一种电弧炉建模和谐波分析方法及系统与流程

本发明涉及电气控制领域，更具体地，涉及电弧炉建模和谐波分析方法及系统。
背景技术：
：本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的
背景技术：
信息，不必然构成现有技术。交流电弧炉是现代钢铁企业的重要设备之一，经济效益突出，在金属冶炼行业中广泛存在。在电弧炉冶炼过程中，受其自身的运行特性,导致运行过程中电弧电流变化很不规则，电网中三相电流畸变严重且出现明显的三相不平衡现象，电弧短路、短路频繁发生，引起电流冲击，产生大量的谐波电流，有功功率和无功功率剧烈变化，对电力系统安全稳定运行产生负面影响。随着电弧炉容量和数量的不断增加，电弧炉已成为常见的谐波源，导致电网电能质量恶化，影响设备的工作效率，使设备损耗增大，因此电弧炉的精确建模对谐波分析评估及谐波电流抑制具有重要意义。目前关于电弧炉谐波建模已有所研究，常见方法可归纳为将可控电源模型和负载模型两大类，前者是将电弧炉用一个波形与电弧电压相同的电压源替代，后者致力于研究电弧炉负载的外部阻抗特性，在欧姆定律和能量平衡方程等理论的基础上求推导到处出电弧电阻解析表达式。发明人发现，工业中应用的电弧炉类型较多且吨数各异，较难精准确定其仿真模型的参数；并且，现有模型难以精确反映电弧炉冶炼中表现出的时变性、混沌性和随机性等外特性。交流电弧炉是现代钢铁企业的重要设备之一，广泛存在于金属冶炼行业中，电弧炉作为一种重要的非线性谐波源，冶炼过程中会向电网注入大量非平稳随机性谐波，导致电网电压畸变加剧，引发电压闪变等电能质量问题，不仅威胁到电力系统的安全稳定运行，也给用户带来了不可估量的经济损失。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种电弧炉建模方法，其建立了可以考虑电弧弧长的快速不规则变化对电弧电压、电流畸变的影响，通过实测数据进行电弧炉模型参数辨识的模型，提高了仿真模型的精确性，提出了通用性较强的模型确定方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电弧炉建模和谐波分析方法，包括如下步骤：s1：对电弧炉冶炼过程各个阶段的电压和电流数据设置采样时间，分别进行采样，得到电压和电流的波形与各次谐波向量值，获取电弧电压、电流的实际分布；s2：建立电弧电阻的非线性时变电阻模型；s3：基于粒子群算法，对电弧炉非线性时变电阻模型中的参数进行辨识，计算电弧炉非线性时变电阻模型中的模型参数，得出电弧时变电阻表达式，拟合出该电弧炉冶炼过程中的电弧等效电阻的变化曲线；s4：将随机信号、高斯噪声信号及混沌信号等三种小信号与电弧弧长静态模型叠加，调整各个信号的调制参数，得到经调制的弧长随机波动模型；s5：根据以上步骤，建立基于pso算法与弧长调制的电弧炉模型；s6：计算电弧炉冶炼过程中的各次谐波电压、电流值，进行谐波分析。为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种电弧炉谐波建模系统，包括：数据获取模块，其用于对电弧炉冶炼过程各个阶段的实测电压和电流数据进行采样，进而分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的波形分布和各次谐波向量值；电弧炉非线性时变电阻模块，其用于获得电弧等效电阻的静态模型；模型参数辨识模块，其用于通过粒子群算法，对电弧炉非线性时变电阻模型中的参数进行辨识，计算电弧炉非线性时变电阻模型中的模型参数，得出电弧时变电阻表达式，拟合出该电弧炉冶炼过程中的电弧等效电阻的变化曲线；电弧炉弧长调制模块，其将随机信号、高斯噪声信号及混沌信号等三种小信号与电弧弧长静态模型叠加，调整各个信号的调制参数，得到经调制的弧长随机波动模型；谐波分析模块，其用于根据电弧炉冶炼过程电弧等效电阻的变化，计算出电弧炉冶炼过程的各次谐波电压、电流的畸变程度。