一种大功率电弧炉低频间谐波发射特性分析方法及系统与流程

1.本发明属于电力设备领域，具体涉及一种大功率电弧炉低频间谐波发射特性分析方法及系统。


背景技术：

2.随着大功率电弧炉接入电网的容量及数量的增加，该类负荷产生的非平稳间谐波和大功率冲击对配电网电能质量的影响日趋严重。如福建电网大功率电弧炉用户三山钢铁厂(50吨电弧炉)生产时造成所接入的110kv太平变及九越变多套保护频繁启动，主变在带负载时产生严重的噪声，还导致接在同一35kv母线上的三山精密铸件有限公司设备损坏，赤岭电厂等发电企业发电机发生定子振动、局部发热异常。
3.目前，国内外针对电弧类设备低频非平稳间谐波发射特性所开展的研究分析还较少，国内的一些专家学者针对用于电压波动研究的电弧炉模型、间谐波与电压波动相互影响机理开展了研究分析，大都从电弧的随机性出发，基于随机理论或者混沌理论来建立电弧炉的相关模型，然而，现有电弧炉模型基本只适用于电压波动的研究，是否适用于超高功率电弧类设备低频非平稳间谐波发射特性的研究还有待商议，并且现有模型难以体现电弧类设备对配电网稳定运行影响的模型，而且未揭示典型非平稳间谐波干扰源发射特性及其影响因素。因此，有必要建立适用于低频非平稳间谐波研究的大功率电弧类模型，研究大功率电弧类设备低频非平稳间谐波发射特性，为低频间谐波的干扰源分析及低频间谐波在电网中传播特性的分析提供支撑。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种大功率电弧炉低频间谐波发射特性分析方法及系统，该方法及系统有利于获取大功率电弧炉低频间谐波的发射特性。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大功率电弧炉低频间谐波发射特性分析方法，包括以下步骤：
6.通过三角函数分解方法分别对描述电压波动和低频非平稳间谐波的信号进行处理，确定低频非平稳间谐波与电压波动之间的相互影响机理；通过数学分析方法分别对描述电压波动和低频非平稳间谐波的信号进行处理，明确低频非平稳间谐波与电压波动之间的定量转换关系；
7.基于得到的低频非平稳间谐波与电压波动之间的相互影响机理及定量转换关系，根据能量守恒定律和混沌动态模型，建立描述低频非平稳间谐波发射特性的交流电弧炉仿真模型；
8.基于建立的交流电弧炉仿真模型，获取交流电弧炉的电压、电流数据，采用遗传蚁群算法对所述交流电弧炉仿真模型进行参数辨识；
9.基于参数确定的交流电弧炉仿真模型，通过仿真方式获取电弧炉低频非平稳间谐波的发射特性。
10.进一步地，通过三角函数分解方法分别对描述电压波动和低频非平稳间谐波的信号进行处理，处理后的电压波动信号为基波和一对间谐波信号的叠加，处理后的间谐波信号为赋值调制am信号和相位调制pm信号的叠加，即间谐波引起电压闪变的部分为幅度调制和相位调制的叠加；通过对处理后的电压波动信号进行分析，得到由电压波动引起的间谐波参数；通过对处理后的含有间谐波分量的信号进行分析得到：当信号中包含间谐波分量时，因为间谐波分量幅值、频率和相位参数的不同，对基波产生不同程度的幅值、相位调制效应的影响，从而引起不同程度的电压波动。
11.进一步地，建立的交流电弧炉仿真模型由电弧静态模型和电弧动态模型两部分组成。
12.进一步地，所述电弧静态模型根据能量守恒定律获得。
13.进一步地，根据能量守恒定律，建立交流电弧炉的功率平衡方程式：
14.p＝p1 p215.式中，p为电弧炉的输入功率；p1为电弧炉能量转换功率，p2为电弧炉冶炼过程中的耗散功率；
16.然后，建立适用于交流电弧炉的电弧静态模型：
[0017][0018]
式中，i为电弧瞬时输入电流，g为交流电弧炉的电弧电导，t为时间，α，β为定系数，k1、k2、m和n为待确定参数，其大小与交流电弧炉的种类有关，n＝α-β，m＝β-1。
[0019]
进一步地，所述电弧动态模型通过混沌系统理论建模获得。
[0020]
进一步地，通过混沌系统理论，采用基于不对称非线性电阻蔡氏电路产生的低频混沌信号调制静态电弧电压，来模拟电弧的随机性和不确定性，从而建立适用于交流电弧炉研究的电弧动态模型；其中蔡氏电路的动力学状态方程为：
