含电弧炉的配网电压动态治理方法与流程

本发明属于配网电压治理技术领域，特别是涉及到一种含电弧炉的配网电压动态治理方法。

背景技术：

随着我国部分地区经济的迅猛发展，用电负荷增长非常迅速，特别是交流电弧炼钢炉正在朝着容量大型化和超高功率化的方向发展。与此同时，电弧炉给电网带来的不利影响越发严重，如造成了部分配电网电压波动和闪变、电能质量降低，由于没有足够的动态无功调节手段，给在含电弧炉的配网下的电力用户造成了一定的影响。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种含电弧炉的配网电压动态治理方法用于解决配电网中含有电弧炉负荷引起电网电压波动和闪变、降低电网质量的技术问题。

含电弧炉的配网电压动态治理方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、运用pscad仿真软件建立电弧炉模型

1)、由欧姆定律获得电弧炉模型中电弧电压u为：

式中，g为电弧电导；i为电弧电流，单位a；

由电弧半径和常数项修正系数之间的关系定义电弧炉电导g为：

式中g为电弧电导；i为电弧电流，单位a；r为电弧半径，单位为米；m为可变参数，c3为常数项修正系数；

建立电弧炉的电弧能量方程，电弧能量方程中选取电弧电流为流入电弧炉的正弦电流，获得一个周期内电弧半径的表达式r(t)：

其中，c1为高次项修正系数，c2为低次项修正系数，c3为常数项修正系数，n,m均为可变参数，im为流入电弧炉内电流的最大瞬时值，f表示配网中的额定频率，t为电弧炉运行的时间；

2)、在电弧半径上叠加一个白噪声，获得模拟现实的电弧炉模型；

步骤二、建立svc静止无功补偿数学模型

所述svc静止无功补偿数学模型为并联可调电抗器tcr和补偿电容fc组合型svc，

tcr从系统中吸收的无功功率qtcr公式为：

式中，u为svc所连接处的母线电压，单位kv；α为触发角；ω为电源额定角速度，单位rad/s；l为电感，单位h；ωl＝xl，xl为电抗器基波电抗，单位ω；

电容器在导通时，向电力系统中注入的无功功率qfc公式为：

qfc＝u²ωc

式中，u为svc所连接处的母线电压，单位kv；ω为电源额定角速度，单位rad/s；c为电容器电容，单位f；

svc向系统注入的无功功率qsvc为fc型svc和tcr型svc二者单独使用时向系统注入的无功功率的代数和：

公式中，α为触发角；ω为电源额定角速度，单位rad/s；ωl＝xl，xl为电抗器基波电抗，单位ω；c为电容器电容，单位f；u为svc所连接处的母线电压，单位kv；

步骤三、在含电弧炉配电网中svc的补偿

1)、根据实际负荷的无功变化值ql，调整基波电抗的无功变化值qtcr，

ql变小，相应调整触发角α使得qtcr增大，

ql变大，相应调整触发角α使得qtcr减小；

2)、通过对电弧炉模型中的电弧炉两端的电压调节，达到无功补偿的目的实际负荷的无功变化值ql与基波电抗的无功变化值qtcr之和为常数：

ql+qtcr＝k，k为常数；

从电网中获得的无功功率qs公式为：

qs＝qfc-(ql-qtcr)

qs为一个常数或者零，滤波器组所发出的无功功率qfc也就是一个常数，由无功功率qfc公式、电弧炉电导g公式以及电弧电压u公式，电弧两端的电压调节至趋于稳定值，达到无功补偿的目的，抑制因电弧炉负载变化引起的电压波动和闪变。

所述触发角α的触发范围为90°～180°。

所述电弧炉的电弧能量方程为：

式中，i为电弧电流，单位a；r为电弧半径，单位m；c1为高次项修正系数，c2为低次项修正系数，c3为常数项修正系数，n,m均为可变参数，t为电弧炉运行的时间。

所述步骤一中模拟现实的电弧炉模型r为：

r＝r(t)+wnoise

其中，r(t)一个周期内电弧半径的表达式，wnoise为常量白噪声。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明是针对部分配电网中含有电弧炉负荷引起电网电压波动和闪变、降低电网质量问题而设计。本发明通过分析电弧炉的工作原理，进而建立交流电弧炉数学模型，然后运用pscad仿真软件构建出电弧炉仿真模型。结合实际电弧炉在配电网中的影响进行仿真，并对配电网电压需要进行动态分析，在仿真中采用svc治理措施对电弧炉对电网负荷影响进行抑制，解决配电网电压波动和闪变、降低电网质量问题从而改善配网电压，提高电能质量。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中tcr+fc型svc的三相接线图。