为了解决上述问题，本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其建立了可以考虑电弧弧长的快速不规则变化对电弧电压、电流畸变的影响，通过实测数据进行电弧炉模型参数辨识的模型，提高了仿真模型的精确性，提出了通用性较强的模型确定方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述的电弧炉建模及谐波分析方法中的步骤。为了解决上述问题，本发明的第四个方面提供一种计算机设备，其建立了可以考虑电弧弧长的快速不规则变化对电弧电压、电流畸变的影响，通过实测数据进行电弧炉模型参数辨识的模型，提高了仿真模型的精确性，提出了通用性较强的模型确定方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述所述的电弧炉建模及模型参数辨识方法中的步骤。本发明的有益效果是：(1)本发明建立了可以考虑弧长波动与电弧电压、电流畸变程度的关系、模型中参数可根据电弧炉实际运行状况确定的模型，提高了仿真模型的精确性，提出了通用性较强的模型确定方法；(2)本发明根据调制原理，利用随机信号、高斯噪声信号及混沌信号进行弧长调制，使其可反映出电弧炉的典型外特性；(3)本发明通过粒子群算法进行模型参数估计，可以根据电弧炉的应用类型、铭牌参数及实际运行工况进行动态模型参数调整；本发明对电弧炉的谐波进行准确评估，可以提升电网稳定性，减少谐波电流，改善电能质量，提高了电力系统的运行的经济性、稳定性等。附图说明图1为本发明实施例提供的一种电弧炉建模过程流程图。图2为本发明实施例提供的参数辨识前后电弧电阻对比图。图3为本发明实施例提供的弧长调制过程。图4为本发明实施例提供的不对称非线性电阻蔡氏电路原理图。图5(a)为本发明实施例提供的蔡氏电路产生的混沌信号波形图。图5(b)为本发明实施例提供的初始值上调5％后的蔡氏电路产生的混沌信号波形图。图6(a)为本发明实施例提供的电弧炉电弧电压仿真波形图。图6(b)为本发明实施例提供的电弧炉电弧电流仿真波形图。图7(a)为本发明实施例提供的变压器一次侧三相电压波形图。图7(b)为本发明实施例提供的变压器一次侧三相电流波形图。图8为本发明实施例提供的电弧炉a相伏安特性曲线图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。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发明的示例性实施方式。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。如图1所示，本实施例的一种电弧炉建模及谐波分析方法，包括：s101：建立实验测量平台，对电弧炉负荷进行实验测量，对电弧炉冶炼过程各个阶段的实测电压和电流数据分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的各次谐波向量值，通过傅里叶函数拟合，获取电弧电压、电流的分布。对不同类型电弧炉进行实验测量，获取正常运行中电压电流数据，之后对测量得到的数据进行同步化处理，经傅里叶分析获得电压与电流各次谐波相量值。s102：根据欧姆定律和电弧相关理论，建立电弧电阻的非线性时变电阻模型。s103：根据测量得到的电弧炉电压、电流波形和各次谐波向量值，计算出电弧炉非线性时变电阻模型中所需的各个参数。从交流电弧内部的物理特性出发，依据电弧理论和欧姆定律，对电弧所满足的方程进行简化和近似，计及电弧炉功率因数、冶炼温度和电弧电流相角等因素，得出了可较为准确反映电弧阻抗特性的时变电阻模型，具体表达式其中f(l(t))反映了弧长对电弧电阻的影响，l(t)为弧长随机变化表达式；待辨识参数为a、b、c′和(d+θ)。