电弧仿真（共4篇）
电弧仿真 篇1
0 引言
近年来,随着我国国民经济的发展和高新产业的进步,电力用户对供电质量的要求逐年提高。但大功率工业负荷如交直流电弧炉等都给电力系统造成很大污染。作为新兴的FACTS装置,DSTATCOM能够有效解决电弧炉、轧钢机等大型工业负荷对电网的污染,逐渐成为研究的热点和配电系统负荷补偿的重要发展方向[1,2,3,4,5,6]。但由于电弧炉运行的复杂性和随机性,传统建模方法难于对负荷模型、补偿设备、控制策略和补偿效果进行有效的模拟和评估。
为保证实际装置的可靠性,大功率电力电子装置在实际投运前需建立与实际系统结构相同、容量缩小的物理样机模型进行控制器测试,设计周期长、经济成本昂贵。文献[7]给出了一种基于硬件在线闭环测试系统(HIL)的实时数字仿真平台的设计方案。该平台主要采用了高速微处理器技术和并行计算等技术,不受实际系统规模和结构复杂性的限制,保证了研究对象和实验系统的安全性,与物理仿真环节相比,能够加快设计周期,并有效降低开发成本。
根据某炼钢厂交直流电弧炉在炼钢熔化期的三相负荷实际电流,提出了采用现场录波数据的电弧炉负荷实时数字仿真模型,对电弧炉运行时产生的电能质量问题进行全面研究。针对电弧炉所存在的功率冲击、高次谐波、三相不平衡等问题,文中提出了DSTATCOM综合治理方案,并利用DSP、FPGA等微处理器,完成了DSTATCOM实际物理控制器的硬件设计。最后,利用在线测试平台,实现了DSTATCOM物理控制器与实时数字仿真控制平台的闭环工作,验证了所设计补偿方案对电弧炉电能质量问题进行治理的有效性。
1 采用现场录波数据的电弧炉系统实时数字仿真模型
1.1 实时数字仿真控制平台
实时数字仿真平台主要用于实现硬件装置的在线闭环测试(hardware-in-the-loop)。这里通过该平台搭建配电系统电弧炉实时仿真模型。实时仿真平台由控制和仿真2个部分组成,整体结构如图1所示。
图中,仿真器主要模拟实现电弧炉供配电系统模型,包括DSTATCOM装置。其硬件组成与各部分功能见文献[7]。通过A/D,可以对供配电系统中各电量进行采集,以便于计算和分析。系统中电弧炉基于现场录波数据进行建模,以达到对其电气特性的准确描述。
控制器部分由DSTATCOM实际物理控制器构成,完成基于瞬时电流分相补偿方案的脉冲计算。其基本原理是利用参考电流生成PWM脉冲信号驱动开关装置产生补偿电流。补偿电流与负荷电流叠加,使系统三相电流与三相电压垂直,从而实现对功率冲击、谐波电流以及不平衡的补偿[8,9,10,11]。控制器补偿方案具体设计见第2节。
1.2 电弧炉实时数字仿真模型
配电系统电能质量问题,主要由负荷的非线性、不平衡性及动态特性等决定。所以,如何搭建精确模拟实际状况的负荷模型,成为配电系统电能质量问题研究的前提和关键。
而电弧炉作为目前世界各国炼钢的主要设备,它在运行时由于电弧电流受电磁力作用、电极移动以及对流气体的影响而变化剧烈,进而产生剧烈的无功、有功冲击,还造成系统电压的剧烈变化,这些都使得电弧炉对配电系统电能质量影响尤其突出。因此这里将根据交直流电弧炉负荷特点,进行电能质量问题综合治理的研究。
图2所示为电弧炉供配电系统仿真结构图。
交直流电弧炉直接与10 k V配电系统相连接,同时并联接入链式逆变器DSTATCOM,忽略线路阻抗及其他负荷影响。
仿真系统主要参数:10 k V配电系统母线短路容量S=740 MV·A;DSTATCOM容量SDS=50 MV·A;系统等效电抗L2=0.43 m H;STATCOM连接电感L1=2.86 m H;STATCOM等效电阻(损耗)R=0.078Ω;链接直流电容容量Cdc=8 000μF。
采用现场录波数据的电弧炉系统仿真模型是把从冶金工业中实际采集到的三相电流信息作为可控电流源的控制信号,通过合理设置参数,就可以充分反映电弧炉的实际运行工况,达到精确模拟电弧炉电气特性及其对供电系统所带来的影响。
该建模方法简便易行,省去了繁杂的数学推导与工程近似的过程。如图3所示,为交直电弧炉在熔化期三相电流波形。
