤波的结果，在一个示范实施例中，电流稳定器支配铲斗熔化早期阶段(如图2中的典型线270所示)中的闪变降低，无功功率稳定器支配铲斗熔化中期阶段(如典型线272所示)中的闪变降低。这样的配置在本发明的一个优选实施例中使用，因为改变感性串联电抗202在大电弧阻抗摆动期间通过稳定阻抗可以更有效地降低低频电压闪变，而改变旁路串联电抗200通过平衡无功功率消耗，可以更有效地降低较高频率的电压闪变(例如，以大约7Hz为中心的闪变)。如图2所示，有些阶段中，电流稳定器232和无功功率稳定器230都对闪变降低有实质性贡献，它们各自集中于减轻不同频率范围内的闪变。如图7和8所示，由电流稳定器和无功功率稳定器所针对的不同频率范围也可能重叠。根据具体应用，在有的实施例中，时间和频率的重叠可以更宽，而在其它实施例中重叠最小。
在铲斗熔化过程中，闪变计226不断监测电源母线上的电压闪变。如上所述，一旦闪变降到一个阈值以下，则过程控制器228将把感性串联电抗202的控制从电流稳定器232切换到实功率稳定器28，然后，实功率稳定器28负责通过在每个AC功率周期或每半个周期调节可变感性电抗16来稳定有效炉功率。这样，一旦电压闪变被限制在预定限度内，则感性串联电抗202的交点就变为功率的平坦线性化，而不是闪变降低，如图2中的线274所示。根据具体应用，在有些实施例中，当监测到的闪变状态变化时，过程控制器可以在电流稳定器232与实功率稳定器274之间来回切换。例如，大幅度低频率闪变在电弧熄灭过程中发生，其能够调整电流稳定器控制。切换阈值可以是之后现象或范围，因为从电流稳定器到实功率稳定器控制切换的闪变阈值可能低于从实功率稳定器控制到电流稳定器控制回切的闪变阈值。该阈值还可以基于平均值。实功率稳定器的运用有助于通过稳定实功率消耗来改善炉效率，从而当在一个生产周期中测量时，允许实际的炉耗与目标炉耗更匹配。
在炼钢电弧炉铲斗熔化过程中，电极位置控制器48在发生大电极阻抗波动的早期，一般将以默认的电压模式运行，而在随后这样的波动变得稳定时，将转换到默认的阻抗模式。为方便起见，在默认电压和默认阻抗模式之间切换的阈值可以与用于从电流稳定器到实功率稳定器控制切换的阈值相同。
如上所述，在本发明的优选实施例中，滤波器234、244、250、和252是可调的，从而它们各自的滤波模式(增益、带宽、和/或中心频率)在整个处理周期中可以被过程控制器228调节，以响应测量的电压闪变中的变化动态。这允许过程控制器228调节所述可调滤波器，以便使主要闪变频率的衰减最大化。在这点上，闪变计最好在整个过程中输出一个当前的随时间变化的指示，表示每个不同频率上的闪变强度，且该信息被过程控制器用来选择主要闪变发生在哪些频率上，并调节电流稳定器232的滤波器234、244和/或无功功率稳定器230的滤波器250、252，以便集中或忽略这样的主要闪变频率。例如，参考图7和8，在铲斗加热的入炉阶段早期，过程控制器228可能检测到1Hz的主要闪变频率，相应地调节电流稳定器滤波器234、244，使其具有相对低的截止点B1，以便将电流稳定器集中于减轻该主要闪变频率。同时，过程控制器可以调节无功功率稳定器滤波器250、252，使其具有中心在7Hz左右的窄的截止点RB1、RB1’，以避免功率稳定器反作用于低的(1Hz以下)主要闪变频率，而集中于7Hz左右的闪变频率。随着铲斗加热过程的进行，在低频范围发生的闪变会更均匀地分布在低频范围内，作为响应，过程控制器会逐渐将电流稳定器滤波器234、244的截止点移出(例如，移到B1，然后到B3，然后到B4)，从而使电流稳定器响应的频率范围变宽。类似地，如果闪变计指示更高频率的闪变向更高频率上扩展，则过程控制器228可以将无功功率稳定器滤波器250、252的截止点从(RB1、RB1’)调节至(RB2、RB2’)，再到(RB3、RB3’)，可选地还能使带宽变窄，以便当闪变计数据显示出在主要闪变频率时，更加集中于选定的频率。典型地，无功功率稳定230将主要针对6-7Hz范围内的闪变，因为从供电设施的角度来看，这样的闪变通常是主要问题。