[0021][0022]
式中，i
l
为流过电感l的电流，ir为流过不对称非线性电阻nr的电流，u
c1
、u
c2
分别表示电容c1和c2的端电压，g＝1/r；ir由不对称非线性电阻的伏安特性表示，其数学表达式为：
[0023][0024]
式中，ga、gb、gc分别表示不对称非线性电阻的伏安特性曲线的三段斜率，且gb≠gc。
[0025]
进一步地，基于建立的交流电弧炉仿真模型，以交流电弧炉实测电流数据为输入，以交流电弧炉仿真电压数据为输出，采用遗传蚁群算法实现电弧炉仿真模型的参数辨识。
[0026]
本发明还提供了一种大功率电弧炉低频间谐波发射特性分析系统，包括存储器、
处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
[0027]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种大功率电弧炉低频间谐波发射特性分析方法及系统，该方法及系统建立了描述低频非平稳间谐波发射特性的交流电弧炉仿真模型，与传统的电弧炉模型相比，能够更准确地反映实际工业用途下电弧炉的运行特性，揭示交流电弧炉低频非平稳间谐波的发射特性，体现电弧炉类设备运行时对配电网稳定性的影响，为低频间谐波的干扰源分析及低频间谐波在电网中传播特性的分析提供支撑。
附图说明
[0029]
图1是本发明实施例的方法实现流程图；
[0030]
图2为本发明实施例中间谐波与电压波动相互影响示意图；
[0031]
图3为本发明实施例中蔡氏电路原理图；
[0032]
图4为本发明实施例中matlab/simulink环境下建立的描述低频非平稳间谐波发射特性的交流电弧炉仿真模型；
[0033]
图5为本发明实施例中建立的交流电弧炉仿真模型参数辨识框图；
[0034]
图6为本发明实施例中仿真验证所用的某100吨交流电弧炉供电示意图；
[0035]
图7为本发明实施例中获得的电弧电压间谐波含量分析图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0037]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0038]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0039]
如图1所示，本实施例提供了一种大功率电弧炉低频间谐波发射特性分析方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤s1、分别确定低频非平稳间谐波与电压波动之间的相互影响机理以及低频非平稳间谐波与电压波动之间的定量转换关系。这两个过程的实现没有先后关系，可以并行或先后进行。
[0041]
(1)通过三角函数分解方法分别对描述电压波动和低频非平稳间谐波的信号进行处理，确定低频非平稳间谐波与电压波动之间的相互影响机理。
[0042]
处理后的电压波动信号为基波和一对间谐波信号的叠加，处理后的间谐波信号为赋值调制am信号和相位调制pm信号的叠加，即间谐波引起电压闪变的部分为幅度调制和相
位调制的叠加。
[0043]
(2)通过数学分析方法分别对描述电压波动和低频非平稳间谐波的信号进行处理，明确低频非平稳间谐波与电压波动之间的定量转换关系。
[0044]
通过对处理后的电压波动信号进行分析，得到由电压波动引起的间谐波参数；通过对处理后的含有间谐波分量的信号进行分析得到：当信号中包含间谐波分量时，因为间谐波分量幅值、频率和相位参数的不同，对基波产生不同程度的幅值、相位调制效应的影响，从而引起不同程度的电压波动。
[0045]
步骤s2、基于得到的低频非平稳间谐波与电压波动之间的相互影响机理及定量转换关系，根据能量守恒定律和混沌动态模型，建立描述低频非平稳间谐波发射特性的交流电弧炉仿真模型。
[0046]
建立的交流电弧炉仿真模型由电弧静态模型和电弧动态模型两部分组成；所述电弧静态模型根据能量守恒定律获得；所述电弧动态模型通过混沌系统理论建模获得。