电弧炉熔化期,由于钢渣熔化、钢液流动等导致电极与炉料之间电弧的极不规则变化,甚至发生两相和三相短路,严重污染了配电系统。此外,直流电弧炉由于整流环节的影响,其谐波含量更加丰富。根据以上负荷电流的不同特点,对于以交/直流电弧炉为主要负荷的配电系统电能质量问题的综合治理,主要集中在4个方面:无功补偿和功率因数校正;不平衡度补偿;消除谐波电流;实时动态补偿。
2 DSTATCOM补偿方案设计
针对电弧炉负荷电能质量问题,DSTATCOM控制器采用瞬时电流分相控制的方案对无功冲击、谐波电流等进行综合治理。瞬时电流分相控制具有动态响应速度快、补偿效果好的特点。其基本原理就是根据负荷电流的特点,计算产生动态补偿参考电压,并以此作为功率开关器件的控制信号,生成实际补偿电流对配电系统负荷进行补偿。由于DSP等微处理芯片的高速运算性能,瞬时电流分相控制方案能够实时响应电弧炉负荷的暂态变化,并实现三相分立控制。系统电流方程见式(1),其中isx为DSTATCOM补偿后系统电流;iLx是电弧炉负荷电流;istax为DSTATCOM补偿电流。而瞬时电流分相控制就是针对负荷电流中的基波和谐波补偿电流进行实时计算并补偿,从而有效抑制污染[12]。
所设计的DSTATCOM补偿方案主要包括由补偿参考电流的检测(包括基波和谐波)、直接电流控制及PWM控制3个部分组成。下面分别进行介绍。
基波补偿电流的检测主要针对无功冲击和三相不平衡进行补偿。基波补偿电流检测环节的工作原理为:通过对三相负荷电流iLa、iLb、iLc进行双d-q变换,得到负荷电流的正负序d、q轴分量:iL,P d、iL,Pq、iL,Nd、iL,Nq。其中,仅iL,Pd为负荷电流中的对称有功分量,其余3个分量都将引起负荷的无功需求及三相不对称。通过电纳补偿原理可以计算得到基波补偿参考电流,计算公式如下[12,13,14]:
谐波补偿电流的检测分为2个过程:谐波幅值、相位信息的提取、谐波补偿参考电流的生成。对于需要补偿的n次负荷谐波,设其为Icos(nωt+α),通过乘法器得到其幅值、相位信息以及倍频分量,如式(3)所示。
经过低通滤波得到n次谐波幅值A=Icosα/2,B=I sinα/2,再通过乘法器即可生成n次谐波补偿参考电流,如式(4)所示。
通过需要补偿的特定次谐波参考电流irn与基波补偿参考电流irq,就可以计算产生瞬时参考电流。通过直接电流控制的方法,可以计算得到瞬时参考电压信号ucar、ubcr、uabr。
文中PWM控制方案采用基于载波移相的空间矢量PWM调制方法(SVM-PWM)。它具有便于实时控制和电压利用率高的优点,通过载波移相后可以更好地消除低次谐波,是一种优越的PWM方案[3,4,5]。通过参考电压信号ucar、ubcr、uabr,可利用SVM-PWM控制方法计算生成功率开关器件的驱动信号,对系统进行补偿[14]。
3 基于现场录波数据的电弧炉补偿系统仿真分析
3.1 交流电弧炉仿真
根据交流电弧炉负荷电流的特点,主要研究其引起的无功冲击和三相严重不平衡的问题。利用实时数字仿真控制平台,可以实现控制器对DSTATCOM装置进行控制的数字模拟。图4所示为链式DSTATCOM补偿后系统三相电流。
从图中可以看出,经过DSTATCOM补偿,负荷电流的不平衡分量得到改善。图5为DSTATCOM环内电流in及其向系统注入的有功Pin、无功Qin示意图。可以看出,DSTATCOM的核心功能之一,即是跟踪负荷电流的瞬时变化特性,实时进行无功补偿,提高系统功率因数。
图6为经过DSTATCOM补偿后,p点(见图2)的功率分布与交流电弧炉本身的功率需求。从图中可以看出,负荷本身的无功功率QL需求在电弧炉熔化期变化剧烈,最大无功需求接近15 Mvar。经过DSTATCOM补偿后,系统发出的无功功率Qs始终接近0,功率因数λ也从0.6提高到接近1.0。
如第3节所述,负荷电流的严重不平衡主要是由正序无功分量(q轴分量)iL,Pq、负序d、q轴分量iL,Nd、iL,Nq引起的。负荷电流及系统电流的序分量结果如图7所示。