在一个实施例中，过程控制器228配置为在整个生产过程中(例如一天)监测所有闪变发射的当前状态，并且在整个生产过程中，周期性地调节滤波器234、244、250、252，和/或其它变量，如处理周期斜坡上升速度和设定功率，以便在该生产周期的允许限度内，使闪变发射最大化。
也可用可调滤波器对实功率稳定器28的输入进行滤波，以便在整个处理周期中，根据监测到的电压闪变或其它过程变量来集中实功率稳定器的操作。
除了(或在有些实施例中代替)监测的电压闪变，过程控制器228还可以使用其它标准作为基础，来控制电流和实功率稳定器的运行。例如，过程控制器可以在调节滤波器234、244、250、252时，考虑进入铲斗加热的时间。
通过按照以上描述的方式操作，可以改进对闪变的降低，因为感性旁路和串联电抗及其各自的控制器的目标是将闪变减小到每个更适合抑制的波动范围内。这样，每个组件的属性的优点都得到利用。在电流和无功功率稳定器中使用滤波器允许它们各自在其所作用的频率波动方面不相同。滤波器可以由过程控制器228调节使得在熔化处理周期中，滤波器范围和中心频率能够根据测量的闪变变化来调节。
由于在入炉期间，感性旁路电抗200不是用作闪变控制的主要来源，因此其可以比传统的SVC系统小(例如，其可以比传统SVC小，当炉无功功率变化幅度从零到炉变压器额定值的200％变化时，如果在入炉期间该传统的SVC用作闪变降低的主要来源，则要求其大小为125％-150％)。
在所示实施例中，描述了一种三电极炉，其中可变电抗16位于炉变压器的Δ罩外部。应当理解，本发明的控制系统也可用于适合其它电弧炉结构。例如，经过本领域技术人员公知的适当修改，控制系统可以用于在路中实现类似的优点，其中每相关联多个电极，例如，一个六电极炉，其中每相关联一对电极。同样，尽管上述实施例集中于在熔化炉中减小闪变(例如碎片炉)，但当电压闪变随过程而变化时，本发明在启动和正常运行期间也可应用于熔化炉。此外，本发明的电流、无功功率和实功率控制方面也可以应用来稳定非电弧炉负载导致的电压波动，例如，非电弧熔化炉和大型工业驱动器，如矿井卷扬机。
尽管可变电抗16和208示为单独的一对晶闸管开关，但应当理解，也可采用其它结构，例如多级晶闸管开关。可选地，其它功率半导体开关也可用来代替晶闸管，其它可变电感也可使用。在有些实施例中，可以使用同步机，而不是容性滤波器组，与感性并联电抗结合来提供相对功率稳定。
应当理解，尽管功率控制系统在附图中示出和在以上描述为多个独立的块(228、230、232、28、46、和48)，但该控制系统各个特征的部分或全部都可以在适当配置的较少的PC机、其它微处理器或基于逻辑的设备上结合和执行。这些控制系统组件可以使用计算机系统实现，或可选地，使用微处理器的组合或其它专门设计的专用集成电路、可编程逻辑设备、或其各种组合实现为硬件。
上述对本发明实施例的描述只是为了举例和说明，而不是用于穷举或限制本发明于公开的形式。因此，对于本领域的技术人员来说，各种修改和变化是显而易见的。

Claims (38)

1.一种功率控制系统，用于减小交流电源线中的电压闪变，该交流电源线上连接有时变负载，包括：
所述电源线路与负载之间的第一可变感性电抗；
与所述电源线并联连接的第二可变电抗；和
一个控制系统，用于
(i)监测负载电流和根据所监测的负载电流的变化来调节该第一可变感性电抗，以减小电压闪变，和
(ii)检测从所述交流电源线路吸收的无功功率，并根据检测到的无功功率吸收的变化来调节该第二可变电抗，以减小电压闪变。