r表示时变电阻。电弧炉模型参数辨识的主要任务就是寻找一组最优的参数向量λ*，使得预定误差的目标函数值达到最小，该误差目标函数ffitness通常选取非负函数，本发明中取经过离散化的电弧电压的误差平方和：其中ui为电弧电压实测值，为电弧电压的模型计算值，n为s101中测量到的样本数目。而后，将电弧电流作为输入量，电弧电压作为辨识量，基于粒子群算法计算出电弧炉非线性时变电阻模型中的a、b、c和(d+θ)等4个模型参数。具体步骤如下所示：1)输入：电弧电流i，电弧电压u，电弧电阻r及待辨识参数初始值。2)循环：设置每个样本点的位置和速度，并逐步更新。3)计算ffitness并与历史最优值比较，如果当前值更优，则用当前值更新参数取值，存储计算得到的a、b、c’和(d+θ)等4个模型参数。4)更新各微粒的位置和速度。5)结束循环并输出待辨识参数。为了验证本发明所提出的模型参数方法，采用了基于公式推导及经验分析计算所得的结果作为对比的模型参数取值方法，对某电弧炉非线性时变电阻模型参数取值对比，具体结果参见表1：表1参数初始值计算值a0.18060.1812b0.09780.0986c’0.0005770.000569(d+θ)-2.7-2.61以上两种模型参数取值方法所获得的电弧电阻波形的比较结果如图2所示。s104：根据电弧炉冶炼过程中表征的外特性，采用随机信号、高斯噪声信号和混沌信号进行弧长调制，并设置相应的调制系数。根据电弧理论及电弧炉冶炼过程中的相关经验，电弧炉冶炼过程中电弧弧长对电弧电阻的作用可由如下表达式表征：式中，rc为电弧半径，l(t)表示电弧弧长的随机波动，其表达式如式4所示：l(t)＝l0+0.5l1·(1+sinwt)(4)l0为运行中弧长最小值，l1为弧长的最大变化值，即最大值与最小值的差。w的选择范围通常在1hz-30hz之间，为人眼对电压闪最敏感的范围，本发明取w＝15hz。电弧弧长的快速不规则变化是导致电弧电压、电流畸变的主要原因，为使电弧炉仿真模型能够表征出电弧炉运行中的典型外特性，本发明使用三种小信号进行弧长调制。参见附图3所示，具体的，包括：(1)建立电弧弧长静态波动模型；(2)建立随机信号发生电路，利用随机信号进行弧长调制；(3)建立高斯噪声信号发生电路，利用高斯噪声信号进行弧长调制；(4)建立混沌信号发生电路，利用混沌信号进行弧长调制；(5)得到经调制的弧长随机波动模型；主要步骤(1)包括建立电弧弧长静态波动模型，具体表达式为：l(t)＝l0+0.5l1·(1+sinwt)(4)其中，l0为运行中弧长最小值，l1为弧长的最大变化值，即最大值与最小值的差。w的选择范围通常在1hz-30hz之间，为人眼对电压闪最敏感的范围，本发明取w＝15hz。主要步骤(2)包括建立随机信号发生电路，具体表达式为：singal-1＝a·sinwt(5)其中，a为随机信号的调制系数。采用叠加小信号的方式实现对电弧弧长的调制，采用的小信号实际为a·sinwt，1代表调制后的电弧弧长的初始表达式，也即式(5)。随机信号可反映电弧炉运行中拟周期性和存在的低频谐波分量，本发明中取f＝10hz。依据叠加定理，将上述随机信号加入弧长中进行调制，经调制后的弧长表达式为：l1(t)＝l(t)·(1+asinwt)(6)主要步骤(3)包括建立高斯噪声信号发生电路，具体表达式为：其中，b为随机信号的调制系数，为随机数模块。高斯噪声信号可反映电弧炉运行中的随机性，本发明中取采样时间t＝10-4s。依据叠加定理，将上述高斯噪声信号加入弧长中进行调制，经调制后的弧长表达式为：主要步骤(4)包括建立混沌噪声信号发生电路，具体表达式为：singal-3＝c·δ(9)其中，c为随机信号的调制系数，δ为混沌信号。混沌信号可反映电弧炉运行中的混沌性，本发明中的混沌信号由不对称非线性电阻蔡氏电路产生，该电路原理图见附图4。