从负荷电流(实线)可以看出,除正序无功分量外(幅值约1.8 k A),其负序无功分量较大(幅值约为±0.8 k A)。这就成为负荷三相电流严重畸变的关键所在。而通过DSTATCOM的补偿,系统电流中除正序有功以外的其他序分量(虚线)都几乎补偿到0。从而大幅度降低了系统电流的不平衡度。
3.2 直流电弧炉仿真
对于直流电弧炉负荷,在无功补偿方面与交流电弧炉类似,图8给出了DSTATCOM补偿后系统三相电压与三相电流的相位关系,从电压与电流相位的同步可以看出,由负荷引起的无功冲击已被很好的补偿。因为直流电弧炉的结构特点,不存在不平衡补偿的问题。
图3(b)中给出的直流电弧炉三相电流,其300~380 ms的局部放大如图9所示。可见由于整流电路的影响,三相电流中具有丰富的高次谐波分量。表1给出了负荷电流中主要谐波分量的幅值及含量。从表中可知,应主要针对直流电弧炉中的5、7、11、13次谐波电流进行补偿。
图10给出了DSTATCOM补偿后从实时数字仿真控制平台AD模块所采集到的系统电流波形。
从图中可以看出,除高次谐波外,波形质量得到明显改善。对直流电弧炉负荷电流和系统电流分别进行频谱分析,可以看出相应的5、7、11、13次谐波得到了很好的抑制。补偿后系统电流与负荷电流的谐波分量对比如图11所示(n为谐波次数)。
以上DSTATCOM控制器采用了瞬时电流分相控制,具有很快的动态响应速度,对负荷突变的响应速度约10 ms。
4 结论
提出了采用现场录波数据的交/直电弧炉负荷实时数字仿真模型。通过详细研究交直流电弧炉引入配电系统的各类电能质量问题,设计了链式DSTAT-COM的综合控制方案。然后利用在线测试平台,将DSATCOM实际物理控制器与电弧炉配电系统实时数字仿真控制平台相连接。通过对仿真平台输出的各电气指标进行计算和分析,验证了控制器的设计方案对交直流电弧炉所引入的无功冲击、不平衡以及高次谐波等污染进行补偿的有效性。同时,也从侧面证实了实时数字仿真技术能够有效模拟配电系统物理样机模型,从而缩短了DSTATCOM物理控制器的设计周期,并能显著降低工程项目的开发成本。
摘要：基于实时数字仿真技术和交直流电弧炉现场录波数据建模方法,搭建了配电系统电能质量问题仿真控制平台。通过该平台对电弧炉负荷进行了详细研究,对其产生的电能质量问题进行分析。针对电弧炉负荷所引入的功率冲击、谐波电流、三相严重不平衡等问题,以电能质量综合治理为目标,设计了DSTATCOM控制方案,达到对电弧炉电能质量问题进行补偿的目的,并利用DSP、FPGA等微处理芯片,完成了DSTATCOM物理控制器的硬件设计。通过实时数字仿真平台与DSTATCOM物理控制器的闭环工作,对电弧炉系统补偿后各电量指标进行了对比和分析,验证了所提控制方案的有效性。
关键词：电能质量,静止同步补偿器,电弧炉,实时数字仿真
电弧仿真 篇2
电弧效应是所有电气系统设计时必须面对和解决的问题[1]。根据不同电气系统的运行特点, 电弧大致可以分为交流电弧与直流电弧两类。其中, 直流电弧因并没有交流电弧有自然电流过零的特性, 其电弧效应产生的危害和隐患甚至会更大。尤其在民用飞机领域, 存在大量的直流开关设计环节, 因此直流开关回路的设计质量, 极大的影响着整个飞机电气系统的可靠性和稳定性。因此, 直流电弧开关电弧效应, 长久以来都是民用飞机电气设计人员研究的痛点和焦点所在。
所以为了规避直流开关电弧效应, 对民用飞机电气系统造成不利影响, 在民用飞机直流开关回路设计过程中, 有必要对直流开关电弧效应进行软件建模, 分析其造成的影响程度大小, 并结合系统设计特性, 给出相应的改进方案。
1 直流开关电弧效应国内外研究现状
在电弧物理数学模型研究领域, 国外研究人员早在1939年, 就提出了最初的凯西 (Cassie) 模型。Cassie模型数学机理是将电弧燃烧熄灭的物理过程, 等效为一个动态的随输入电压、输入电流波动的动态电阻, 将其代入所涉及回路中进行数学运算, 最终得到电弧在回路中的运行特性。该模型对电弧的诸多物理参数进行了假设, 可以对交流电弧进行一定程度定性、定量的分析。但是其不能体现直流电压与直流点就对电弧动态特性的影响, 因此对直流电弧的适应性相对较差。
