第一章 绪论
1.1 课题研究背景
上世纪 50 年代以后，随着电弧炉炼钢技术迅猛发展，电炉钢产量不断提升，目前占据钢产量的比例已将超过 35%[1]，电弧炉炼钢已成为钢铁行业中举足轻重的一部分。随着投入生产的电弧炉数量以及单台容量地不断增大，导致电弧炉冶炼过程中产生的电能质量问题愈加显著。电弧的剧烈变化导致大量谐波电流的产生，并随着冶炼的过程不断注入电网，使公用电网谐波畸变程度与日俱增，系统的电压波动与闪变、三相不平衡等现象越来越严重[2]，对公共电网及用电设备的安全运行造成了极大的危害。近年来，为了有效提高电能质量，满足现代社会对用电的高标准，许多电力工作者在电能质量用电设备特性的改善、供电能力的提高以及补偿设备的设计等几个方面做了大量的工作，提出了一系列行之有效的预防和补偿措施，取得了丰厚的成果。
电弧炉谐波治理的研究已经持续了很多年，研究人员投入了让很多的精力，从传统的无源滤波器(Passive Power Filter: PPF)，到具有动态补偿能力的有源电力滤波器(ActivePower Filter: APF)，谐波补偿装置有了质的飞跃。但目前，大多数冶金电弧炉企业谐波治理的装置仍采用传统的无源滤波器组的形式，一方面原因是相对于有源滤波器来说，无源滤波器组结构简单，易于操作维修，在成本投入上也较低。另一方面则是因为目前有源滤波器装置结构复杂，企业维护成本高，且容量小，无法充分满足企业的需求。为了充分发挥各自的优势，近年来又提出了将无源滤波器和有源滤波器进行适当的组合，构成混合有源滤波器结构，可以有效弥补各自的缺陷，使得整体获得更好的滤波性能[3,4]。
电弧炉谐波的来源非常复杂，电弧炉作为非线性负载，在并入电网时，会产生大量的奇次谐波；由于电弧波动的原因，造成了电网电压波动和闪变，产生了一定含量的间谐波；三相电弧的随机波动，造成了三相电网电压不平衡，随之而来的结果就是电网中偶次谐波的产生，主要为 2、4 和 6 次谐波[5]。大量复杂成分的谐波，对混合滤波器的容量和滤波精度都是一个严峻的挑战，就混合有源滤波器的发展现状来看，很难获得预期的效果。因此，本文提出运用混合有源滤波器和无功补偿相结合的方案，由无功补偿装置补偿电网所需无功，抑制电网电压波动、消除三相不平衡，从源头上减少电网谐波的产生；然后再用混合有源滤波装置对电网剩余的谐波成分进行抑制，从两个方面出发，做到电弧炉谐波的综合治理。
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1.2 电力系统谐波
在正常的交流供电系统中，供电母线电压及频率总是保持一个额定值 (在我国，电源的额定频率为 50Hz)。随着我国电力电子技术的快速发展，大量非线性负荷在社会生产生活中应用越来越广泛。当负载谐波电流注入电网中，在电网阻抗的作用下，造成电网电压畸变。从频域的角度来看，在这些谐波成分中，不仅包含一系列正整数次谐波，而且还存在一些频率为连续分布的正弦含量，称为间谐波[6]。目前，电网谐波问题已经严重影响了社会生产、生活的秩序，因而研究抑制电力系统高次谐波的装置，对于确保电力系统及各生产企业安全、经济运行有着十分重要的意义。
1.2.1 电力系统谐波的危害
近年来，随着各种大功率非线性负载接入电力系统，使得因谐波污染导致的电能质量问题日趋突出。不仅影响电能的正常传输，还会造成周围的电气设备运行效率下降，发生故障甚至损毁。因此，为保证电力系统及系统中各部分电气设备的安全运行，必须采取相应的措施，抑制电网谐波。
1.2.2 电力系统谐波的指标
电弧炉运行过程中，会产生功率因数低、电压波动和闪变、三相不平衡等问题，进而产生大量成分复杂的高次谐波，这些高次谐波不断注入电网，严重影响了电力系统的稳定，不仅影响电弧炉自身的生产，使电耗陡增，降低冶炼质量和效益；同时也会影响公共电网的大量用户，对电网的安全运行造成了极大的危害。
