一種三相交流電弧爐自適應建模裝置製造方法

2023-06-05 08:29:21 1

一種三相交流電弧爐自適應建模裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及電能質量分析與控制領域，具體為一種三相交流電弧爐自適應建模裝置。三相電弧爐的自適應建模裝置不僅能反映電弧爐的三相不平衡問題，而且能根據工況的改變相應的改變模型參數以與之對應。本實用新型根據實際運行工況對仿真模型參數進行優化和調整，能夠更加準確反映電弧爐真實用電特性，從而為研究不同運行工況下的電弧爐電能質量現象，提升電網接納電弧爐負荷能力，提供理論基礎。
【專利說明】一種三相交流電弧爐自適應建模裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電能質量分析與控制領域，具體為一種三相交流電弧爐自適應建模裝置。

【背景技術】
[0002]近年來，各種非線性負荷的增加導致電力系統電能質量問題日益嚴重，危及電力系統的安全經濟運行。交流電弧爐是典型的非線性負荷，也是對電能質量影響最大的負荷之一 O
[0003]電弧爐建模是電弧爐電能質量分析工作的前提。模型的精確與否，合理與否，適用性強與否決定了後續工作能否順利展開。電弧爐運行工況複雜多變，所以需要建立一種適用於多種工況的電弧爐建模裝置。
[0004]目前的電弧爐模型往往假設三相平衡，以單相電弧爐代表三相進行研究，主要包括非線性時變電阻模型，非線性時變電壓源模型，基於能量守恆的時變電阻模型等。而實際電弧爐三相功率並不相等，三相不平衡問題嚴重，進行上述假設得到的電弧爐模型難以反映電弧爐實際運行狀態。並且這種單相電弧爐模型往往不能根據電弧爐工況的改變進行調整，無法與實際工況相對應。
實用新型內容
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006](I)根據三相功率的變化實時調整模型；
[0007](2)研究不同運行工況下的電弧爐電能質量問題。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種三相交流電弧爐自適應建模裝置，其特徵在於，所述三相交流電弧爐自適應建模裝置包括:母線1、電弧爐3、測試儀6、綜合建模機7和基礎建模機8 ;所述母線I上分別電連接有變壓器2、電弧爐3和電壓互感器5 ;所述電弧爐3上設有電流互感器4 ;所述電壓互感器5的二次側與所述測試儀6的電壓波形輸入端電連接；所述電流互感器4的二次側與所述測試儀6的電流波形輸入端電連接；所述測試儀6的數據輸出端與所述綜合建模機7的運行數據採集端連接；所述基礎建模機8的模型通訊端通過乙太網線9與所述綜合建模機7的模型通訊端連接。
[0010](三)有益效果
[0011]三相電弧爐的自適應建模裝置不僅能反映電弧爐的三相不平衡問題，而且能根據工況的改變相應的改變模型參數以與之對應。本實用新型根據實際運行工況對仿真模型參數進行優化和調整，能夠更加準確反映電弧爐真實用電特性，從而為研究不同運行工況下的電弧爐電能質量現象，提升電網接納電弧爐負荷能力，提供理論基礎。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0013]圖1是根據本實用新型一種三相交流電弧爐自適應建模裝置一個實施例的結構示意圖；
[0014]圖2是根據本實用新型一種三相交流電弧爐自適應建模裝置一個實施例的電弧爐輸出1-V特性曲線；
[0015]圖3是根據本實用新型一種三相交流電弧爐自適應建模裝置一個實施例的三相交流電弧爐模型等效電路。

