电弧炉的谐波危害与软件仿真研究.pdf
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1、SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯动 力 与 电 气 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯电弧炉的谐波危害与软件仿真研究冯健男(国能辽宁环保产业集团有限公司东陵污水处理厂 辽宁沈阳 110000)摘要:电弧炉非线性负荷的特点会伴随谐波的产生,给配电网带来极大的谐振风险,严重威胁电网的安全运营以及用电设备的安全运行。在详细分析了电弧炉谐波的危害的基础上,通过研究电弧炉状态方程,基于MATLAB软件开发设计了电弧炉谐波仿真软件,进一步地对电弧炉仿真算法程序计算结果进行了可视化处理,增加了仿真软件的可视性,以期更
2、好地分析与治理电弧炉对电网带来的危害。关键词:谐波 电弧炉 MATLAB 仿真软件中图分类号:TM711文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2023)20-0058-04Research on the Harmonic Harm and Software Simulation of Electric Arc FurnacesFENG Jiannan(Dongling Sewage Treatment Plant,State Grid Liaoning Environmental Protection Industry Group Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning
3、Province,110000 China)Abstract:The characteristics of the nonlinear load of the electric arc furnace will be accompanied by the generation of harmonics,which will bring great resonance risks to the distribution network and seriously threaten the safe operation of the power grid and the safe operatio
4、n of electric equipment.Based on the detailed analysis of the hazards of the harmonics of electric arc furnaces,by studying the state equation of electric arc furnaces,the harmonic simulation software of electric arc furnaces is developed and designed based on MATLAB software,and the calculation res
5、ults of the simulation algorithm program of electric arc furnaces are further visualized,which increases the visibility of simulation software,in order to better analyze and control the harm caused by the electric arc furnace to the power grid.Key Words:Harmonic wave;Electric arc furnace;MATLAB;Simu
6、lation software随着工业的飞速发展,电弧炉作为一种冶炼金属的设备,被广泛应用于金属冶炼领域中,为工业的发展注入了动力与活力。而电弧炉在为现代化工业注入动力与活力的同时,由于其非线性负荷的特点,对电网系统所造成的谐波危害也日益突出1。谐波、电压的畸变将导致电弧炉电能质量的变化,可通过能量测试法对电弧炉工作过程中的能量进行实时监测2-3。除了监测电弧炉工作过程中能量之外,对电力系统中谐波的评估方法也引起了诸多学者的关注,朱四维等人4针对现有电力系统谐波评估方法的不足,结合相对应的功率理论提出了一套适用于非正弦不平衡条件下新的谐波与不平衡污染程度评估指标。王红君等人5通过理论计算和数值
7、仿真结果验证了在电弧炉不同的工作阶段注入不同结构的滤波器能够实现对谐波较好的过滤效果。电弧炉由于非线性负载的特点对配电系统带来了谐波振动的风险,科学而有效地分析电弧炉对电网谐波的影响的方法,一直以来都是国内外学者研究的焦点。由于谐波对供电系统和用电系统的危害,结合现有电力系统仿真软件没有电弧炉的模型的现状,基于DOI:10.16661/ki.1672-3791.2304-5042-0474作者简介:冯健男(1994),男,本科,助理工程师,主要从事电力系统方向有关工作。58SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 动 力 与 电 气科技资讯SC
8、IENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONMATLAB软件建立了电弧炉模型,并开发设计了电弧炉谐波分析软件,以实现更好地分析和解决电网受电弧炉非线性负载的影响。1 谐波的危害谐波作为电力系统的主要危害之一,严重影响着电力系统与用电设备的安全。在电力作为主要能源与动力的今天,我国实现了电力的全覆盖,家家户户和各种工业厂房都离不开各种用电设备与工业设备。然而电力系统中谐波危害也日益突出,受谐波危害的案例比比皆是6-8,关于谐波的危害也得到了越来越多专家和学者的重视。谐波的危害可以分为两个方面:一方面,可导致电网发生畸变,不仅导致电能的利用效率降低,并且还将严重影响电能的生产效率与传输
9、效率,从而降低电网中电能的质量9;另一方面,则主要表现为对用电设备的间接影响10-11,用电设备作为电网电能输送的终端,电网的畸变将直接作用于用电设备,导致用电设备产生过多热量,并伴随有振动与噪声的发生,这将严重危害到用电设备的使用寿命,更严重的情况将导致设备发生故障甚至烧毁。2 电弧炉谐波产生机理电弧炉通过电弧将电能转化为热能从而实现融化和冶炼金属的目的,目前,依据电弧作用方式的区别可将其分为矿热炉、直接加热式和间接加热式3种。电弧的产生主要依靠电弧炉上两个电极,两个电极的正常工作电压范围一般在100600 V,两个电极之间电弧的电压降为12 V/cm,并且电弧电压降值与电弧长度成正比。电弧
10、炉内电压在熔化期不同时间段电压值不同,最高时的电压相比最低时电压差可达到25倍。由于电弧炉存在非线性特征,以及电弧电流存在正、负半周期不对称的特点,导致在熔化期电弧炉将伴随有谐波电流的产生。另外,电弧电流变化具有非周期的特点,因此,除产生离散频谱外,电弧炉也将伴随有连续频谱分量的产生。电弧炉在额定范围内工作时,电弧炉电弧作用于冶炼部位导致负载的电流发生形变。正是由于电弧存在一定的阻抗作用,进而可将其等效为纯电阻,该电阻具有在电弧阶段时其电阻值为无限大,在短路时电阻值为零的特点。交流电的作用使电弧炉内断弧和燃弧的现象重复出现,并且电弧在每当电流通过零点时重新点燃,在每当功率的因数超过0.9时,电
11、弧将被截断。通过统计学原理可实现对以上电弧的短路和截断现象进行评价。电弧的短路和截断的重复作用不仅会造成电网中出现断续电流,并且还会伴随有不平衡电流和半波不平衡电流的产生,也进一步导致电网中不同相位、不同时段的功率随之变化,有功率和无功率的工况交替出现,引起电网中谐波出现,进而电压发生畸变。所有接于电网中的用电设备将会受到电网电压改变的影响,由于电弧炉的非线性负载特性,因此电弧炉将造成电网的环境污染。通常情况下,当电网中短路功率小于电弧炉功率的80倍时,设计与技术人员必须采取一定的合理有效的手段加以抑制。3 谐波影响算法研究与分析软件设计3.1 电弧炉模型与状态方程3.1.1 电力系统中不同谐
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