随着电弧炉应用的越来越普遍，电弧炉谐波对公共电网的影响也越来越突出。主要体现在以下几个方面[12]：（1）使电动机的附加损耗和发热增加，引起电动机无规律振动，引发噪声。长时间的振动使得发动机的机械损耗增加，导致机械损坏事故的发生。（2）使变压器的工作温度增加、涡流损耗增大，进而导致变压器负载容量降低，严重影响变压器的正常运行。（3）增大输电线路的损耗，并且系统中的间谐波成分可引起系统电容、电感发生串并联谐振，使谐波放大，损坏系统设备，威胁电力系统的安全运行。（4）使得电子仪表产生计量误差，使继电保护设备和控制电路出现误动，使继保系统和控制系统失效，进而引起整个系统的故障。因此，为了保证供电质量，保证电力系统和电气设备的安全、正常的运行，对电弧炉系统的谐波治理是非常有必要的。
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第二章 交流电弧炉的等效模型研究
电弧炉电网结构复杂，研究交流电弧炉运行过程中对电力系统的影响，进行相应的仿真分析验证，无论是研究电弧炉冶炼过程中的电气工作特性，还是研究电弧炉电能质量问题治理方案，都必须依托电弧炉电气系统的等效模型上展开。本文在分析电弧电压-电流(V-I)随机特性的基础上，首先建立了一种新型的电弧炉稳态模型；然后利用正弦信号、低频混沌信号以及高斯随机信号对稳态模型中的电弧半径量进行调制，调制后的输出电压即为动态电压信号。对电弧炉模型进行仿真与验证，为第三章利用混合有源滤波器及第五章利用综合补偿装置对电弧炉供电系统进行谐波治理研究，改善电能质量提供了前提依据。
2.1 交流电弧炉特性分析
电弧是交流电弧炉的直接热源。由于炉内环境复杂，导致电弧本身的特点也比较复杂，因此在研究电弧炉等效模型前，有必要对交流电弧炉的电弧特性进行深入分析。
2.1.1 周期性
电弧炉第一个阶段为熔化期冶炼，主要目的是为了快速熔化炉料，以便在氧化期和精炼期控制钢液的成分，去除有害的杂质磷、氢、氧和氮，并且去除钢中的非金属杂质。根据前面的分析，熔化期时在炉内突发性的电弧短路，产生每秒数次的电流变动而引起电压闪变，这种电压闪变称为周期性电压闪变。
电弧炉第二个阶段为氧化期冶炼，一方面是去除钢液中的氧化物杂质、气体，调整钢液的碳含量；另一方面是为了提高钢液温度，保证冶炼过程需要的温度指标。由于脱碳反应会造成钢液剧烈沸腾，电弧遵循最优燃烧原则，燃烧点在沸腾钢液附近产生拟周期性的移动变化，因此产生持续的周期性电压波动以及闪变情况。某钢铁企业 20t 炼钢电弧炉的电流、电压波形图在熔化期、氧化期都曾测得这种周期性电压闪变，频率为10Hz左右的周期性电压波动[17]。
2.1.2 随机性
电弧炉在熔化期阶段最大的特点就是随机性。由于炉内原料的不规则堆放，在起弧阶段，电弧在炉料上放电产生高温，而由于炉料的不规则堆放，因此燃弧点在炉料间频繁发生不规则跳跃，造成电弧炉负载的随机性变化。通过大量的实验表明，在假定三相供电平衡，三相电极运行状态相同的情况下，弧长的随机变化接近高斯分布[18]。
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2.2 新型交流电弧炉模型设计
电弧炉负载会引起电网电压剧烈波动，波动频率主要分布在 0.1-30Hz 频带上，其中电压闪变的频率分布在在 6-10Hz 低频范围内[20]。对电弧炉引起电能质量问题的分析及提出合理抑制措施的方案而言，学者们很难完全弄清楚电弧炉内部电弧的变化过程，但可以通过测量设备知道它在运行时产生的外特性以及因此造成的不良影响。因此，从电路的分析方法来看，研究中只需找到一种电路模型，其输出特性与电弧炉的外特性相同即可。根据前面的分析，电弧冶炼时表现出明显的拟周期性、随机性和混沌性，因此，在建立动态电弧炉模型时，只需搭建能表达三种特性的仿真电路，带入电弧炉稳定输出的模型中即可。
长期以来，学者们为研究电弧炉对电网的影响，对电弧炉运行特性的模型进行了大量的研究，文献[21,22]是基于能量守恒定律设计的电弧炉模型，通过把仿真的结果和实测的波形做了对比，证明其设计的合理性。但是这种方法的局限性在于模型只能表现出电弧炉的物理特性，不能反映电弧炉电网三相不平衡、电压波动等动态特性；王育飞等提出的混沌电弧炉模型[23]是基于电弧炉电压波动本质上是混沌的特点[19]出发而提出的，能够充分体现出电弧炉的内特性。但是在设计稳态模型时，文献[23]采用的是 V-I 特性曲线分段线性化方法，虽然简便，但带来的误差肯定是很大的[24]。