【具體實施方式】
[0016]下面結合說明書附圖和實施例，對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例僅用於說明本實用新型，但不能用來限制本實用新型的範圍。
[0017]本實用新型提供一種三相交流電弧爐自適應建模裝置，包括母線1，電弧爐3，測試儀6，綜合建模機7和基礎建模機8。在母線I上分別電連接有變壓器2、電弧爐3和電壓互感器5 ;在電弧爐3上設有電流互感器4。電壓互感器5的二次側與測試儀6的電壓波形輸入端電連接，電流互感器9的二次側與測試儀6的電流波形輸入端電連接，測試儀6的數據輸出端與綜合建模機7的運行數據採集端連接，基礎建模機8的模型通訊端通過乙太網線9與綜合建模機7的模型通訊端連接,實現雙向通訊。
[0018]應用本實用新型所述裝置自適應建模的方法，包括以下步驟:
[0019]第一步、將電壓互感器5的二次側與測試儀6的電壓波形輸入端電連接，電流互感器9的二次側與測試儀6的電流波形輸入端電連接，測試儀6的數據輸出端與綜合建模機7的運行數據採集端連接。測試儀6對電弧爐2的實時運行數據進行測試和統計，並將測試數據結果傳輸給綜合建模機7。
[0020]第二步、將搜集到的電弧爐參數輸入到基礎建模機8中，基礎建模機8根據電弧爐3的基本模型和錄入參數，建立與之相適應的等效模型，並經過簡化計算，形成相應數學模型，通過雙向通訊將建立數學模型傳輸至綜合建模機7中。
[0021]第三步、根據第前兩步中測試儀6的實測數據和基礎建模機8輸出的數學模型，綜合建模機7運算得出適用於該電弧爐運行系統的綜合模型和參數，最終得出接近於電弧爐3真是運行工況的仿真模型，並提供模型數據導出功能。
[0022]應用本實用新型所述裝置自適應建模仿真算法，包括以下步驟:
[0023]第一步:建立綜合反映電弧爐電能質量問題的三相交流電弧爐等效模型，等效模型中含有需要根據實際工況來求取的參數。
[0024]電弧爐輸出1-V特性曲線如圖2所示，由圖可見電弧爐電壓與電流之間的關係是非線性的，這使得建模非常困難。為此，將其進行分段處理。第一階段:電弧開始點燃，當電弧電壓升高到零，電流也過零點。等效電路可以看作是一個開路，漏電流是存在的，在此階段用一恆定電阻(Vg/ig)描述電壓和電流的關係；第二階段:電弧已建立，在電弧熔化過程中，電弧電壓突然下降，然後趨於穩定。這個過程以一帶有時間常數(bl)的倒數函數來描述。第三階段，電弧開始熄滅，電弧電壓較平緩的下降。這個過程仍以一倒數函數來描述，其中帶有的時間常數為b2。綜上所述得到如公式(I)所示的電弧爐輸出特性的數學模型(以A相為例)。
[0025]
V, , d\i ⑴I
fiM0<\ia(t)\<ig&^^>0
KU+ (Df1.\iM)\>ig&^^>0
h+b ⑴h k(,)l dt ⑴
rp , (Vg-Vn)b2 , ia{t) 1-⑴丨、、,p.4:,⑴ 1.a
[0026]其中L，Im為電流的幅值，單位為安培；ig為不變電流，單位為安培，