在Cassie模型的基础上, 针对开关直流电弧的特殊性, 国外研究人员进一步提出了梅尔 (MAYR) 电弧模型。MAYR电弧模型, 假设电弧在确定的圆柱形气流通道内放电, 假定圆柱体在电弧放电时间段内体积恒定, 直径不变。以开关断开瞬间, 回路的剩余能量为初始条件, 能量的传到是利用空气电离的特性常数, 对开关电弧从产生、持续最后熄灭的过程进行数学解析, 最终拟合得到开关电弧持续过程中的电压电流曲线。MAYR模型目前已经在直流开关电弧效应的研究中得到了广泛的应用, 是目前比较成熟的电弧模型。
随着20世纪90年代以来计算机仿真技术的飞速发展, 研究人员开始考虑将电弧的物理数学模型与计算机仿真软件有机结合。利用计算机的强大计算能力, 辅助进行电弧这一非线性电气现象的研究。其中, MATLAB/SIMULINK软件作为一款相对成熟的电气仿真软件, 以其强大的模块化电气接口、优异的数学运算速度, 一直以来受到了相关设计人员的广泛青睐。因此, 本文以MATLAB/SIMLINK为仿真环境, 利用MAYR电弧数学模型, 对民用飞机28V直流开关回路电弧效应进行建模, 并给出初步仿真分析结果。
2 基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真分析
本文所构架的基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真模型如图1所示。在主回路中, 供电电源采用飞机28V直流电源, 在电源输入端串入电感, 模拟飞机线路中寄生电感以及阻抗参数。主回路负载是单个直流步进电机阀门, 因该模型是研究直流开关电弧效应, 所以无需对负载侧的控制策略做完整的模拟, 仅需将电机以及控制部分模型简化为如图1所示的等效电感、电阻和电容模块。开关电弧模型在图面显示上示意为一个开关式样, 内部封装了基于MAYR模型的电弧数学模型, 主旨建模思路是将开关关断瞬间, 负载侧电感电容储存的瞬态能量值作为MAYR模型的输入, 根据所假设直流电弧的物理参数, 对电弧运行时电压电流特性进行测算。
本文基于该仿真模型, 对28V步进电机阀门负载关断时开关电弧效应进行了仿真, 仿真结果如图2所示。初始电源电压都加载在负载侧, 开关本身视作无电阻导线, 不承受电压。在0.02S时, 开关开始由开通转为关断状态, 由于步进电机绕组的电感电流无法突变, 电感上存储了一定量的电感能, 因此在关断瞬间产生了约80V的反电势, 反电势与电源电压一起由开关关断所产生的电弧承受。此时, 开关在硬件接触上, 已经从回路断开, 但是由于电感能量泄放需要, 开关触点之间拉出电弧, 电弧电流在极短时间内, 随着反电势电压的下降而减小, 最终电感电流通过电弧释放完毕。
3 结语
本文基于MAYR电弧数学模型, 以及MATLAB电气仿真环境, 搭建了基于民用飞机直流开关关断时产生的电弧回路仿真模型, 并进行了初步仿真。通过仿真结果可以看出, 在负载侧存在感性元件的情况下, 开关关断瞬间, 会产生四五倍电源电压的反电势电压, 随着电感能量的释放, 开关电弧所承受的电压和电流, 经过极短时间下降到稳定值。在此期间, 电弧放电能量, 随着航线运营时间的增长, 开关作动次数的增加, 必然会对直流开关造成不可逆的影响。因此, 有必要设计缓冲回路, 对开关电弧能量释放过程进行优化, 从而延长民用飞机直流开关使用寿命。
摘要：本文首先介绍了民用飞机控制板开关运行过程中电弧效应对系统可能造成的不良影响, 以及电弧效应的国内外研究现状, 然后基于MATLAB/SIMULINK仿真环境, 建立了基于MAYR方程的仿真模型, 对开关电弧效应进行仿真验证, 并给出初步分析结果, 最后验证分析结果的有效性。
关键词：开关电弧,MAYR,仿真分析
参考文献
[1]齐郑, 杨以涵.中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析[J].电力系统自动化, 2004, 28 (14) :125.