因此，本文研究一种新型交流电弧炉动态模型。首先根据能量守恒公式，利用解高次函数的方法，建立了电弧炉稳态模型，其中电弧半径是联系动稳态模型的关键点。利用正弦信号、低频混沌信号以及高斯随机信号对稳态模型中的电弧半径量进行调制，得到最终的动态模型，新型电弧炉动态模型可以表现出电弧炉冶炼过程中的随机性、拟周期性、混沌性等特性。
新型稳态模型的建立方法，充分考虑了电弧的物理特性，与传统利用微分方程建模相比，具有更直观、方便的优点[27]。传统的稳态建模方法是直接将 k1，k2，k3，n，m 的参数直接带入式（2-5）、（2-6）中，根据带入参数的非线性方程直接进行建模，如文献[26，28]。这样建模方法固然简单，但问题是，当建立动态模型，需要对稳态模型进行调制时，被调制的信号为输出电压，这种方法只是将动态随机信号按照一定比例与输出电压进行叠加，因此并没有达到调制的效果，并且如果随机信号参数较大，则会引起电压波形的失真，仿真效果变差。因此，根据混合模型的原理，本文提出的方法是根据式（2-5）、（2-6），首先推导出电弧半径 r(t)的非线性方程式，电弧瞬时电流、电弧半径同时作为输入量，该方法的优点在于在进行动态建模时，可以把电弧半径提取，对电弧炉半径进行调制。
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第三章 电弧炉系统谐波抑制装置研究........................................18
3.1 无源滤波装置 ....................................................... 18
3.1.1 单调谐滤波器 ................................................... 18
3.1.2 高通滤波装置 ................................................... 19
第四章 电弧炉无功补偿及电压波动抑制......................................34
4.1 无功补偿装置的分类 ................................................. 34
4.2 无功补偿装置的选择 ................................................. 35
4.3 静止无功发生器 SVG.................................................. 38
第五章 电弧炉谐波治理综合补偿方案........................................43
5.1 谐波治理综合补偿系统结构 ........................................... 43
5.2 混合系统无功补偿控制策略 ........................................... 45
第五章 电弧炉谐波治理综合补偿方案
电弧炉短网采用的是三相三线制，在冶炼过程中，由于炉内电极经常出现开路、两相短路、三相短路、电弧的不规则运动等现象，电弧电流频繁在零（开路）与最大短路电流之间变化，随机性强。因此，电弧炉会引起电网电压波动和三相电压不平衡等问题，而电压波动和三相不平衡正是造成电弧炉电网偶次谐波和部分奇次谐波产生的根本原因[58]。
