一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及電能質(zhì)量分析與控制領(lǐng)域，具體為一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置。三相電弧爐的自適應(yīng)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(jù)工況的改變相應(yīng)的改變模型參數(shù)以與之對應(yīng)。本實(shí)用新型根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況對仿真模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，能夠更加準(zhǔn)確反映電弧爐真實(shí)用電特性，從而為研究不同運(yùn)行工況下的電弧爐電能質(zhì)量現(xiàn)象，提升電網(wǎng)接納電弧爐負(fù)荷能力，提供理論基礎(chǔ)。
【專利說明】一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電能質(zhì)量分析與控制領(lǐng)域，具體為一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，各種非線性負(fù)荷的增加導(dǎo)致電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，危及電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。交流電弧爐是典型的非線性負(fù)荷，也是對電能質(zhì)量影響最大的負(fù)荷之一 O
[0003]電弧爐建模是電弧爐電能質(zhì)量分析工作的前提。模型的精確與否，合理與否，適用性強(qiáng)與否決定了后續(xù)工作能否順利展開。電弧爐運(yùn)行工況復(fù)雜多變，所以需要建立一種適用于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(shè)三相平衡，以單相電弧爐代表三相進(jìn)行研究，主要包括非線性時(shí)變電阻模型，非線性時(shí)變電壓源模型，基于能量守恒的時(shí)變電阻模型等。而實(shí)際電弧爐三相功率并不相等，三相不平衡問題嚴(yán)重，進(jìn)行上述假設(shè)得到的電弧爐模型難以反映電弧爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。并且這種單相電弧爐模型往往不能根據(jù)電弧爐工況的改變進(jìn)行調(diào)整，無法與實(shí)際工況相對應(yīng)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006](I)根據(jù)三相功率的變化實(shí)時(shí)調(diào)整模型；
[0007](2)研究不同運(yùn)行工況下的電弧爐電能質(zhì)量問題。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置，其特征在于，所述三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置包括:母線1、電弧爐3、測試儀6、綜合建模機(jī)7和基礎(chǔ)建模機(jī)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(shè)有電流互感器4 ;所述電壓互感器5的二次側(cè)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(cè)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(shù)據(jù)輸出端與所述綜合建模機(jī)7的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集端連接；所述基礎(chǔ)建模機(jī)8的模型通訊端通過以太網(wǎng)線9與所述綜合建模機(jī)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(yīng)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(jù)工況的改變相應(yīng)的改變模型參數(shù)以與之對應(yīng)。本實(shí)用新型根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況對仿真模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，能夠更加準(zhǔn)確反映電弧爐真實(shí)用電特性，從而為研究不同運(yùn)行工況下的電弧爐電能質(zhì)量現(xiàn)象，提升電網(wǎng)接納電弧爐負(fù)荷能力，提供理論基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)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(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0013]圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是根據(jù)本實(shí)用新型一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置一個(gè)實(shí)施例的電弧爐輸出1-V特性曲線；
[0015]圖3是根據(jù)本實(shí)用新型一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置一個(gè)實(shí)施例的三相交流電弧爐模型等效電路。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，但不能用來限制本實(shí)用新型的范圍。
[0017]本實(shí)用新型提供一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置，包括母線1，電弧爐3，測試儀6，綜合建模機(jī)7和基礎(chǔ)建模機(jī)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(shè)有電流互感器4。電壓互感器5的二次側(cè)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(cè)與測試儀6的電流波形輸入端電連接，測試儀6的數(shù)據(jù)輸出端與綜合建模機(jī)7的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集端連接，基礎(chǔ)建模機(jī)8的模型通訊端通過以太網(wǎng)線9與綜合建模機(jī)7的模型通訊端連接,實(shí)現(xiàn)雙向通訊。
[0018]應(yīng)用本實(shí)用新型所述裝置自適應(yīng)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(cè)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(cè)與測試儀6的電流波形輸入端電連接，測試儀6的數(shù)據(jù)輸出端與綜合建模機(jī)7的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集端連接。測試儀6對電弧爐2的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測試和統(tǒng)計(jì)，并將測試數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給綜合建模機(jī)7。