电弧仿真 篇3
近年来,全国范围火灾事故频发,公安部消防局公布的2013 年全国共发生388 821 起火灾,直接经济损失48 亿4 670. 2 万元,全年2 113 人死亡,给社会和人们带来了巨大的危害和影响,其中电气火灾成为主要杀手,超过40% 的火灾由电气设备或线路引起[1]。
在电气火灾的发生原因中故障电弧是主要的致灾原因,住宅内电气线路和设备( 插座、家用电器) 存在不良的电气连接或内部线路由于长时间的过负荷运行等情况,使电线出现绝缘层老化,绝缘效果降低,都可能发生故障电弧,故障电弧易引燃线路或周围可燃物造成电气火灾的发生[2]。发生故障电弧时,负载电流通常是非常小的,小于目前电力系统特别是广泛安装在低压配电领域的设备的过电流保护设定值,线路发生故障电弧不在保护的范围之中[3]。
要检测故障电弧首先需检测到电弧,然后考虑如何判断是否为故障电弧。目前,国内外电弧检测的方法大致可以归纳为3 类: ①建立电弧模型,并通过检测相应的参量检测电弧; ②根据电弧发生时所产生的物理现象,如弧光、噪声、辐射、温度变化等检测电弧; ③根据电弧发生时的电流、电压波形变化检测电弧[4]。
在配电网中,有许多的负载,研究人员不可能在每一个负载处都安装电流检测装置,只能在配电网的母线上安装电流检测装置,需要通过母线上的电流波形来判断该配电网是否有发生电弧故障,并进一步判断该电弧是否会引起电气火灾。
针对这种情况,本研究提出一种基于人工神经网络的数据分析方法,通过对母线电流波形的分析,得到故障发生处电弧的发热量,进而来判断是否会引起电气火灾。一旦其发热量大于其发生火灾的临界值,就可以通过智慧式安全用电平台来通知安全用电人员或用户,减小发生电气火灾的可能性。
1电弧故障仿真模型
1. 1 电弧数学模型
目前常用的电弧模型有Mayr模型,Cassie模型和Stokes模型等[5],Mayr模型假设电弧具有一个圆柱形气体通道的形状,其直径是恒定的,从电弧间隙散出的能量是常数,能量的散出是依靠热传导和径向扩散的作用,Cassic认为,电弧具有圆柱形气体通道,其截面有均匀分布的温度。这条通道有明确的界限,即直径,直径以外其阻抗相当大。如果通过这个电弧通道的电流发生变化,其直径也随之变化,但温度不变,即认为电弧的温度在空间和时间上都是不变的。对于低电阻电弧的数学模型,Cassie模型是较合适的。
电力系统发生短路时,故障点通常会出现电弧。简化的实验电路如图1 所示。
图1 的电压方程为:
式中: us— 电源电压; R,L— 负载电阻和电感; u— 电弧电压。
本研究采用的是Cassie电弧故障模型,Cassie电弧模型假定在大部分时间里,电弧电压为常数。模型方程式如下:
式中: τ—Cassie方程中定义的电弧时间常数; g— 电弧电导; u— 电弧电压; Uc— 电弧电压常量,即沿着主弧柱的单位长度电压降,与电弧电压无关[6]。
电弧电压计算公式为:
式中: i— 电弧电流,g— 电弧电导。
这样,i,g和u 3 个未知数可以由式( 1 ~ 3) 解得。
1. 2 故障电弧仿真波形分析
故障电弧仿真模型系统如图2 所示。
Cassie模型仿真参数设置为: 电源电压有效值us= 220 V,频率f = 50 Hz,电弧时间常数 τ = 2. 25 × 10- 4s,电弧电压常数Uc= 50 V,负载电阻R1= 30 Ω,电弧电导初值g( 0) = 1. 17 × 10- 4S[7]。电路在0. 00 s发生电弧故障,仿真时间为0. 08 s。仿真得到的电弧故障的电流波形如图3 所示。其电压曲线如图4 所示。