2.如权利要求1所述的功率控制系统，其中所述控制系统配置为调节所述第一可变感性电抗，以响应监测到的负载电流中具有第一频率范围内的频率的波动，和调节所述第二可变电抗，以响应监测到的无功功率吸收中具有不同于第一频率范围的第二频率范围内的频率的波动。
3.如权利要求2所述的功率控制系统，其中至少一部分所述第二频率范围高于所述第一频率范围。
4.如权利要求2所述的功率控制系统，其中所述第一频率范围的较高频率部分与所述第二频率范围的较低频率部分重叠。
5.如权利要求2所述的功率控制系统，其中所述负载包括电弧炉的电弧，且所述第一频率范围包括对应于与电弧点燃相关的电流波动，而所述第二频率范围配置为基本上不包括与电弧点燃相关的无功功率吸收中的波动。
6.如权利要求5所述的功率控制系统，其中所述第二频率范围包括5-7Hz。
7.如权利要求1所述的功率控制系统，其中所述负载包括电弧炉，且所述控制系统配置为调节所述第一可变电抗，以响应监测到的电极电流在熔化处理周期的电极入炉阶段的变化，和调节所述第二可变电抗，以响应监测到的无功功率吸收在电极入炉阶段之后的熔化处理周期中的变化。
8.如权利要求1所述的功率控制系统，其中所述控制系统包括：
第一滤波器，用于对表示负载电流的信号进行滤波，以输出表示第一频率范围内的负载电流波动的第一电流信号，所述控制系统配置为根据该第一电流信号调节所述第一可变电抗；
第二和第三滤波器，分别用于对表示负载电流和电源电压的信号进行滤波，以输出表示第二频率范围内的负载电流波动的第二电流信号和表示第二频率范围内的电源电压波动的电压信号，所述控制系统配置为根据该第二电流信号和电压信号确定监测到的无功功率。
9.如权利要求8所述的功率控制系统，其中所述第一、第二、和第三滤波器是可调滤波器，且所述控制系统配置为监测所述交流电源线的时变属性，并根据所监测到的时变属性调节所述第一、第二、和第三滤波器中的至少一部分。
10.如权利要求9所述的功率控制系统，其中所述控制系统包括一个闪变计，用于测量所述交流电源线上的线电压波动，并且该系统配置为根据监测到的线电压波动来调节所述可调滤波器，以改变相应的频率范围。
11.如权利要求9所述的功率控制系统，其中所述控制系统配置为以累积方式跟踪闪变发射，并调节所述可调滤波器，以便在一段时间周期中预定的累积限制之内使闪变发射最大化。
12.如权利要求8所述的功率控制系统，其中所述控制系统配置为调节所述第一可变感性电抗，使得所监测的负载电流跟踪电流设定值，和调节所述第二可变电抗，使得所述第二可变电抗、第一可变感性电抗、和负载的累积无功功率吸收基本为零。
13.如权利要求1所述的功率控制系统，其中所述控制系统配置为监测负载阻抗，并有选择地调节所述第一可变感性电抗，以响应监测到的负载电流中的变化来跟踪电流设定值，或响应监测到的负载阻抗中的变化，来跟踪实功率设定值。
14.如权利要求13所述的功率控制系统，其中所述控制系统配置为监测所述交流电源线上的电压闪变，并且当所监测的电压闪变超过一个阈值时，调节所述第一感性电抗来跟踪所述电流设定值，以及当所监测的电压闪变低于所述阈值时，跟踪实功率设定值。
15.如权利要求1所述的功率控制系统，其中所述第二可变电抗包括一个容性谐波滤波器组，与所述交流电源线并联连接，以及一个可变感性电抗，与所述交流电源线并联连接。
16.一种交流电源控制系统，用于交流电弧炉，该交流电弧炉具有一条交流电源线，用于向电极施加功率，包括：
连接在所述电源线与电极之间的可变感性串联电抗；
与所述电源线并联连接的可变感性并联电抗；
与所述电源线并联连接的一个谐波容性滤波器组；和
用于减轻所述电源线上的电压闪变的控制系统，该控制系统包括：
