电弧炉分段线性的仿真阻抗模型制造技术

本发明专利技术公开了一种电弧炉分段线性的仿真阻抗模型，所述的电弧炉分段线性的仿真建模采用对电弧炉负载电弧部分U-i特性曲线进行表述，其中U为电弧炉负载电压，i为电弧炉负载电流，Uig，Uex分别为第一象限内的点弧电压、熄弧电压，iig，iex为对应点弧电压、熄弧电压的负载电流，r1，r2分别为线段BA，AC及DB的斜率。本发明专利技术的电弧炉分段线性的仿真阻抗模型是在对实际特性曲线分段线性化的基础上，根据电弧炉负荷消耗的功率，计算出时变电弧电阻的幅值。等效电弧电阻作为随机函数连续变化。一旦建立了表示电弧变化的模型，就可以评估不同供电系统中，由于电弧炉运行造成电压波动的结果。模型对改进的三相电弧炉模型进行了仿真，它不仅可以在较宽的时间范围内仿真，而且可以方便地建立电弧炉控制环节。

【技术实现步骤摘要】
电弧炉分段线性的仿真阻抗模型
本专利技术涉及一种研究电弧炉对电网影响的模型，特别是一种电弧炉分段线性的仿真阻抗模型。
技术介绍
电弧炉是利用交流电弧产生的热来熔炼金属的一种电炉。我们通常所说的电弧炉，一般指炼钢电弧炉。在电弧炉中，电弧发生于专用的电极棒和被熔化的炉料之间，炉料受到电弧的能量直接加热。电弧炉炼钢近几十年来发展尤为迅速，已经成为主要的炼钢方式之一 O电弧炉的发展趋势是容量大型化、超高功率化，电弧炉由一台电炉变压器供电，三相交流电通过三根电极、三相电弧、被熔金属形成三相通路。电弧炉通过电弧产生的热量熔炼金属。炼钢电弧炉主要分为两大类:三相交流电弧炉和直流电弧炉。图示为电弧炉的示意图，其中石墨电极和炉底电极之间为电弧部分，石墨电极通过短网与外电路相连接。交流电弧炉为3根石墨电极，其极性和底电极的极性呈周期性变化。直流电弧炉为I根或多根石墨阴极(一般为3根，此类直流电弧炉大多为交流电弧炉改造而成)，炉底电极部分为阳极。另外，电弧炉的炉顶电极可通过电极调节系统进行控制。电弧炉内的整个炼钢过程一般分为三个时期，即固体炉料熔化期、氧化期和还原期(精炼期)三个阶段，各个阶段对冶炼温度和功率的要求各不相同。熔化期的任务是将固体炉料熔为钢液，这个期间要求尽可能地向炉内输入最大电功率，以保证炉料在尽量短的时间内熔为金属液。氧化期内主要是通过脱碳反应造成钢液沸腾，从而达到下述目的:(1)从钢液中除去溶于其中的大量气体(主要是氢气)和非金属夹杂物；(2)使钢液的温度和成分均匀；(3)除磷；(4)将钢液温度均匀加热至高于出钢温度。这些任务的完成，主要通过脱碳反应所造成的钢液沸腾来实现。还原期的主要任务是:(1)使钢和炉渣还原；(2)除去钢液中的氧和硫，使其含量达到规定的要求；(3)调整钢液的化学成分，使其达到熔炼钢种所要求的成分；(4)加热钢液至正常出钢温度。另外，由于电弧炉炉衬在炼钢过程中处于高温、机械冲击和化学侵蚀的状态下，每炉冶炼后炉衬总要受到不同程度的损坏，为了保证炼钢生产的顺利进行和提高炉衬寿命，每次出钢后必须进行补炉。由于各个时期的任务不同，因此电弧炉在不同时期所表现出来的特征也有所不同。熔化期的特点是电弧炉输入的电功率急剧波动，同时经常伴随有电流冲击。在电弧刚刚起燃时，由于炉料温度较低，电弧不易稳定燃烧，电弧在炉料上随机移动。当部分炉料熔化后，产生炉料倒塌，使电极发生短路，从而引起电流的冲击。当电极调节系统性能较差时，常常会处于反复调节的过程之中，这种状况不但影响电弧炉的电效率，也会对电网电压产生明显的影响，造成电压波动及闪变等问题。在熔化期的后期，炉料全部融化，电弧电流相对比较稳定。在氧化期，由于脱碳反应造成钢液的强烈沸腾，电弧的等效弧长会发生周期性、准周期性或随机性的波动，造成电弧电流长时间不规则的波动。常规的调节系统无法有效地减少这种波动，在某些情况下反倒有可能加剧电弧电流的波动，因此产生持续性的电压波动与闪变问题。还原期的特点是电弧较短，燃弧较稳定，输入电弧炉的功率较稳定，但电网的谐波问题仍比较明显。大型电弧炉已成为电力系统中的一类重要负荷，一方面是由于其对供电可靠性要求较高(我国规定为二类负荷)，另一方面，由于单台电弧炉的容量不断增大，目前不断出现的超高功率电弧炉最大功率已超过100MW，接近一座小城市的用电量，电弧炉的不良影响也随之越来越明显。其主要表现在以下几个方面:1.产生大量的谐波电流、使电网的谐波电压产生畸变电弧电流是不规则的，且急剧变化，其电流波形可分解为2次和2次以上的各次谐波电流，主要为2-7次，其中2次和3次最大，其平均值可达基波分量的5%-10%，最大可达15%-30% ；4-7次平均值为2%-6%，最大值可达6%_15%，而电网中的铁磁元件也产生高次谐波，以3次和5次谐波电流较大，其中3次分量最大，而电炉刚好也是3次谐波电流很大，这对电网是极为不利的。谐波电流流入电网，使其电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动,增加损耗,干扰通信,使电力电缆局部放电绝缘损坏，电容器过载损坏等。2.