通过上面的波形可以发现故障电流在每半个周期都会出现电流接近零的区域,习惯上称之为“电流零区”,这是由于故障电弧在电流过零前后会有熄灭和重燃的过程,故障电流通常是零星间歇出现的,“电流零区”的出现使得交流电流每半个周期都会出现突变现象,并且包含有高次谐波,对于串联故障电弧,由于电弧存在压降,故障电弧发生时,电流值比无故障时略小一点。此时电弧电压波形近似于方波,在“电流零区”处,电压也发生了畸变,引起了高频分量[8]。
1. 3 电弧波形的傅里叶变换
为了计算故障电弧产生的发热量,本研究用傅里叶变换[9]对电流电压波形进行处理。采用的是5 阶傅里叶的变换,其基本形式为:
1. 4故障电弧发热量分析
考虑到故障电弧是否会引发电气火灾,本研究将采用故障电弧单个周期内的故障电弧发热量来作为一个判断依据,故障电弧发热功率公式为:
式中: P0— 电弧发热功率,Uc— 故障电弧电压常数,g— 电弧电导。
据此本研究计算出一个周期内的发热量为:
式中: Q— 一个周期内的发热量; P0— 电弧发热功率;T— 一个周期的时间,T = 0. 02 s。
2基于神经网络的电气火灾预测
2. 1 神经网络参数设置
在实际配电网电路中,无法测量故障点的很多电气信息( 如故障电压、故障发热量等) ,研究者需要通过智能算法,根据能够测量到的电流信息,去推算得到故障处的单个周期发热量信息,从而判断出故障处是否会引发电气火灾。
采用智能算法去预测电气火灾,通常有模糊处理、神经网络算法、多信息融合等多种处理方式[10],本研究采用的是人工神经网络算法,首先通过仿真Cassie电弧模型得到故障电流的波形,经过傅里叶变换处理为5 阶代数表达式,其基波的频率为50 Hz,即 ω =100 × π,其中的11 个参数可以作为神经网络的输入,神经网络的输出为故障电弧单个周期内电弧发热量。
本研究通过设置不同的故障电弧电压常数,不同的负载电阻进行仿真实验。得到在不同情况下,故障电弧电压和电流的波形,并通过式( 6) 得到单个周期内的发热量。在得到一系列的实验室电气火灾数据之后,开始对数据进行处理分析。
首先,笔者利用傅里叶分解得到电流电压波形的代数表达式,为了提高模拟的精度,这里本研究采用的是傅里叶5 阶模型,通过傅里叶变换我们得到故障电流代数式的11 个参数。其次,本研究在得到仿真数据后,将其中1 000 组作为训练数据,1 000 组数据作为检验数据。笔者将这2 000 组数据进行归一化后进行神经网络分析,2 000 组数据中,电流数据作为输入数据,单个周期线路的发热量为输出,是一个11 个输入单输出的神经网络结构,本研究设定了一个3 层的神经网络结构,节点传递函数为正切S型传递函数tansig,训练函数为动量反转和动态自适应学习率的梯度下降BP算法训练函数trainlm,隐含层节点数分别为20 和20[11]。在训练39 次之后达到训练要求。
其中1 000 组测试数据的误差平方和为0. 621 4,最大误差为0. 341 1。1 000 组数据的误差如图5 所示。
2. 2 神经网络训练结果分析
本研究通过设定一个发热量的一个安全值,认为单个周期的发热量低于该安全值时,虽然出现了电弧故障,但是不至于会引起电气火灾,当计算得到的单个周期的发热量大于该安全值时,认为可能会引起电气火灾,需要将预警信息发送出来。
在实验中本研究暂定单个周期发热量为25 J( 该值为笔者假定的值) 以上时,故障电弧会引发电气火灾。在实际配电网中,该临界值需要根据实际情况去进行相应的修改,通过实践分析来得到一个更加符合当地情况的临界值。所得到的情况如表1 所示。
