大功率交流电弧炉暂态电压分析及改善

本文是一篇工程硕士论文，本文的创新点主要是建立了交流电弧炉暂态电压模型，该模型既适合电弧炉稳态电能质量分析又适合电弧炉暂态电能质量分析；并采用该模型对电弧炉进行了不同工作状态下的暂态电压分析，为电弧炉暂态电能质量的评估和改善提供理论依据。

第一章   绪论

1.1 选题的背景及目的意义
电弧炉炼钢主要是以废钢为原料，通过电极产生电弧将原料加热熔炼，属于短流程炼钢。相较于以铁矿石等为原料的长流程炼钢，短流程炼钢能够使资源循环利用且更加环保，符合国家发展要求（吴波  2018）。近年来，国家工信部原材料司不断出台政策，鼓励长流程炼钢向短流程炼钢转变，电弧炉炼钢产量明显增加。但我国电炉产量占炼钢总量的比重与世界电炉产量占炼钢总量的比重相比仍有差距，如图 1-1 所示。  作为典型的非线性负荷，交流电弧炉的电能质量问题一直是困扰行业高质量发展的难题。随着电弧炉的容量不断增大，对电能质量和电力系统稳定性的影响越来越大，特别是电压暂降等暂态电能质量问题已成为电力系统安全稳定运行的突出问题。
交流电弧炉的工作特性决定了电弧炉会引起电网电压的波动，使电网电流产生畸变、供电系统功率因数降低、导致三相不平衡等稳态电能质量问题（延涛等  2016）。除此之外，电弧炉运行过程中还会产生暂态电能质量问题。电弧炉在工作过程中炉料会发生坍塌与电极接触，造成电弧短路。同时，由于电极控制系统并总不能准确调节电极的位置，有时还会有电弧断路的情况发生。电弧的短路和断路会造成无功和电流冲击，这时引起的电能质量问题比正常运行时更加严重。电弧炉发生一次短路的时间很短，一般是 0.01s~0.02s，电极控制系统会迅速调节电极位置使电弧炉恢复正常运行，在电弧炉发生比较严重的短路现象时（比如三相同时短路），会导致电压发生暂降，这属于暂态电能质量问题。
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1.2 国内外研究概况与存在问题
1.2.1 交流电弧炉模型研究现状
对交流电弧炉电能质量问题的分析和改善的前提是要建立准确的电弧炉模型。由于电弧炉是非线性的，因此电弧炉的精确建模比较困难，有许多学者对此进行了研究（Cano-Plate et al. 2015; Mehdi and Behrooz 2012），电弧炉的模型主要有以下几种。
（1）伏安特性特性曲线拟合
将电弧炉 U-I 曲线分段线性化，求出电弧电阻的分段表达式，再利用可控电压源模拟电弧炉的伏安特性关系建立电弧炉模型（Alonso and Donsion 2004; Dugan 1980）。祁碧茹和 Varadan 等（祁碧茹和肖湘宁  2000; Varadan et al. 1996）将电弧炉伏安特性曲线拟合得到电流和电压关系式后,认为电弧炉的功率等于伏安特性曲线与横坐标轴围成的面积,，得出电弧电阻表达式并建立电弧炉模型。Varadan 等（1996）还考虑了电弧电阻的正弦性变化和随机性变化，从而得到动态的电弧炉模型。王育飞等（2008）则是加入混沌电路得到动态电弧炉模型。
简而言之，该方法是根据 U-I 曲线简化得到电弧炉电压关于电流的表达式来建立电弧炉的静态模型。再加入可以模拟电弧弧长变化的模块或者混沌电路得到电弧炉动态模型。对于同一个电弧炉来说，不同的拟合方法就会得到不同的电弧炉模型，这种方法简单方便，但是精确度不够。图 1-2 就是一种伏安特性曲线拟合方法，实线是实际的U-I 曲线，虚线是进行拟合简化后的 U-I 曲线。 ...........................