m
Vg為不變電壓；bl和b2是時間常數；Va(t)為A相電弧爐電壓,單位為伏特，ia(t)為A相電流，單位為安培；Vdl為電流趨向於最大值時的電弧爐電壓值，單位為伏特。
[0027]第二步:對供電系統進行等效，並對第一步中的電弧爐模型簡化以方便計算，進而建立電弧爐及其供電系統數學模型。其中電弧爐簡化模型中含待確定的參數並能夠反映電弧爐的輸出特性。
[0028]電弧爐及其供電系統的等效電路圖如圖3所示。其中，為了計算方便將三相電弧爐模型簡化為:
\V,, / (ο > ο
[。。29]U /(0<0(2)
[-]眷 15。?)<ο⑶
_ ⑷
[0032]式中，VaUhVb(Ha)分別為電弧爐A、B、C相電壓，單位為伏特；Vdl、Vd2、Vd3分別為A、B、C相電流趨向於最大值時對應的電弧爐電壓，單位為伏特。
[0033]根據圖3及戴維南定理可得:.di {t) rT —1.V (t) + F", (f) + Vr(t)
[0034]ia{t)R + L^^- = UA +——^c—(5)
"dt3
[0035]/； (t)R + L = Ub + l"^~2W + V^)(6)
[0036]i(t)R +L = U(.+ {/A0 +K1-2^.(0(7)
[0037]其中R與L分別代表供電系統線路電阻和電感歸算到變壓器二次側的值，單位分別為歐姆和亨。UA、UB、U。為電源電壓歸算到變壓器二次側的三相電壓，表達式為:
2ττΑτι
[0038]Ua = Umsin (wt)、h..二 Um sin(u』i — —)、Uc = Um sin(u』i ——)
[0039]第三步:根據供電線路及變壓器參數，電弧爐三相運行功率以及第二步中的數學模型，確定三相電弧爐自適應算法，以求取電弧爐模型參數。
[0040]因Va、Vb、Vc是關於時間的離散函數，不方便計算，將其進行傅立葉分解並取前4
項:
[0041]
K,(,) = lK/iZlsin[/7('vi — %)]n = 1,3,5,7(S)
π η η
[0042]
= 丄 sinlXwi —%)]?' = 1,3,5,7(9)
π η η
[0043]
J〈⑴=A匕工丄sjn[fl(u., — w }]?-1,3,5,7(10)
π η η
[0044]其中％、％、代分別代表三相電流ia、ib、ic的初始相角。
[0045]將其分別帶入公式(5)?(7)中，可求得ia、ib、ic的表達式,繼而求得Pa、Pb、P。
的表達式。如下所示:
[0046]
(,(uO ~ u ,,,X (K ，1)_ ―― K/1Σ—^ ，H'.,)~ Kp Σ-^ (/7-爐」u』,.)~ 匕】Σ_ a、n'(p'i wO
3π η η3π η η3π η η
/7=1^5 7(11)
[0047]
= + -~Vn V-A {β、φ、, y\'t)-——V.jX {η,φ,,\ν?)-\--~{η,φ^ν^?)
3 3π η η ?πη η 3π ? η
?=1,3,5,7(12)
[0048]
A7T 4 I4 18 1
=Vdl^-Χ{η,φχ,wt) jT-Vdl^Yj-Χ(η,φ2,Λν?)- —Vd^-Χ(η,φ^,wt)
33π η η3π ? η3π ? η
n = \:X5J(13)

^\η(α\ν?-αφ-φ)
[0049]其中AI, / f.^Μ~ + (aw L)'
「 ] ,c/wL
[0050]φ - arctan-

R
[0051]P「 = —[^,^(10,^1+) +)]
π3π η η3π ? η3π η η
/? = 1,3,5,7(14)
[0052]
V.2π 4 I8-14-1.Pb =—[UmZ{h—^97)^—VdlY,~Z{n^],p2)--—Vd2Y^—Z{n^2^2) +—Vd2Yu—Z{n^^p2)\
π33π ? η3π η η3π η η
η = 1,3,5,7(15)
[0053]
V.A7r λ \4 1 81
Pc =-^\Ρ,?ζ(^ —■:￥>?.) + —+ -Κι2'Σ~Ζ(η.(/)2.>Ψ3)~τ~Κη'Σ~Ζ(η,φ:,,φ3)]
η33π ? η3π ? η3π η η
/7-1,3,5,7(16)
」，、2 COS(6/C9n — U0 — ?)
[0054]其中 ζ(α,扒外)=-,0—


UyJR~ -\-(awL)~
[0055]因為(,(奶)=0、/:,(於)=0、/.(約)=0，所以根據公式(n)_(13)可得:
[0056]
O, ) - — Vd IX — A (n, f/?,, ) + —Vlt2Yj- X {η,φ2,φ^) + —VinYj- X (η,φ}, ) - O
3π η η?π ? η?>π ? η
η = 1,3,5,7(17)
[0057]