结合图5 和表6 可以发现,1 000 组数据中误差大于0. 05 的有25 个,占2. 5% 。但考虑到计算得到的发热量,是否会引发电气火灾时只有2 组出现了误判,因此可以通过神经网络计算得到的结果来预测故障电弧是否会引发电气火灾。
3智慧式用电安全管理服务平台
智慧式用电安全管理服务系统是一种用电安全隐患监管工具,能实时“在线”监测导线温度、电流等,及时提醒或者通知安全管理人员事故点,并且能够根据一段时间的历史数据进行分析,大幅度降低火灾等涉电事故发生的几率,从而大大提高用电安全监管水平,做到防患于未然[12]。
用电安全智能传感终端安装在电气柜上,实时采集电气线路的电流波形,并通过无线方式把数据发给管理平台。管理平台通过分析计算判断电气线路是否出现电气火灾隐患,若出现,则可以快速反馈给用户或安全管理人员,从而达到预警的作用[13]。
综上,本研究提出了一种能够简单预防电气故障电弧引发电气火灾发生的方法,并且能够支持远程监控。笔者在线路附近安装一个电流检测器,检测线路的电流波形,并通过一个智能传感器终端将数据传入数据中心,数据中心通过对于电流数据进行分析,通过神经网络分析计算出单个周期的发热量,本研究将这个发热量与之前设定的引发电气火灾的安全值进行比较分析,一旦其发热量大于安全值,认为该处可能有故障电弧,并且会引起电气火灾。同时将火灾信息第一时间反馈给监控中心,从而能够第一时间去预防电气火灾的发生。
4结束语
本研究提出的基于故障电弧模型的电气火灾智能算法很好的解决了具体故障点电气信息难以测量的问题,我们通过线路的电流值来得到故障电弧的信息,从而判断是否会引起电气火灾。
电弧仿真 篇4
随着工业的发展,对电能的需求越来越大,对电能质量也提出了更高的要求。其中最常见的电能质量问题之一是由电弧炉、轧钢机、电力机车等特种冲击负荷引起的电压闪变。电弧炉在其熔化和精炼过程中,可产生不平衡的、含有大量谐波和无功分量的负荷电流,引起连接点母线电压产生不平衡和闪变,对公网的正常运行造成了极大的危害[1,2]。目前常采用静止无功补偿器(Static Var Compensator-SVC)来解决此类电能质量问题。SVC不仅可以提高设备临近区域的电能质量,而且还可以提高电弧炉生产效率并带来更好的经济效益。但是,SVC抑制低频(1 Hz～20 Hz)快速闪变的能力是有限的。
采用更具灵活快速控制特性的STATCOM是目前最佳的解决方案。STATCOM可以在几千赫兹的频率下正常工作,并可在几百赫兹范围实现闭环控制,而其响应时间远远少于一个周期。如果STATCOM与储能单元连接,还可以提供实时有功功率的补偿,而这些都是SVC遥不可及的。
现对一种用于补偿电弧炉的STATCOM提出了滞环电流控制策略,通过对电弧炉的V-I特性采用分段线性逼近的方法建立时域模型,并对所提出的控制方法及模型进行仿真研究,验证其正确性和有效性。
1STATCOM—电弧炉补偿系统模型
STATCOM—电弧炉补偿系统原理如图1所示。电弧炉通过电磁接口与电网相连接,当系统运行时,时变负载(电弧炉)会在公共连接点引起的电压波动或闪变,一个三相两电平STATCOM接入电网对一个时变电弧炉负荷进行补偿。
电弧炉的生产过程是一个复杂的动态过程。对电弧炉补偿进行研究,需要有真实有效的电弧炉仿真模型[3]。在仿真研究中有多种方法建立电弧炉模型,如不对称连接的电阻与电抗器构造的非线性负荷模型,根据电极电弧放电特点建立的谐波积累模型,采用随机数发生模块构造的电弧炉模型等[1,4]。这些模型在一定程度上反映电弧炉负荷的特点,但与实际电弧炉负荷仍存在较大差别,难以全面展现电弧炉负荷给系统带来的电能质量问题。现以电弧炉V-I特征曲线为基础,通过对其进行分段线性化逼近来近似产生时域模型。图2为电弧炉实际V-I特性曲线及其分段线性逼近曲线。燃弧电压vig和灭弧电压vex由电弧炉操作产生的弧长决定。