图2为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中调节svc触发角的控制原理示意图。

图3为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中电网实际线路等效图。

图4为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中方案一下电弧炉投入前后各点电压有效值的标幺值波形图。

图5为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中方案一下电弧炉投入前后各点电压瞬时值的标幺值波形图。

图6为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中方案二下电弧炉投入前后各点电压有效值的标幺值波形图。

图7为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中方案二下电弧炉投入前后各点电压有效值的标幺值波形图。

图8为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中方案一下svc投入前后各点电压有效值的标幺值波形图。

图9为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中方案一下svc投入前后各点电压瞬时值的标幺值波形图。

图10为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中方案二下svc投入前后各点电压有效值的标幺值波形图。

图11为本发明一种含电弧炉的配网电压动态治理方法中方案二下svc投入前后各点电压瞬时值的标幺值波形图。

具体实施方式

下面利用附图、表和实例对本发明作进一步说明。

本发明由以下技术方案来实现的：

1、模型设计

(1)电弧炉模型

由于电弧炉负荷的非线性和时变性,常以其统计值、示意图和工况曲线来描述它的用电特性。此外,国外资料中已有多种电弧炉模型,归纳为时域法和频域法,具体又分为v-i特性曲线形、等效电路法、谐波电压源法和解谐波域非线性微分方程四种电弧炉模型构建方法。在这四种构建方法中，各有利弊。经过多方面考虑，解谐波域非线性微分方程的方法，明显好于其它三种方法。故本发明中选择通过解谐波域非线性微分方程建立电弧炉仿真模型。

通过查阅文献可知解谐波域非线性微分方程的建模方法中动态电压电流的关系。本发明直接以电弧半径为状态变量,在解电弧炉非线性能量方程的基础上,求出电弧半径的数学表达式,并叠加一带通白噪声(4hz～14hz)，以利于更好的建立电弧炉的电压电流的非线性时变关系。同时，在电弧所在的线路上的断路器处加上随机信号以得到更接近实际的电弧炉仿真模型。

通过电弧炉的特性可建立电弧炉的电弧能量方程为：

式中，i为电弧电流，单位a；r为电弧半径，单位m；c1为高次项修正系数，c2为低次项修正系数，c3为常数项修正系数，n,m均为可变参数。

当周围环境温度较高时,n＝0；当电弧弧长较长时,n＝1；当电弧弧长较短时,n＝2。m则随电弧半径的增大而分别选择等于0、1和2。c1取值范围为4000～6000，c2取值范围为0.5～1.5，c3取值范围为1.5～3。

由欧姆定律知电弧炉模型中电弧电压u为：

式中g为电弧电导；i为电弧电流，单位a；

由电弧半径和常数项修正系数之间的关系可定义为：

式中g为电弧电导；i为电弧电流，单位a；r为电弧半径，单位为米；m为可变参数，c3为常数项修正系数；

由于所分析的配电网中电弧炉类型为弧长较短，半径稍大型。因此结合实际情况取n＝2,m＝1,则方程(1)为：

解方程(4)，可得电弧炉半径随时间变化的方程为：

式中，i为电弧电流，单位a；c1为高次项修正系数，c2为低次项修正系数，c3为常数项修正系数，cm为对应电弧半径的初值，t为电弧炉运行的时间。

此模型中所选取的电流为流入电弧炉的正弦电流i方程为：

i＝imsin(2πft)(6)

公式(6)中im为流入电弧炉内电流的最大瞬时值，f为配电网中的额定频率，t为电弧炉运行的时间。

将公式(6)带入(5)中可得一个周期内电弧半径的表达式为：

其中，c1为高次项修正系数，c2为低次项修正系数，c3为常数项修正系数，n,m均为可变参数，im为流入电弧炉内电流的最大瞬时值，f表示配电网中的额定频率，t为电弧炉运行的时间。

出于对产生电弧的随机性考虑,本发明在电弧半径上叠加一个噪声。由于人的视觉对8.8hz的电压波动最为敏感,选择白噪声的频率范围为4hz～14hz,在符合白噪声的频率范围内选择一个常量为wnoise,使电弧半径为：

r＝r(t)+wnoise(8)

其中，r(t)一个周期内电弧半径的表达式，wnoise为常量白噪声。

在以上求解电弧半径时假定电弧炉运行的电流是三相平衡的正弦交流电流，半径初始值cm＝0，并把白噪声用一个常量来替代。尽管这样的假定条件与电弧炉随机变化有一定的差别,但若采用统计平均量的方法对电弧炉的运行情况进行表示与分析,那么这样所作的简化，便会给出很有实用价值的计算结果。