[0047]
步骤s3、基于建立的交流电弧炉仿真模型，获取交流电弧炉的电压、电流数据，采用遗传蚁群算法对所述交流电弧炉仿真模型进行参数辨识。
[0048]
步骤s4、基于参数确定的交流电弧炉仿真模型，通过仿真方式获取电弧炉低频非平稳间谐波的发射特性。
[0049]
本实施例还提供了一种大功率电弧炉低频间谐波发射特性分析系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
[0050]
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
[0051]
图2为本实施例中间谐波与电压波动相互影响示意图，电压波动和低频非平稳间谐波均可由电弧炉等冲击性负荷直接引起，且在实际电网中它们是共生的。电压波动信号一定会产生间谐波，且间谐波成对出现，间谐波参数满足幅值相等、频率和相位关于载波对称的关系。间谐波叠加在工频信号上会引起不同的幅度调制和相位调制效应，只有发生幅度调制时，信号包络线才会发生波动，从而引起闪变。由间谐波引起的电压波动一定是周期性的，且其电压幅值波动频率是间谐波频率和与之最相邻的谐波频率之差。
[0052]
在步骤s2中，根据能量守恒定律，建立交流电弧炉的功率平衡方程式：
[0053]
p＝p1 p2[0054]
式中，p为电弧炉的输入功率；p1为电弧炉能量转换功率，p2为电弧炉冶炼过程中的耗散功率。
[0055]
然后，建立适用于交流电弧炉的电弧静态模型：
[0056][0057]
式中，i为电弧瞬时输入电流，g为交流电弧炉的电弧电导，t为时间，α，β为定系数，k1、k2、m和n为待确定参数，其大小与交流电弧炉的种类有关，n＝α-β，m＝β-1。
[0058]
图3为本实施例中蔡氏电路原理图。在步骤s2中，通过混沌系统理论，采用基于不对称非线性电阻蔡氏电路产生的低频混沌信号调制静态电弧电压，来模拟电弧的随机性和不确定性，从而建立适用于交流电弧炉研究的电弧动态模型。其中蔡氏电路的动力学状态
方程为：
[0059][0060]
式中，i
l
为流过电感l的电流，ir为流过不对称非线性电阻nr的电流，u
c1
、u
c2
分别表示电容c1和c2的端电压，g＝1/r；ir由不对称非线性电阻的伏安特性表示，其数学表达式为：
[0061][0062]
式中，ga、gb、gc分别表示不对称非线性电阻的伏安特性曲线的三段斜率，且gb≠gc。
[0063]
图4为本实施例中matlab/simulink环境下所建立的用于低频非平稳间谐波研究的新型交流电弧炉仿真模型。
[0064]
图5为本实施例中所建立的用于低频非平稳间谐波研究的新型交流电弧炉仿真模型参数辨识框图。在步骤s3中，结合步骤s2所建立的描述低频非平稳间谐波发射特性的交流电弧炉仿真模型，根据交流电弧炉实际采集电压、电流数据，运用遗传蚁群算法实现交流电弧炉仿真模型的参数辨识。具体为：辨识框图中k1、k2、m和n为电弧静态模型中的待确定参数；η为混沌信号电压与电弧静态电压之间的比例系数；v
choat
为不对称非线性蔡氏电路的输出电压；u
arc
为电弧电压仿真计算值。以电弧电压二阶范数平方的一半为目标函数，构建约束规范方程为：
[0065][0066]
式中：θ为待辨识的参数向量，其约束条件可由交流电弧炉运行特性确定。
[0067]
以电弧电压为辨识量，待辨识参数为k1、k2、m、n和η，参数辨识的规范约束方程如上式所示，利用遗传蚁群算法进行参数辨识。
[0068]
图6为本实施例中某100吨交流电弧炉供电示意图。利用上述步骤对该100吨交流电弧炉供电模型进行仿真验证，附图7为获得的电弧电压间谐波含量分析图，根据仿真与实测结果，低频非平稳间谐波的畸变率仿真误差在2％以内，电压总谐波畸变率仿真误差仅为0.37％，进行电压波动分析，实际电压波动与仿真电压的绝对误差仅为0.16％。
[0069]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。