电弧炉熔炼过程分为三个阶段(图2):第一阶段是燃弧过程,电压沿曲线弧BOD从灭弧电压-vex上升到燃弧电压vig,电弧电流从-i3上升到i1,电弧炉呈现电阻特性。第二阶段是电弧熔炼开始过程。电压沿曲线弧DC从vig突降至vst,电弧电流从i1增加到i2。第三阶段是稳态电弧熔炼过程。电弧电压沿曲线弧CO线性缓慢光滑地下降到vex。可用式(1)和式(2)来分段描述电压上升过程和下降过程变化。图3为基于电弧炉V-I特性的分段线性化曲线。
式中,R1,R2与R3为每一部分对应的斜率:i1=vig/R1;iT=1.5i1;i2=3i1i3=vex/R1
2STATCOM控制策略
2.1参考信号生成
STATCOM的参考信号通过同步参考坐标法产生。在此方法中,实值电流被转化到同步参考坐标中。同步参考坐标与交流电压以相同的频率旋转,d-q坐标电流可由瞬时有功电流和瞬时无功电流组成,可通过低通滤波器分离交、直流电流[5]。式(3)和式(4)分别为瞬时有功电流与瞬时无功电流。
图4为参考控制信号发生器结构框图。图5为按照上述方法产生的
2.2滞环电流控制
使用滞环电流控制是降低STATCOM输出电流谐波含量的一种有效方法。滞环电流控制中,开关器件根据连续检测STATCOM电流与参考正弦电流的差异而进行快速切换,其开关信号通过比较电流误差信号与固定滞环宽度获得。滞环电流控制器结构简单, 鲁棒性好,但普通的滞环电流控制器的开关频率在很大程度上依赖逆变器输出电流和交流侧电压的变化, 存在滞环宽度设置困难及逆变器的保护实现困难[6]。
对于滞环电流控制来说,将输出相反馈电流与参考电流Iref进行比较,通过确定参考电流的容许带宽来确定输出电流的纹波大小。若相电流超过了容许上界,则高位开关开启,低位开关关断,反之亦然。相应的开关信号发生器结构框图如图6。
3仿真结果及分析
3.1无STATCOM条件下仿真结果
在前文中指出,由电流
3.2有 STATCOM补偿条件下仿真结果
STATCOM接入系统后可根据参考电流的变化对系统进行有效的补偿。图11—图14显示了接入STATCOM条件下
4结语
对电弧炉—STATCOM补偿系统提出了参考信号不受电压不平衡或电压失真影响的滞环电流控制策略,对电弧炉实际V-I特性曲线采用分段线性逼近的方法建立了其数学模型,并对所提出的控制方法及模型进行了仿真研究,验证了其正确性和有效性。结果表明系统具有结构简单、鲁棒性强,达到了改善电能质量的效果。
摘要：在冶金工业中使用的电弧炉可引起电网三相负荷不平衡,产生谐波引起电流闪变,严重影响电网电能质量。静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator—STATCOM)因其具有快速响应的特性而成为电弧炉负荷动态补偿的理想选择。现对一种用于补偿电弧炉的STATCOM提出了滞环电流控制策略,通过对电弧炉的V-I特性曲线采用分段线性逼近的方法建立时域模型,并在MATLAB/Simulink中进行了仿真分析。仿真结果表明所提出的控制策略易于实现,且有效减少谐波,达到了改善系统电能质量的目的。
关键词：静止同步补偿器,滞环电流控制,电压闪变,电弧炉,电能质量
参考文献
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