(2)svc数学模型

svc装置主要用于对电弧炉负荷的就地补偿和用于对电力系统的无功补偿。svc中的电容器用于补偿感性无功，电抗器用于补偿容性无功，通过控制触发角α来调节电力器件对配电网的补偿电纳的大小，从而实现改变无功补偿中电抗器所补偿容性无功的多少，进而起到对配电网中的电压进行调节作用。

tcr中的等值基波电纳可用下式表示：

式中，α为控制角，xl为电抗器基波电抗，单位ω；

tcr+fc组合型svc的等效电纳为：

式中，α为触发角；ω为电源额定角速度，单位rad/s；ωl＝xl，xl为电抗器基波电抗，单位ω；c为电容器电容，单位f；

通过计算可知，tcr从系统中吸收的无功功率qtcr为：

式中，α为触发角；ω为电源额定角速度，单位rad/s，l为电感，单位h,ωl＝xl，xl为电抗器基波电抗，单位ω；u为svc所连接处的母线电压，单位kv；

电容器在导通时，向电力系统中注入的无功功率qfc为：

qfc＝u²ωc(12)

式中，ω为电源额定角速度，单位rad/s；c为电容器电容，单位f；u为svc所连接处的母线电压，单位kv；

tcr+fc组合型svc向系统注入的无功功率qsvc为fc型svc和tcr型svc二者单独使用时向系统注入的无功功率的代数和，由式(11)和式(12)得：

公式中：α为控制角，ω为电源额定角速度，单位rad/s,xl＝ωl，xl为电抗器基波电抗，单位ω，c为电容器电容，单位f，u为svc所连接处的母线电压，单位kv。

2、在含电弧炉配电网中svc的控制策略

本发明中采用的tcr+fc型svc是由并联电容器组和可控硅控制的电抗器组成。此类型svc与一般并联电容器补偿装置不同的是能够跟踪电网或负荷的波动无功，进行随机性实时补偿，从而维持电压稳定。tcr+fc型svc的三相接线图如图1所示。

根据实际负荷ql的无功变化，来调整基波电抗的无功变化qtcr,当ql变小时，调整触发角使得qtcr增大，反之，当ql变大时，调整触发角使得qtcr减小，总之要通过调节来保证两个数字之和为常数，即ql+qtcr＝k，k为常数。若令qs＝qfc-(ql-qtcr),则qs就表示从电网中获得的无功功率，如果qs为一个常数或者零，那么，滤波器组所发出的无功功率qfc也就是一个常数，由公式(12)可知，此时母线电压便可以保持不变。当母线电压保持不变时，从母线处注入电弧炉的电流值将为幅值近似不变的正弦电流。由于公式(7)中电弧炉半径与电流的关系，知当电弧炉电流为幅值近似不变的正弦电流时，随时间变化的电弧炉半径较未投入svc时相比波动程度明显变小。又由公式(3)可知，若电弧炉半径波动程度变小，那么电弧炉电导值的波动程度将变得很微弱。故对公式(2)中的电弧炉两端的电压而言，因为svc装置可以使公式(2)中的电流与电导的比值趋于稳定值，所以公式(2)中的电弧两端的电压也就被调节至趋于稳定值。此过程达到了无功补偿的目的，从而抑制了因负载变化引起的电压波动和闪变。

用来控制qtcr的可变电抗器，是由电抗器与两个反并联晶闸管串联而成的。通过对晶闸管相位的控制来改变电抗器补偿能力，从而实现改变流过电抗器电流的大小，如此便可连续调节电抗器的电抗无功功率qtcr。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后于电压近似，电流基本上是无功；而在0°～90°之间是由于产生不可接受的、含有直流分量的不对称电流，故α≤90°时一般不做考虑；只在90°～180°之间对相位控制角进行调节，使得qtcr(基波)从100％变化到零。90°时吸收的感性无功最大(即短路功率)，180°时吸收的感性无功最小(即空载功率)。

本发明中在控制晶闸管触发电路上分为同步和触发两部分。第一部分为pll锁相环模块，通过测量母线电压得到θ角，θ是幅值按照输入信号频率从0°～360°连续变化的锯齿波。第二部分为触发脉冲产生模块，由于系统为三相系统，因此采用六脉冲触发模块，该模块h的输入为锁相环pll的输出信号θ，l的输入信号为晶闸管的触发角α1，这样当输入l的触发信号与信号θ上升沿相交时，就会产生触发脉冲信号p。通过判定触发角为α1时产生的补偿电纳和通过实际测量后计算得到的补偿电纳的差值△btcr来调整给定的触发角α1，直到△btcr接近0时，将触发角α送至svc作为其触发角，此时经由svc向电网输入的无功补偿及滤波功能便可实现对含电弧炉的配电网电压波动的治理。控制原理如图2所示。