(i)电流稳定装置，用于调节所述感性串联电抗，以稳定一个电极电流，来控制所述电压闪变；
(ii)无功功率稳定装置，用于调节所述感性并联电抗以稳定从所述交流电源线吸收的无功功率，来控制所述电压闪变；和
(iii)控制装置，用于监测所述电源线上的电压闪变，并根据所监测到的电压闪变来调节所述电流稳定装置和无功功率稳定装置的操作参数。
17.如权利要求16所述的功率控制系统，其中所述电流稳定装置和无功功率稳定装置中的至少一个包括频率辨别装置，从而至少一个所述的稳定装置与一个选定频率范围之外的电压闪变相比，更多地负责降低该选定频率范围内的电压闪变。
18.如权利要求16所述的功率控制系统，其中所述电流稳定装置包括滤波器装置，从而该电流稳定装置主要用于降低发生在第一选定波动范围内的电压闪变，且所述无功功率稳定装置包括另外的滤波器装置，从而该无功功率稳定装置主要用于降低发生在第二选定波动范围内的电压闪变。
19.如权利要求18所述的功率控制系统，其中所述第一和第二选定波动范围的至少一部分是重叠的，且所述滤波器装置可以由所述控制装置根据监测到的闪变电压中的变化来调节。
20.如权利要求16所述的功率控制系统，其中所述电流稳定装置包括电极电流监测装置，用于监测所述电极电流，还包括用于调节所述可变感性串联电抗的装置，使得所监测到的电极电流跟踪电流设定值，且所述无功功率稳定装置包括用于监测表示从所述电源线吸收的无功功率的值的装置，和用于调节所述可变感性并联电抗的装置，使得所述可变感性并联电抗、谐波容性滤波器组、可变感性串联电抗、和电弧炉的累积电抗值在预定阈值之内。
21.如权利要求20所述的功率控制系统，其中所述电流稳定装置包括一个可调滤波器，主要用于将所监测的电极电流限制在一个选定电流波动范围内的电流波动，且所述无功功率稳定装置包括可调滤波器，主要用于将所监测的无功功率吸收限制在一个选定无功功率吸收波动范围内的无功功率吸收波动，至少部分所述可调滤波器可以被所述控制系统根据所监测的电压闪变来调节。
22.如权利要求16所述的功率控制系统，进一步包括电极移动装置，用于相对于炉腔调节电极高度，和一个电极位置控制器，用于控制所述电极移动装置的运行，该电极位置控制器配置为监测一个电极电压，并调节所述电极高度来稳定该电极电压。
23.如权利要求22所述的功率控制系统，其中所述电极位置控制器包括一个滤波器，用于将所监测的电极电压限制在一个选定波动范围内的电压波动。
24.一种方法，用于控制一个交流电源线中的电压闪变，该交流电源线上连接有时变负载，包括：
(a)在所述电源线与负载之间提供一个可变感性串联电抗；
(b)提供一个与所述电源线并联的可变并联电抗；
(c)改变所述可变感性串联电抗的电抗值以减小电压闪变；和
(d)改变所述可变并联电抗的电抗值以减小电压闪变。
25.如权利要求24所述的方法，其中，在步骤(c)中，改变所述可变感性串联电抗来减小主要发生在选定的第一频率范围内的电压闪变，而在步骤(d)中，改变所述可变并联电抗的电抗值以减小主要发生在选定的第二频率范围内的电压闪变。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述所述第一与第二频率范围重叠，所述第二频率范围包括比第一频率范围高的频率。
27.如权利要求25所述的方法，进一步包括监测所述电源线中的电压闪变，并根据所监测的电压闪变变化来调节所述第一频率范围和第二频率范围中的至少一个。
28.如权利要求27所述的方法，包括确定何时所监测的电压闪变降到预定阈值以下，并随后改变所述可变感性串联电抗的电感值，以便降低从所述电源线吸收的实功率的变化，而不是主要降低电压闪变。
