论文总字数：22484字

摘要

在如今的炼钢行业中，交流电弧炉已经得到了广泛的应用，为了更精确的描述电弧炉的非线性时变特性，研究电弧炉对电网造成的影响，各地的学者根据不同的理论，已经提出来了许多具有一定意义的电弧炉模型.该论文则是利用PSCAD软件，对已经由学者提出的一种电弧炉时域受控电压源模型进行仿真模拟。

在实现该模型的过程中，首先将电弧炉负载的非线性V-I特性曲线简化为三段直线，然后利用线性公式描述这三段直线，接着利用实时消耗的有功功率计算电弧电阻，通过以上公式来建立静态模型。电弧炉的动态模型考虑到了电弧电阻的周期变化和随机变化。电弧电阻的动态变化分别是通过在其上加载正弦变化的周期信号和带限白噪声信号实现的。然后将动态变化的电弧电阻替代静态模型中的电弧电阻，从而建立起动态模型。其中静态模型适用于谐波分析的研究，动态模型适用于电能质量的研究。最后通过将模型模拟仿真得出的结果与从当地电力公司测量的实际电压值比较，仿真结果符合实际测量的电弧电压动态特性，从而有力地证明了该模型的准确性。

关键词：电弧炉，受控电压源模型，有功功率，静态模型，动态模型

A STUDY ON THE MODEL OF

THE ARC FURNACE

Abstract

Nowadays, the arc furnace has been widely used in the industry of steelmaking. In order to describe accurately the nature of the non linear and time-varying of the arc furnace, a lot of scholars have already put forward a number of models of the arc furnace based on different theories about the arc furnace. In this paper, we set up a time domain controlled voltage source model of the arc furnace proposed by other scholars using the software of the PSCAD.

In the process of implementing the model, at the first, we need simplify the non-linear VI characteristic curve of the arc furnace into three straight lines, .And then we should describe the three straight sections using equations. In addition, we calculate the value of arc resistance using the real-time active power consumed by the arc furnace. Then we establish the static model making use of the above equations. The dynamic model of arc furnace takes into account the periodic variation and the random variation. Dynamic changes in the arc resistance may be achieved by respectively loading sinusoidal signal and band-limited white noise signal on the arc resistance. In order to establish dynamic models, we need replace the arc resistance of the static model by the dynamic resistance .The static arc models are useful for harmonic studies, and the dynamic models are useful for power quality studies. Finally, the accuracy of the model is proved by comparing the simulation results with the actual voltage measuring from the local power company.

KEY WORDS: arc furnace, controlled voltage source model, active power, static model, dynamic model

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1课题的背景及意义 1

1.2电弧炉模型的研究现状 1

1.3本文的主要工作 7

第二章交流电弧炉模型的原理 8

2.1电弧炉静态模型的原理 8

2.2动态模型的原理 11

2.2.1电弧电阻周期变化 12

2.2.2电弧电阻随机变化 12

2.3本章小结 12

第三章交流电弧炉模型的建立 14

3.1建立电弧炉模型的流程 14

3.2静态模型的建立 15

3.3动态模型的建立 16

3.4本章小结 17

第四章交流电弧炉模型的仿真分析 18

4.1静态模型的仿真分析 19

4.2动态模型的仿真分析 20

4.2.1电弧电阻叠加正弦信号的动态模型的仿真分析 20

4.2.2电弧电阻叠加带限白噪声的动态模型的仿真分析 24

4.3 本章小结 28

第五章总结与展望 29

5.1总结 29

5.2研究展望 29

参考文献（References） 30

致谢 31

第一章绪论

1.1课题的背景及意义

在当今时代，社会对于钢材的需求非常大，因此炼钢行业发展较快。在炼钢行业中，交流电弧炉的应用越来越广泛，已经在炼钢行业中具备重要地位。之所以交流电弧炉应用的如此广泛，是因为利用交流电弧炉来炼钢具有许多其他类型的炼钢炉所不具备的优点，比如交流电弧炉可以比较灵活的控制炉内温度，从而根据融化不同的金属得到所需不同的温度；能够产生很高的温度，要高于其他种类炼钢炉产生的温度等等。

但是电弧炉在炼钢的过程中也会造成许多问题，会给电网带来很大的困扰，比如因为交流电弧炉的电弧电阻并不是线性的，是不断变化的，从而导致交流电弧炉的电弧电流也在不断变化，而且变化是非常随机的，没有规律的。这种电弧电流的变化就会给电网带来严重问题，比如造成电网电压中会产生谐波，而且电网电压会产生非常大的波动。交流电弧炉引起的这一系列问题会使得电网电压的波形产生非常严重的畸变，使电网事故发生的概率大大增加，给电力工作者和用户带来很大的困扰，甚至威胁生命财产安全。