3、具体实例：

针对辽宁鞍山10kv变电站下的负荷特性，结合鞍山电网的运行实际情况，在前几个章节的理论和设计方法的基础上，通过电网实际运行过程中电弧炉类冲击性负荷对配电网的影响，在66kv处设计了tcr+fc型svc无功静止补偿器。并通过pscad仿真，对svc能够很好地调节配电网的电能质量进行了验证。

3.1电压动态特性分析

以实际电网为例，如图3所示。该电网主要是由220kv经变压器降压至66kv母线处，在经由变压器降至10kv母线处。在10kv母线处连接配网的各种负荷，负荷主要包含电动机负荷、恒功率负荷，恒阻抗负荷等。本发明中将svc无功补偿装置经断路器接在66kv母线上，而电弧炉负荷接入电网则有两种方案。方案一是在66kv母线处接降压变压器后接电弧炉负荷，方案二是电弧炉负荷直接接在10kv配网内。本发明中将对两种方案下电弧炉负荷对电网电压的影响进行分析。

3.1.1方案一

当电弧炉在1.5s时经变压器直接接到66kv母线上时，通过对几个具有针对性的点进行电压的检测，进而显示当电弧炉以方案一的方式接入配电网时对配电网电压的影响。本发明中主要选取66kv母线电压e1，10kv配网中电动机负荷处的电压以及10kv下的另一条变压器下的负荷处的电压e2以及10kv配网中电动机负荷处的电压e3。利用pscad对电网进行模型构建，本发明中所有点电压均以a相电压为例。电弧炉投入前后各点电压有效值的标幺值和瞬时值的标幺值波形如图4所示。

3.1.2方案二

当电弧炉在1.5s时直接接在10kv配电网上时，电弧炉接入前后所选取的三个典型点处的电压有效值的标幺值和瞬时值的标幺值波形如图5所示。

3.1.3比较及分析

对电弧炉未接入电网时各点电压以及通过方案一、方案二接入电网时电网各点电压的大小进行汇总，如表1所示。

表1

通过对典型点处的电压的大小及波形的分析可得，电弧炉无论是以方案一，还是方案二的方法接入电网，都会使得电网电压下降。经比较可知，采用方案二的方式将电弧炉接入电网时会对配网电压产生较严重的影响。采用方案一的方式将电弧炉接入电网时，虽对所选支路下的配网电压影响小一些，但会对配网内的电动机转矩以及10kv母线下的其他配网内的负荷产生较严重的影响。

3.2治理措施

基于上述两种方案下，电弧炉对电网的电压质量所产生的恶劣影响。为了解决此问题，本发明中将采用在66kv母线处接入tcr+fc型svc无功静止补偿装置的治理措施。

当采用方案一时，在2.5s时投入svc，由于svc可以补偿无功，从而可调节配网中电压的大小并使得电动机负荷转距上升，同时由于fc滤波的功能，会使得电压畸变的波形恢复到近似正弦波的波形。具体svc投入前后各点电压的标幺值的波形如图6所示(以触发角为145°时为例)。

当采用方案二时，2.5s时投入svc，投入前后各点电压标幺值的波形如图7所示。对上述两个方案中投入svc时，分别在触发角为120°、135°、150°时测得各点电压补偿后的数据，并对两种方案进行比较，数据如表2所示。

表2

通过pscad软件对实际模型进行仿真搭建，并基于实际配网案例分析，可知电弧炉类冲击性负荷对电网电压的实际影响。通过模拟两种方案下电弧炉接入电网时对配电网电压的动态影响以及在不同触发角下的svc对配网电压的治理情况，得出以下结论：

(1)虽然两种方案下电弧炉接入电网时对配电网的电压波形都带来了巨大的冲击，并且严重影响了电网的稳定。但基于对两种方案的多方面比较，可知电弧炉直接接入配电网内，对配网的电压冲击性更强，危害更大。故采用方案一，即电弧炉经由变压器直接接到66kv母线上对配电网电压的影响更小。

(2)tcr+fc型svc投入含电弧炉的配电网中，通过补偿电网中的无功可以使得配电网内各节点处的电压以及负荷中的电动机转矩都恢复到正常运行时的数值。

(3)通过比较不同触发角下的svc对配网的影响可知，当电弧炉采用方案一的方式接入电网，且svc的触发角为150°时，配网各节点处电压约升为原基准值的1.03倍，因此可知针对含电弧炉的配电网采取投入svc的治理方法是十分有效的。