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新型交流电弧炉混沌模型及其应用研究

王育飞  
【摘要】: 随着交流电弧炉的广泛应用和单体容量的不断增大,电弧炉负载引起的电网电压波动和闪变、谐波、三相不平衡等电能质量问题日益突出,甚至危及配电系统的安全运行和其他用户的正常用电,已引起电力工作者的高度关注。对电弧炉负载精确建模是理解电弧炉非线性时变特性,认识其导致的电力系统电能质量问题,并提出合理抑制措施,将不利影响降低到最小程度的前提条件。所以,研究能精确反映电弧炉电气特性的通用性强的模型有着很高的理论意义与应用价值。 近年来,混沌与分岔等非线性科学的发展为科技工作者进一步深入研究电弧炉运行特性提供了新的思路。作为研究交流电弧炉混沌现象和建立交流电弧炉混沌模型的理论基础,论文首先综述了分析混沌的几种常用方法,论述了美国矿务局奥尔巴尼研究中心最近的研究成果,从定性和定量两方面验证了:电弧炉系统中存在混沌现象且电弧炉电波动是混沌系统的表现形式。 为了更精确模拟交流电弧炉中存在的混沌现象,提出一种能产生不对称双涡卷混沌吸引子的变型蔡氏电路(电弧炉混沌现象模拟电路),它包含一个电压控制的不对称非线性阻性元件。基于基尔霍夫定律得到电弧炉混沌现象模拟电路非线性动力学状态方程组,经过严格的数学分析,结果表明当电路参数选择恰当时,该动力学系统的最大李雅普诺夫指数大于零,同时系统的数学分析结果满足希尔尼柯夫定理,且平衡点P-1和P1关于P0点不对称,从数学上证明了该系统会产生不对称双涡卷混沌吸引子。在MATLAB环境下,建立了电弧炉混沌现象模拟电路仿真模型,通过改变电路中的线性电阻值和系统状态变量初始值,对其非线性动力学行为进行仿真分析。分析结果表明:在此电弧炉混沌现象模拟电路中,可以观测到相平面曲线图由直流平衡态经Hopf分岔、倍周期分岔到单涡卷混沌吸引子,然后过渡到不对称双涡卷混沌吸引子的全过程;还可验证混沌系统对初始条件的敏感性;该电弧炉混沌现象模拟电路还具有可提高通信系统保密性能的特性。基于集成运放构成的负阻变换器伏安特性,将两个具有不同参数的负阻变换器并联,使集成运放正负供电电源电压幅值不相等,搭建了一种电弧炉混沌现象模拟电路硬件电路,并对其进行了实验分析。实验结果表明,设计的电弧炉混沌现象模拟电路硬件电路能够产生不对称双涡卷混沌吸引子。 基于电弧炉混沌现象模拟电路,提出了一种用于电能质量研究的新型交流电弧炉混沌模型。首先,基于电弧炉负载V-I特性曲线的分段线性化,依据负载实际消耗的平均有功功率,得到能精确描述电弧炉静态特性的静态模型。然后,用电弧炉混沌现象模拟电路产生的低频混沌信号,对静态电弧电压进行调制,得到能模拟电弧炉动态运行特性的动态模型。静态模型适用于电弧炉引起的谐波问题研究,动态模型适用于电弧炉引起的电压波动和闪变问题研究。在MATLAB环境下对电弧炉静态、动态模型分别进行仿真分析,仿真结果与实际测量数据作定性比较,结果表明提出的电弧炉混沌模型能够精确地描述电弧炉引起的谐波和电压波动与闪变等电能质量问题,且模型的参数易于获取、实用性强。该模型的提出,为下一步进行电能质量问题的治理措施研究提供了良好的前提条件。最后,基于dSPACE系统开发了一种交流电弧炉主电路硬件实验系统,该系统能够模拟实际电弧炉系统的电气特性,可用于测试电弧炉柔性供电方法的有效性。 作为交流电弧炉混沌模型的直接应用,论文对电弧炉引起的电压波动和闪变问题进行了分析研究,建立了一种可用于仿真评估闪变严重度的IEC闪变仪模型。首先,对电弧炉引起的电压波动和闪变进行数学分析,得到估算电压波动和闪变的经验公式。其次,在MATLAB环境下建立了IEC闪变仪仿真模型,根据IEC推荐的检验标准,验证了闪变仪仿真模型的正确性;基于提出的电弧炉混沌模型,对电弧炉引起的闪变严重度进行仿真评估,结果表明运用仿真法评估电弧炉引起的闪变严重度是完全可行的;仿真分析了影响电压波动和闪变的各种因素,验证了闪变与电弧炉容量成正比、与供电系统短路容量成反比的数学关系;仿真分析了在电弧炉变压器一次侧和公共连接点之间插入附加电抗器对闪变的抑制效果。最后,对电弧炉引起电压波动和闪变的各种抑制措施进行了分析。 通过本文的研究,提出了一种能精确模拟交流电弧炉混沌现象的变型蔡氏电路(电弧炉混沌现象模拟电路);应用集成运放构成的负阻变换器,搭建了一种电弧炉混沌现象模拟电路硬件电路。提出了一种用于电能质量研究的新型交流电弧炉混沌模型;基于dSPACE系统开发了一种交流电弧炉主电路硬件实验系统。建立了一种可用于仿真评估闪变严重度的IEC闪变仪模型,并对电弧炉引起的闪变问题进行了仿真分析。


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