29.如权利要求25所述的方法，其中步骤(c)包括监测负载电流，并调节所述可变感性串联电抗的电感值，使得监测到的负载电流与电流设定值匹配，且步骤(d)包括监测所述电源线上的无功吸收，并调节所述可变并联电抗，使所监测的无功吸收与预定值匹配。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述可变并联电抗包括与所述电源线并联连接的可变容性电抗和与所述电源线并联连接的可变感性电抗。
31.如权利要求24所述的方法，其中所述负载包括一个交流电弧炉的电弧电极，且步骤(c)包括改变所述可变感性串联电抗以减小在电极入炉过程中发生的低频电压闪变，且步骤(c)包括改变所述可变并联电抗，以减小在电极入炉之后发生的较高频率电压闪变。
32.一种用于具有连接在其上的时变负载的交流电源线的功率控制系统，包括：
所述电源线与负载之间的可变感性电抗；和
一个控制系统，包括：
用于监测所述交流电源线上的电压闪变的闪变计；
一个电流稳定器，用于当所监测到的电压闪变大于一个阈值时，改变所述可变感性电抗来稳定从所述电源线吸收的电流，以减小所述电源线上的电压闪变；和
一个实功率稳定器，用于当所监测到的电压闪变小于所述阈值时，改变所述可变感性电抗来稳定从电源线吸收的实功率。
33.如权利要求22所述的功率控制系统，所述负载包括一个电弧炉的电弧电极，包括一个电极移动装置，用于相对于炉腔调节电极高度，和一个电极位置控制器，用于控制所述电极移动装置的运行，该电极位置控制器配置为(i)监测一个电极电压，并且当所监测的电极电压在某一值以上时，调节所述电极高度来稳定该电极电压；和(ii)监测电极阻抗，并且当监测的电压闪变低于所述值时，调节所述电极高度以稳定所述电极阻抗。
34.一种方法，用于控制具有连接在其上的时变负载的交流电源线中的电压闪变，其中一个可变感性串联电抗位于所述电源线与负载之间，包括：
(a)监测所述电源线上的电压闪变；
(b)监测由所述负载吸收的负载电流，并监测负载电压来；
(c)当所监测的电压闪变指示该电压闪变超过一个预定阈值时，根据所监测到的电流中的变化来改变所述串联电抗的电感值，以稳定负载电流，并从而减小所述电压闪变；和
(d)当所监测的电压闪变指示该电压闪变不超过所述预定阈值时，根据所监测到的电流和所监测到的负载电压中的变化来改变所述串联电抗的电感值，以稳定所述负载的阻抗，并从而减小从所述电源线吸收的有效功率中的变化。
35.一种功率控制系统，用于减小具有连接在其上的时变负载的交流电源线中的电压闪变，包括：
与所述电源线并联连接的可变感性电抗；
与所述电源线并联连接的一个谐波容性滤波器组；
一个闪变计，用于测量所述电源线上的电压闪变；和
一个控制器，用于监测从所述电源线吸收的无功功率中的变化，只选择哪些预定频率范围内的变化，并且根据所选择的变化调节所述可变感性电抗，以稳定所述负载、可变感性电抗、和容性电抗的累积无功功率吸收，所述控制器响应所述闪变计来根据所监测的电压闪变中的变化来改变所述预定频率范围。
36.如权利要求35所述的功率控制系统，其中所述控制器包括一个数字调谐滤波器装置，用于选择上述被选择的变化。
37.一种功率控制系统，用于减小具有连接在其上的时变负载的交流电源线中的电压闪变，包括：
连接在所述电源线与负载之间的可变感性电抗；
一个闪变计，用于测量所述电源线上的电压闪变；和
一个控制器，用于监测所述负载从吸收的电流中的变化，只选择哪些预定频率范围内的变化，并且根据所选择的变化调节所述可变感性电抗，以稳定所述负载吸收的电流，所述控制器响应所述闪变计来根据所监测的电压闪变中的变化来改变所述预定频率范围。
38.如权利要求37所述的功率控制系统，其中所述控制器包括一个数字调谐滤波器装置，用于选择上述被选择的变化。
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