第二章   交流电弧炉及其供电系统模型

2.1 交流电弧炉的工作过程及其存在的电能质量问题
2.1.1 交流电弧炉工作过程
电弧炉有直流和交流两种，其中交流电弧炉容量一般比直流电弧炉大，在运行时产生的电能质量问题也更加严重（李关定等  2007）。图 2-1 是交流电弧炉结构图，左边是正视图，右边是侧视图。 交流电弧炉将三相交流电从高压电网引入电弧炉厂，经过厂用变压器和炉用变压器降压再通过短网给电弧炉供电，电弧炉利用三相交流电使电极产生电弧释放热量来熔化钢铁。在工作过程中电极升降系统控制电极升降来调整电极与炉料的距离维持电弧的稳定。交流电弧炉的工作过程可以分为以下三个阶段：
熔化期：这个阶段的主要任务是将钢铁熔化，是消耗电能最大的阶段。熔化期是电弧炉运行过程中的第一个阶段，所以在这个阶段初期，炉内温度不均匀，电弧在此阶段时断时续非常不稳定。而且电弧炉熔化的钢铁一般都是废钢，废钢的表面是不均匀的，电弧炉在熔化期弧长会随着在电极炉渣表面移动而发生不规则变化。电弧长度决定着电弧电压，因此电弧电压会随着弧长的不规则变化而发生波动。电弧炉在熔化期炉内炉料还会发生坍塌与电极接触造成短路引起电压暂降。
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2.2 交流电弧炉电弧特性
交流电弧炉是依靠电极产生电弧释放热量来熔化钢铁的，因此我们首先要了解交流电弧炉的电弧特性。产生和维持电弧的必要条件是被加热的阴极表面发射自由电子，电弧静特性如图 2-2（a）所示。 电弧炉在任何时刻的动态性能都受到当时和之前时刻炉况的影响，其原因是在电弧形成时，不可能出现电子、离子和气体温度的突然变化，因此电流的突然变化不会导致电弧特性的突然变化。实际上，由于前一时刻电流变化率对当前时刻的影响，电弧特性的动态存在滞后现象。电弧动特性如图 2-2（b）所示。当电弧电流从 I1 突然增大到 I2 时，电弧特性并不会突然改变，电压也并不能直接从 U1 突变为 U2，而是 U1→U2ʹ→U2，反之，当电弧电流从 I2 减小到 I1 时，电弧电压 U2→U1ʹ→U1。
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第三章   电弧炉暂态电能质量分析 ............................... 20
3.1 电弧炉正常运行时的电能质量 .............................................. 20
3.1.1 谐波 ................................................. 22
3.1.2 电压波动 ..................................... 23
第四章   电弧炉电能质量的改善 ...................................... 32
4.1 统一电能质量调节器（UPQC）的结构和基本原理 ............................. 32
4.2 UPQC 功率平衡分析 ........................................ 33
第五章   总结与展望 .......................................... 47
5.1  总结 ................................................ 47
5.2  展望 ....................................... 47

第四章   电弧炉电能质量的改善

4.1 统一电能质量调节器（UPQC）的结构和基本原理
UPQC 是一款综合的电能质量调节装置，与其他电能质量调节装置相比，能同时改善多种电能质量问题。非常适合用于电弧炉这类产生谐波、电压波动、三相不平衡等多种电能质量问题的电气设备。
UPQC 的串联变流器靠近供电侧，通过变压器串联接入系统，并联变流器靠近负载侧，并联接入系统，串联变流器和并联变流器通过电容相连，结构如图 4-1 所示。 UPQC 的目标：
（1）对于电网来说，当负载是非线性时（例如电弧炉）会产生谐波，造成电网电流畸变。UPQC 对谐波电流进行补偿使得电网电流始终保持额定值，波形为正弦波。
（2）对于负载来说，当电网电压出现畸变、跌落等故障时，供给负载的电压不再是额定值下的正弦波，影响负载的正常工作。UPQC 对电压进行补偿使得负载端电压始终保持保持额定值，波形为正弦波（李勋  2006）。
（3）当电网跌落时，直流电池组充当电源经过并联变流器向负载供电，相当于一个不间断电源 UPS，在电网电压恢复后继续电网供电。 
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第五章   总结与展望

5.1 总结
随着电弧炉容量的不断增加，交流电弧炉引起的电能质量问题愈加严重，不仅会引起电压波动、谐波、三相不平衡等稳态电能质量问题，还会引起暂态电能质量问题。本文对电弧炉暂态电压进行了分析，并用 UPQC 对电弧炉电能质量进行改善，主要工作如下：
（1）建立了交流电弧炉暂态电压模型。根据电弧不同的燃烧状态，结合数学模型建立了电弧炉暂态电压模型，该模型不仅适合对电弧炉稳态电能质量问题的研究也适合对暂态电能质量问题的研究。经验证该模型准确有效，能够准确模拟交流电弧炉对电网电能质量的影响。
（2）对交流电弧炉不同工作状态下的电能质量进行了分析。分别对电弧炉在正常工作、三相短路和两相短路、一相断线三种工作状态进行了理论分析和仿真。结果表明电弧炉在不加电能质量调节装置时，电压波动、谐波、三相不平衡等电能质量问题已经超过允许值。三相短路和两相短路、一相断线时除了稳态电能质量问题比正常运行时更加严重之外还会引起暂态电能质量问题。三相短路无功冲击是正常运行时 6 倍，公共连接点（PCC）电压有效值下降了 40.37%。a 相和 b 相短路，c 相断线时，PCC a 相和 c 相的电流大小相位接近相同，b 相冲击电流是 a 相和 c 相的 2 倍左右，a 相和 c 相电压出现跌落但是幅度较小，b 相电压发生了明显的电压暂降现象，电压有效值比正常运行时下降 29.81%，同时三相不平衡程度严重。
（3）采用 UPQC 对交流电弧炉电能质量问题进行改善。UPQC 是一款综合的电能质量改善装置，不仅可以对电弧炉进行无功补偿，还可以改善谐波和三相不平衡。本文的 UPQC 采用 dq0 检测法，控制策略采用直接控制策略。UPQC 接入供电系统后，对交流电弧炉的电压波动、谐波、三相不平衡等电能质量问题有了明显的改善。
本文的创新点主要是建立了交流电弧炉暂态电压模型，该模型既适合电弧炉稳态电能质量分析又适合电弧炉暂态电能质量分析；并采用该模型对电弧炉进行了不同工作状态下的暂态电压分析，为电弧炉暂态电能质量的评估和改善提供理论依据。
参考文献（略）