具有动态补偿功能的新型电弧炉供电系统研究

摘要

交流电弧炉在金属冶金行业中有着广泛的应用。设备运行时具有低压、大电流和负荷动态变化等特点，且存在功率因数低、谐波含量大、三相负荷不平衡等电能质量问题，还可能导致电网电压的波动和闪变。传统的固定式补偿方式不能适应交流电弧炉的运行特点。本论文提出一种新型电弧炉供电系统，该系统将STATCOM装置与感应滤波变压器相结合，能较好地解决目前所存在的问题。本论文所做的主要研究工作如下:
　　(1)对电弧炉供电系统本身的工作原理与运行特性作了比较详细的分析，建立了一种便于电能质量问题分析的电弧炉混沌模型，从更深层面得出了电弧炉产生电压波动与闪变、谐波等电能质量问题的本质原因。
　　(2)针对传统电弧炉存在的电能质量问题，本文提出了一种具有动态补偿功能的新型电弧炉供电系统的拓扑结构，详细分析了其工作原理及系统结构特点，重点对感应滤波变压器及STATCOM的运行机理进行了分析。
　　(3)对新型电弧炉供电系统中STATCOM装置进行有效控制是实现其动态补偿功能的关键，而实现STATCOM的基本功能必须对系统电压和电流进行精确检测。本文阐述了系统电流、电压的传统检测方法，尤其是对基于瞬时功率理论的检测方法p-q法与ip-iq法进行了详细的分析介绍，给出了一种基于瞬时功率理论的正负序电流检测方法;分析了STATCOM的直接电流控制与间接电流控制这两种常用控制方式，并针对实际负载三相不平衡的情况给出了一种基于三相不平衡的电压控制算法;在此基础上得出了新型电弧炉供电系统的控制结构框图。
　　(4)为了验证本文提出的新型电弧炉供电系统方案的可行性、STATCOM控制方法的有效性，在Matlab/simulink环境下对新型电弧炉供电系统的动态补偿功能进行了仿真研究，这其中主要包括在不同负荷下与冲击性负荷下对系统无功功率的补偿以及对系统三相不平衡问题的补偿。搭建了一套实验平台，对系统的部分功能进行了实验验证分析。仿真与实验结果可以表明，本文提出的具有动态补偿功能的新型电弧炉供电系统有着非常好的动态补偿功能，能比较好地解决电弧炉带来的无功不平衡、功率因数低、三相不平衡等电能质量问题，具有较大的工程实际意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 电弧炉应用引起的电能质量问题

1．1．2 目前解决问题的方法

1．1．3 研究意义

1．2 国内外的研究现状与发展趋势

1．2．1 电弧炉的现状与发展

1．2．2 交流电弧炉供电系统

1．2．3 国内外动态无功补偿的应用现状及发展趋势

1．2．4 STATCOM的应用现状及发展趋势

1．3 本文研究的主要内容

第2章 交流电弧炉系统及其建模

2．1 电弧炉工作原理

2．2 电弧炉工作特性

2．3 新型交流电弧炉混沌模型分析

2．3．1 静态模型及其仿真分析

2．3．2 动态模型及其仿真分析

2．4 本章小结

第3章 新型电弧炉供电系统的工作原理及系统设计

3．1 主电路的结构

3．2 感应滤波变压器的设计

3．2．1 感应滤波变压器的结构

3．2．2 感应滤波变压器的机理分析

3．3 STATCOM的设计

3．3．1 STATCOM的整体结构

3．3．2 STATCOM的基本工作原理

3．4 本章小结

第4章 新型电弧炉供电系统的控制系统研究

4．1 无功功率理论与无功电流检测方法

4．1．1 瞬时无功功率理论

4．1．2 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法

4．1．3 基于瞬时无功功率理论的正负序电流检测方法

4．2 STATCOM控制方法

4．2．1 间接电流控制

4．2．2 直接电流控制

4．2．3 基于三相不平衡的电压控制算法

4．3 新型电弧炉供电系统的控制系统结构框图

4．4 本章小结

第5章 新型电弧炉供电系统的仿真与实验分析

5．1 Matlab／simulink平台介绍

5．2 仿真模型建立

5．3 仿真结果分析

5．4 实验分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的主要学术论文目录

附录B 部分硬件原理图与PCB图