本发明取混沌信号为附图4中由电压控制的不对称非线性电阻nr产生，通过改变电感l初始时刻电流值的，电容c1、c2初始时刻电压值，即可获得所需的混沌信号。为证明附图4中混沌系统产生的混沌信号对初始条件的敏感性，可改变蔡氏电路的储能元件参数值，将初始参数设置均上调0.5％，调整前后所得到的仿真波形见附图5和附图6。由结果可知，两个仿真波形在0.3s内发生偏差，说明将该信号应用于电弧炉建模，可以使模型表现出混沌性，与电弧炉实际运行状态吻合。依据叠加定理，将上述混沌信号加入弧长中进行调制，经调制后的弧长表达式为：s105：根据s101-s104所述，建立本发明所述的电弧炉模型，并根据电弧炉实际供电系统，计算出电弧炉仿真电气系统各电气元件参数值并完成系统搭建。s106：进行电弧炉谐波分析，通过傅里叶分析计算电弧炉冶炼过程中的各次谐波电压、电流值，分析其对电网电能质量的影响。对比本实施例所使用的经模型参数辨识与弧长调制后的时变电阻模型与传统非线性时变电阻模型的电弧电阻值与各次谐波电压值的计算精确度。图2给出了两种模型电弧电阻实时变化波形的对比图，表2给出了两种模型各次谐波电压含量值与实测值的对比：表2可见，与传统模型相比，经本发明参数优化和弧长调制后的模型2到7次谐波仿真精度有明显提高，能够更好地模拟电弧炉的运行。现代冶炼工业应用的电弧炉类型与吨数种类繁多，表3给出了炼钢炉、电石炉和铁合金炉等三种常见交流电弧炉的各次谐波电压值计算值与实测值的精确度对比，证明本发明所述方法具有较强的通用性，可应用于多种电弧炉的谐波分析研究。表3利用本实施例所提模型，建立40t的电弧炉模型，其电气系统各元件参数如下：1)供电电源：相电压为10kv，频率50hz2)高压输电线路：r1＝1.258ω，x1＝3.156ω3)变压器：s＝400kva，rf＝0.620mω，xf＝7.12mω4)短网：r2＝2,1mω，x2＝6mω其冶炼过程的电弧电压、电流的变化曲线如图6(a)-图6(b)，变压器一次侧的三相电压、电流的变化曲线如图7(a)-图7(b)，电弧炉电气系统a相负载的伏安特性曲线如图8。由附图可知，电弧炉对电网电压、电流的畸变率贡献较大，三相电流和电压存在着严重的不平衡，thd可达5.5％以上；仿真所得的电弧炉伏安特性曲线整体与典型电弧炉负载特性曲线吻合，呈现明显的随机性和时变性；正负半周期的不对称性符合电弧炉电极阴阳极交替时的特点，与电弧炉炼钢的的动态特性相符。该模型仿真结果与实测结果基本吻合，较传统模型结果更为精确。本发明的实施例还提供了一种电弧炉建模及谐波分析系统。包括：数据获取模块，其用于对电弧炉冶炼过程各个阶段的实测电压和电流数据进行采样，进而分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的波形分布和各次谐波向量值；电弧炉非线性时变电阻模块，其用于根据依据欧姆定律和电弧相关理论，获得电弧等效电阻的静态模型；模型参数辨识模块，其用于通过粒子群算法，依据实测电压、电流数据，对电弧炉非线性时变电阻模型进行参数辨识，获取与该电弧炉拟合程度较高的仿真模型；电弧炉弧长调制模块，其用于利用小信号对弧长的快速无规则变化进行调制，使得仿真模型表征出电弧炉冶炼过程的外特性，同时通过调整该模块中的调制系数进行电弧炉三相不平衡仿真分析；谐波分析模块，其用于根据电弧炉冶炼过程电弧等效电阻的变化，计算出电弧炉冶炼过程的各次谐波电压、电流的畸变程度；在另一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图1所示的电弧炉建模及谐波分析中的步骤。在另一实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如图1所示的电弧炉建模及谐波分析中的步骤。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。当前第1页12