因此，为了更好的理解交流电弧炉的非线性时变的特性，提高电网的电能质量，解决掉交流电弧炉运行给供电网络带来的危害问题，我们需要首先解决的是对交流电弧炉精确建模的问题。这也是众多电力和冶金行业中的科研工作者一直热切关注的问题。但由于交流电弧炉的电弧变化并没有呈现周期性，而且还是非线性的，并且是随机的变化，这就导致对电弧炉进行精确的建模是相当困难的。一直以来，国内外研究人员根据不同的理论，已经提出了许多种具有一定的意义的交流电弧炉的仿真模型，但是到现在为止，因为建模理论的不同，且都具有一定的事实依据，导致还没有一个可以被普遍接受的交流电弧炉模型。在一开始的时候，因为学者们发现交流电弧炉的电弧变化是随机的，所以大部分模型都是根据随机理论建立的。根据随机理论建立的模型是如今研究最多，最深入的模型，拥有非常好的研究基础。随着时代的发展，研究的进步，有一些学者发现交流电弧炉中存在混沌现象，因此随后出现了许多基于混沌理论建立的模型。这些学者认为混沌理论比随机理论更加贴合电弧炉的本质特性。但是，无论如何，混沌理论如今发展的还不够完善，并没有太多可以直接应用于实际的比较成熟混沌模型，还需时间慢慢完善，慢慢发展。最近这些年来，交流电弧炉的模型的研究进展十分缓慢，或许需要我们找一种新的思路来建立电弧炉模型。

总而言之，如今已有的模型大部分通用性不够，即只适用于特定目的的研究，不能用于多种问题的研究，比如有的只适合用于研究电网的谐波问题，有的只适用于研究电网的波动和闪变现象，有的只适用于研究电弧炉造成的电网三相不平衡问题。目前，还没有模型可以适合更多问题的相关研究。因此，我们今后的研究目标主要是建立一种通用性比较强并且相关参数比较容易确定的交流电弧炉模型。

1.2电弧炉模型的研究现状

为了研究交流电弧炉对电网造成的危害，我们首先要解决的是交流电弧炉精确建模的问题。我们需要根据交流电弧炉的精确模型的仿真得到的结果来分析电弧炉对电网造成的危害程度，还需要根据仿真结果来提出治理交流电弧炉引起的电能质量问题的有效措施。在对交流电弧炉进行建模的时候，我们只需要根据交流电弧炉的外部特性，找到和它的外部特性相一致的元件来代替它，放在仿真电路中进行仿真，然后根据仿真结果，来研究电网问题。根据这种分析理论，各地的学者已经提出了许多具有一定意义的交流电弧炉的模型。

交流电弧炉的随机模型

在一开始对交流电弧炉进行建模的时候，因为学者们发现交流电弧炉中的电弧变化是呈现的是非周期性的特性，而且还是非线性的，并且是随机无规律的，所以在对交流电弧炉建模的初期阶段，建立的交流电弧炉模型大部分都是根据随机理论的建立起来的。其中，在电弧的一些相关的参数上叠加带限白噪声随机信号，使其发生随机变化，来模拟交流电弧炉的动态运行的特性，是一种在利用随机理论建模的时候常用的一种方法。利用随机理论建立模型的方法主要有V-I特性曲线拟合法和经验公式法，其中利用V-I特性曲线拟合法建模的最多。

（1）V-I特性曲线拟合法建模

目前为止，利用交流电弧炉的V-I特性曲线拟合法进行建模是学者中研究最多、最深入的一种方法。各地学者已经根据这种方法提出了许多具有一定意义的交流电弧炉模型。典型的交流电弧炉的 V-I 特性曲线如图2-1所示。从典型的交流电弧炉的 V-I 特性曲线中，我们可以看出此曲线是非线性的，而对非线性的曲线建模还是比较复杂的，因为变化太多，需要考虑的建模因素就会很多，建模难度就会比较大，所以一般都先将曲线进行简化。该方法的基本思路是：首先对交流电弧炉的V-I特性曲线进行简化，将非线性的曲线简化为直线，或者将曲线部分简化到最小，使简化后的曲线可以近似描述交流电弧炉的相关特性即可；然后将交流电弧炉等效成电阻或电压源放置于供电网络中进行仿真模拟。不同的简化方法产生的交流电弧炉的模型是不同的，一般的简化情况主要分为简单三段线性拟合和多段线性拟合，其中利用简单三段线性拟合方法建模的数学关系表达式是：

(1-1)