引起电网电压急剧波动大型电炉在熔化期电弧长度急剧变化，引起无功负荷急剧波动，其工作短路功率为电炉变压器额定功率的两倍左右，其最大波动无功为电炉变压器额定功率的1.5倍左右(具体倍数取决于短网阻抗、电炉变压器阻抗、供电系统阻抗之和的大小，总阻抗大则工作短路倍数小，反之则大)。无功的急剧波动，引起电网电压的急剧波动，其波动频率一般为1-15HZ，使灯光和电视机屏幕产生闪烁，使人视觉疲劳而感到烦躁，此外还影响到晶闸管设备和精密仪表等的稳定运行，甚至产生质量事故。3.使电网电压产生负序分量电炉在熔化期，各相电弧电压是独立变化的，三相电弧各自发生急剧无规则变化，故其三相电流是不对称的。在正常生产情况下，产生的负序电流约为电炉变压器额定电流的25%左右；在不正常情况下，如一相断弧时，可达56%左右，如两相短路的同时，第三相又断弧，此时可达86%左右。负序电流流入电网，使电网电压广生负序分量，影响发电机和用电设备使用效果，严重时可能造成损坏，还会使继电保护误动作，其严重程度一般用不平衡度(即负序电压与正序电压分量之比的百分数)表示，国标GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》对于对称三相电网规定:负序电压不大于2%，短时不超过4%。一般来讲，在电网公共连接点上的短路容量为电炉变压器额定容量的30-40倍以上时，电网是允许的，否则应采取使三相达到平衡对称的补偿措施。4.引起电压水平的降低电炉在熔化期功率因数低于0.7，在发生工作短路时甚至低到0.1，在精炼期大型电炉功率因数也不高，一般为0.8左右。由于功率因数低，感性无功功率大，从而引起电压水平降低，影响用电设备出力，增加电能损耗，按供用电规则的规定，必须采用无功补偿措施在高峰负荷时把功率因数提高到0.9以上，但又不得超前。5.对自身的影响对接在电炉供电电源电压等级上的小型发电机可能会引起发电机振动、转子轴系产生曲扭、使转子绕组铁心产生附加损耗，引起局部过热等不良影响；同时功率因数低，降低了输送功率，增加了网损；影响冶炼质量和效益。由于电弧炉负荷的非线性和时变性，常以其统计值、示意图和工况曲线来描述它的用电特性。此外，国外资料中已有多种电弧炉模型，归纳为时域法和频域法。而目前所运用的最广泛的建模方法是时域法。时域法又包括两种建模方案:1.U-1特性曲线法；2.等效电路法。U-1特性曲线法按照电压电流的特性曲线进行分段线性拟合，又可以分为简单三段线性拟合和复杂多段线性拟合。这类方法简单直接，电弧炉模型的参数不随供电系统参数的变化而改变，可以得到比其他方法高的精度而且不存在收敛问题。等效电路法通过开关切换或脉冲触发，将电弧炉等效成方波电压源。该方法在电路分析中最为简单，但由于它需要依靠对电弧炉的电压电流特性曲线的近似拟合，而且电路的切换时间受系统参数的影响，使切换时间直接影响分析的精度，这两个原因都使得该方法的仿真结果差于U-1特性曲线法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种适用于多种不同类型与容量的电弧炉谐波研究与评估的，从而分析电弧炉对电网的电压质量影响的电弧炉分段线性的仿真阻抗模型。一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电弧炉分段线性的仿真阻抗模型，所述的电弧炉分段线性的仿真建模采用对电弧炉负载电弧部分U?i特性曲线进行表述，其中U为电弧炉负载电压，i为电弧炉负载电流，Uig，Uex分别为第一象限内的点弧电压、熄弧电压，iig，iex为对应点弧电压、熄弧电压的负载电流，r1，r2分别为线段BA，AC及DB的斜率，对U?i特性曲线分段线性化，用公式（1）表示为：U=ir2-Uig(1-r2r1),-iex≤i≤-iigir1,-iig≤i≤iigir2+Uig(1-r2r1),ieg≤i≤iex---(1)式中：iig=Uigr1;iex=1r2[Uex-Uig(1-r2r1)]电弧炉消耗的有功功率P数值上等于U?i特性曲线与横坐标围成的区域面积，如式(2)所示：P=iigUig+(Uig+Uex)(iex?iig)??????（2）带入iig、iex，简化得：r1=Uig2P+Uig2r2-Uex2r2---(3)假定电弧炉负载运行时，Uig、Uex、r2恒定，对于任何给定的有功功率P，可以获得一条对应的U?i特性曲线，其中包括一个不同的斜率r1，使得U?i特性依赖于电弧炉负载实际消耗的有功功率，由式(1)和(3)表达电弧炉的特性。...

【技术特征摘要】
1.一种电弧炉分段线性的仿真阻抗模型，所述的电弧炉分段线性的仿真建模采用对电弧炉负载电弧部分u-1特性曲线进行表述，其中U为电弧炉负载电压，i为电弧炉负载电流，Uig, Uex分别为...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭翌春，孙玉波，余东旭，林建峰，陈乃松，林幼辉，董雪梅，张书芳，林细玲，黄巧英，林晓，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网福建省电力有限公司，国网福建省电力有限公司宁德供电公司，
类型：发明
国别省市：