同时电网中还存在着一定的间谐波成分，传统的无源滤波器组不能对这部分谐波进行有效补偿，且有易于系统发生谐振等缺点。因此，要达到更好的谐波抑制的效果，有必要从多方面对谐波治理手段进行改进。首先，要改进传统的滤波设备，采用更加先进的治理手段；其次，在谐波治理的思路上进行改进。传统的谐波治理手段是被动的抑制谐波，通过检测电弧炉电网的谐波成分，采用相应的滤波设备进行补偿，降低电网的谐波畸变率，达到相应的标准。由于电弧炉谐波含量大，谐波成分复杂，造成传统的滤波设备滤波效果差，成本投入高。本文提出的谐波治理的思路是从两个方向同时治理，一方面即沿用传统的被动治理的方法，另一方面是在电弧炉电网添加无功补偿设备，通过补偿器实时补偿差值功率，减少甚至消除电弧炉负载电压波动和三相不平衡的产生，从源头上抑制了电弧炉偶次谐波及部分奇次谐波的产生。本章从上述观点出发，针对电弧炉谐波特点提出新的治理方案，重点研究了电弧炉谐波治理综合补偿系统的结构原理、控制策略等。下面将通过仿真，来具体分析电弧炉谐波治理综合补偿系统的特点。
5.1 谐波治理综合补偿系统结构
根据前面的分析，新型的电弧炉谐波治理综合补偿系统由两部分组成，谐波补偿装置部分和无功补偿装置部分，具体结构如图 5-1 所示。电弧炉谐波治理综合补偿系统由有源滤波器 APF、无源滤波器组 FC、静止无功发生器 SVG 及晶闸管投切电容器 TSC构成。考虑到闪变治理需要补偿装置的系统响应时间能够在一个工频周期内，结合目前技术的成熟度和性价比，采用一种由变压器耦合式多重化 SVG 和直挂式 TSC 相结合的无功补偿系统。多重化 APF 与无源滤波器组 FC 构成被动滤波结构，再与无功补偿系统相结合构成谐波补偿系统。利用 TSC 的大容量主要补偿稳态时负载所需无功功率；利用容量相对较小，但补偿性能突出的 SVG 对补偿中的无功或电压突变做出快速反应，以抑制电压波动和闪变，同时利用混合有源滤波器进行电网的谐波治理，协调利用小容量有源和大容量无源实现低成本的大容量的电能质量补偿。
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第六章 总结和展望
本文首先分析了电弧炉冶炼过程中的典型特性，然后根据电弧的能量守恒原理，推导出交流电弧的稳态模型。为了充分表达电弧炉的动态特性，利用调制原理，将电弧炉动态特性模块加载到既是稳态模型的输入量，又是唯一能直观表现电弧变化的参数量电弧半径 r(t)中，获得动态电弧的函数关系式。并用 Simulink 仿真工具对模型进行仿真验证，通过与实测波形及相关数据的对比，充分证明了仿真模型的有效性和合理性。针对电弧炉系统的特点，本文提出运用混合有源滤波器和无功补偿相结合的技术方案，由无功补偿装置补偿电网所需无功，抑制电网电压波动、消除三相不平衡，从源头上减少电网谐波的产生；再用混合有源滤波装置对电网剩余的谐波成分进行治理，从两个方面出发，做到电弧炉谐波的综合治理。在混合有源滤波器研究中，针对谐波检测方法和有源部分控制策略这两个重要的研究领域上，重点研究了电压源复合控制策略和一种基于三相不平衡条件下补偿电网谐波电流的新型谐波检测方法，并用 Simulink 仿真工具对其进行仿真验证，达到了较为理想的仿真效果。
在无功补偿装置的研究中，首先通过仿真分析两种传统无功补偿方案的各自的不足，进而提出了 SVG+动态无功补偿方案。通过对 SVG 和 SVC 两者的外部特性、节能特性等多个方面性能进行对比研究，充分体现了 SVG 在电弧炉无功补偿方面的优势，为后面开展电弧炉谐波抑制及无功补偿综合治理的研究打下基础。最后，本文提出了电弧炉谐波治理综合补偿系统，即采用混合有源滤波器和无功补偿相结合的技术方案，并利用 Simulink 仿真工具搭建了电网模型和综合补偿装置模型。通过对比无补偿装置投入、仅投入无功补偿装置、投入综合补偿装置后系统的电压、电流及功率因数波形图，充分证明了本文提出的综合补偿装置的有效性和合理性。
目前，运用滤波装置和无功补偿装置共同构成的综合补偿系统的思想已在少数发达国家得到应用和发展，随着科技的进步，有源滤波器 APF 和静止无功发生器 SVG 的价格会不断降低，单台补偿容量不断扩大，有利于工业的大规模应用，随着我国对谐波污染认识的不断加深，综合补偿系统的应用前景是相当光明的。
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参考文献（略）
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参考文献（略）