[0020]第二步、將搜集到的電弧爐參數(shù)輸入到基礎(chǔ)建模機(jī)8中，基礎(chǔ)建模機(jī)8根據(jù)電弧爐3的基本模型和錄入?yún)?shù)，建立與之相適應(yīng)的等效模型，并經(jīng)過簡化計(jì)算，形成相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，通過雙向通訊將建立數(shù)學(xué)模型傳輸至綜合建模機(jī)7中。
[0021]第三步、根據(jù)第前兩步中測試儀6的實(shí)測數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)建模機(jī)8輸出的數(shù)學(xué)模型，綜合建模機(jī)7運(yùn)算得出適用于該電弧爐運(yùn)行系統(tǒng)的綜合模型和參數(shù)，最終得出接近于電弧爐3真是運(yùn)行工況的仿真模型，并提供模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。
[0022]應(yīng)用本實(shí)用新型所述裝置自適應(yīng)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(zhì)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(jù)實(shí)際工況來求取的參數(shù)。
[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(guān)系是非線性的，這使得建模非常困難。為此，將其進(jìn)行分段處理。第一階段:電弧開始點(diǎn)燃，當(dāng)電弧電壓升高到零，電流也過零點(diǎn)。等效電路可以看作是一個(gè)開路，漏電流是存在的，在此階段用一恒定電阻(Vg/ig)描述電壓和電流的關(guān)系；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，然后趨于穩(wěn)定。這個(gè)過程以一帶有時(shí)間常數(shù)(bl)的倒數(shù)函數(shù)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(gè)過程仍以一倒數(shù)函數(shù)來描述，其中帶有的時(shí)間常數(shù)為b2。綜上所述得到如公式(I)所示的電弧爐輸出特性的數(shù)學(xué)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(shí)間常數(shù)；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為電流趨向于最大值時(shí)的電弧爐電壓值，單位為伏特。
[0027]第二步:對供電系統(tǒng)進(jìn)行等效，并對第一步中的電弧爐模型簡化以方便計(jì)算，進(jìn)而建立電弧爐及其供電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。其中電弧爐簡化模型中含待確定的參數(shù)并能夠反映電弧爐的輸出特性。
[0028]電弧爐及其供電系統(tǒng)的等效電路圖如圖3所示。其中，為了計(jì)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相電流趨向于最大值時(shí)對應(yīng)的電弧爐電壓，單位為伏特。
[0033]根據(jù)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(tǒng)線路電阻和電感歸算到變壓器二次側(cè)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(cè)的三相電壓，表達(dá)式為:
2ττΑτι
[0038]Ua = Umsin (wt)、h..二 Um sin(u’i — —)、Uc = Um sin(u’i ——)
[0039]第三步:根據(jù)供電線路及變壓器參數(shù)，電弧爐三相運(yùn)行功率以及第二步中的數(shù)學(xué)模型，確定三相電弧爐自適應(yīng)算法，以求取電弧爐模型參數(shù)。
[0040]因Va、Vb、Vc是關(guān)于時(shí)間的離散函數(shù)，不方便計(jì)算，將其進(jìn)行傅里葉分解并取前4
項(xiàng):
[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(dá)式,繼而求得Pa、Pb、P。
的表達(dá)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?yàn)?,(奶)=0、/:,(於)=0、/.(約)=0，所以根據(jù)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。等于電弧爐三相實(shí)際運(yùn)行功率？…、Pb?n.Pe，n，可得另外三個(gè)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(gòu)成的方程組即可求得對應(yīng)于實(shí)際運(yùn)行功率的Vdl、Vd2、Vd3的值。從而實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)于實(shí)際工況的參數(shù)的自適應(yīng)求取。每當(dāng)工況改變即可利用此算法求取相對應(yīng)的模型參數(shù)。
[0064]第四部:將第三步中求取的模型參數(shù)值代入式(1)，得到反映電弧爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的三相模型。
[0065]結(jié)合實(shí)際供電情況，采用上述建立的模型即可分析不同工況下電弧爐電能質(zhì)量相關(guān)問題。
[0066]本建模裝置及其仿真方法是基于常規(guī)電能質(zhì)量測試儀器及建模分析系統(tǒng)，接線形式簡單，注重仿真計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合，建模仿真結(jié)果直觀準(zhǔn)確。
[0067]以上實(shí)施方式僅用于說明本實(shí)用新型，而非對本實(shí)用新型的限制。盡管參照實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置，其特征在于，所述三相交流電弧爐自適應(yīng)建模裝置包括:母線(I)、電弧爐(3)、測試儀￠)、綜合建模機(jī)(7)和基礎(chǔ)建模機(jī)(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(shè)有電流互感器(4);所述電壓互感器(5)的二次側(cè)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(cè)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(shù)據(jù)輸出端與所述綜合建模機(jī)(7)的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集端連接；所述基礎(chǔ)建模機(jī)(8)的模型通訊端通過以太網(wǎng)線(9)與所述綜合建模機(jī)(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(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】王金浩, 王康寧, 徐永海, 吳玉龍, 穆廣祺, 雷達(dá), 徐龍, 楊超穎, 孔祥雨, 宋述勇, 杜慧杰, 田瀚臻, 肖瑩, 張悅, 李慧蓬, 李勝文, 張敏 申請人:國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院, 華北電力大學(xué)