+ ^ /1 Σ — ^ in->(P\.> ^ ) _ — Kn Σ — ^(/7.> ^ ^2)+ ~ ^ %(/?，= 0
33τι η η3π η η3π η η
/7 = 1,3,5,7(18)
[0058]
4τ 4 I4 18 1
丁，扒奶)+^~Κ,，Σ—義("，爐」奶)—奶)=ο 33π η η3π η η3π ? η
/7 = 1,3,5,7(19)
[0059]令Pa、Pb、P。等於電弧爐三相實際運行功率？…、Pb?n.Pe，n，可得另外三個描述Vdl、Vd2、Vd3、仍、Ψι X朽的方程:

[0060]
0,Ψ、)——匕IΣ — Z(",Ηλ，Ψ\) + τKnlL -Z、η，φ2,φ、) + — ΚηΣ~^(",Ψ',Ψ\)] = P,,',,π3ττ η η?τι η η?π η η
/7-1,3,5,7(20)
[0061]
V,4 \8 14 1
-^[υ?Ζ{\, — ,φ2) +—νι11Υ^—Ζ(η,φ?,φ2)- — 1'\?2Υ^—Ζ(η,φ2,φ2) + — νι,γ^ — Ζ(η,φ,,φ2)] = ΡΙ)π35π η η3π ? η3π ? η
?=1,3，5,7(21)
[0062]
(/ _4 τ4 I4I?I
—，供)+ 61Σ — Z ("，φ' ,φ^) + —VinYj-Ζ(η,φ?, φ' — — Ζ {η,φ,, φ, )] = PC?π33π ? η3π ? η3π ? η
?-!,3,5,7(22)
[0063]利用迭代法求由方程(17)?(22)構成的方程組即可求得對應於實際運行功率的Vdl、Vd2、Vd3的值。從而實現了對應於實際工況的參數的自適應求取。每當工況改變即可利用此算法求取相對應的模型參數。
[0064]第四部:將第三步中求取的模型參數值代入式(1)，得到反映電弧爐實際運行狀態的三相模型。
[0065]結合實際供電情況，採用上述建立的模型即可分析不同工況下電弧爐電能質量相關問題。
[0066]本建模裝置及其仿真方法是基於常規電能質量測試儀器及建模分析系統，接線形式簡單，注重仿真計算與實測數據結合，建模仿真結果直觀準確。
[0067]以上實施方式僅用於說明本實用新型，而非對本實用新型的限制。儘管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本實用新型的技術方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種三相交流電弧爐自適應建模裝置，其特徵在於，所述三相交流電弧爐自適應建模裝置包括:母線(I)、電弧爐(3)、測試儀￠)、綜合建模機(7)和基礎建模機(8);所述母線⑴上分別電連接有變壓器(2)、電弧爐(3)和電壓互感器(5);所述電弧爐(3)上設有電流互感器(4);所述電壓互感器(5)的二次側與所述測試儀￠)的電壓波形輸入端電連接；所述電流互感器(4)的二次側與所述測試儀￠)的電流波形輸入端電連接；所述測試儀(6)的數據輸出端與所述綜合建模機(7)的運行數據採集端連接；所述基礎建模機(8)的模型通訊端通過乙太網線(9)與所述綜合建模機(7)的模型通訊端連接。
【文檔編號】G06F17/50GK204009909SQ201420327377
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】王金浩, 王康寧, 徐永海, 吳玉龍, 穆廣祺, 雷達, 徐龍, 楊超穎, 孔祥雨, 宋述勇, 杜慧傑, 田瀚臻, 肖瑩, 張悅, 李慧蓬, 李勝文, 張敏 申請人:國網山西省電力公司電力科學研究院, 華北電力大學