（电路与系统专业论文）基于matlab的电弧炉谐波分析软件的研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重中明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及取得的成果。尽我所知 除特别加以标注和致n n , j 地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均也住论文中作r 明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担切相关贡任 论文作者签名：盘幽嘶 ； 月 ，日 保护知识产权申明 本人完今了解西安理_ i ：大学有关保护知识产权的规定，即：研究生存 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理l ：人学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学无论何时何地，未经学校许町，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交沦艾的原件或复即件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内窖，可以采用影印，缩印或 其他手段复制保存本论文， ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) ) ，一 论文作者签名：矗汹导师签名：型：! ) w 叶年月，f 日 摘要 基于m a t l a b 的电弧炉谐波分析软件的研 究 学科名称：电路与系统 研究生姓名：于娟娟 导师姓名：刘小河 职称：教授 答辩日期： 摘要 签名：壹亟翊 签名：麴尘! 互 本文主要研究了两大方面的问题，一个是电弧炉对电网谐波的影响，另一个 是粟州m a t l a b 编写仿真软什，用以分析电弧炉对电网谐波所带来的影响与危害。 主要内弈为后者。 谐波儿乎对所有的电气没备都有影响，因此也一直是研究热点。本文主要研 究了【u 弧炉l u 气系统对电网的谐波影响。对电力系统惜波治理的方法有许多，有硬 仆山商l 自，【e 有软件方面的。由于硬件方面受剑资金和场地的限制，因而寻求有效 的软引方面的谐波治理方法，具有十分重要的意义。但是现有电力系统仿真软件没 有l u 弧炉的模l ! ，本课题的任务就是开发这一软件，以便更好的分析与治理电弧炉 对电问带米的危害。 关键词：电弧炉谐波仿真软件 本研究得到国家自然科学基金的资助( 5 0 2 7 7 0 3 2 ) 一一 竺! ! 坠堡一 一 _ _ _ _ _ _ - _ - 一一 s t u d yo ft h es o f t w a r eo nh a r m o n i c sa n a l y s i so fe l e c t r i c a l a r cf u r n a c eb a s e do nm a t l a b m a j o t ： c i r c u ita n ds y s t e m s t u d e n t ：j u a n j u a ny u s u p e r v is o r ：x i a o h el i u t i t l e ：p r o f e s s o r d a t e ： a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e i 堂班苎逝 i 丝2 ( 壁丝缸 t h isd a p erm a i n l y s t u d i e st w op r o b l e m s ：t h ef i r s t ：a n a ly z 。3 t h e h a r m 。n i c si m p a cc i o ni np o w e r g r id sc a u s e db ye l e c t r i ca r cf u r n a c e ( e a f ) t h cs e c o n d ：d c v c l o 弘sas i m u f a t i o ns o f t w a r ea s in gm a t la b t oa n a ly 7 8t h l5 i m p a c ti o 1 t h el a m c e ri st h em a i nc o n t e n t h a r m o n lc si n f l u e n c ea l m o s ta l it h ee le c t r i c a ld e v ic e sa n d t h e r e f o 。 nlsa l w a y sa h o ts t u d y t h isp a p e rm a i n l y s t u d i e st h eh a r m o n i cs i m n a c t io nc a us e db ye a ft h e r ea r em a n yh a r d w a r ea n d s o f t w a r em 8 t h o d 8 t 。d e d u ( 、pt h eh a r m o n ic s inp o w e r g r i d s b e c a u s eo f t hef u n d sa n dp l a c e l l m i t a t i o n inh a r d w a r em e t h o d ， i tisi m p o r t a n tt ol o o kf o re f f 。t 1 ”。 s 。f t w a r oi 1 e t 1 。d h o w e v e r i t h ee x is t i n gs i m u l a t i o n s o f t w a r e 5 1 n p 1e cl r ic a lsysl e md on o th a v et h em o d e lo fe a f ， i tb e c o m e sa l li “p o 。t a n t t a s ko fl hisp a p e rl 。d e v e l o ps u c h as o f t w a r et oa n a l y z ea n dd e d u c et h e h a f m s ( ，a u s e ( 1b ye a fs y s t e m k e yw 。r d s ：e l e c tr i c a la r c f u r n a ce h a r m o n i c ss i m u l a t i o ns o f t ”8 r e s p o ns o r e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef u n d i n g ( 6 0 2 7 7 0 3 2 ) 2 绪论 1 绪论 1 1 电力系统谐波问题及仿真软件应用 1 1 1 电力系统谐波问题的提出以及研究现状 在一个理想的电力系统和供电系统中，电能是以单一恒定的工业 频率( 5 0 z 或6 0 h z ) 和规定的电压水平向用户供电。在这种条件下， 对电能质量是用频率和电压来衡量的。但是在实际的电力系统运行中， 由于负荷的变化，电力系统的频率和电压是1 i 能保持恒定不变的。 电力系统的谐波并不是一个新的问题，早在1 9 2 0 - 一1 9 3 0 年间，德 国就已提出静态整流器产生的波形畸变问题，到了5 0 - 一6 0 年代，由于 高压直流输电技术的发展发表了有关变流器引起电力系统谐波问题 的大量论文。7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展各种电力 电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波问 题所造成的危害也f 1 趋严重。世界各固都对谐波问题予以充分的关注。 发达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷 用电设备的种类、数量和用电量将迅猛增加。例如美国i e e e 学会认为， 伴随着当代一项最重要的科技进步，即电力电子技术的发展，作为非 线性用电负荷的敏感电子器件已经大量涌现，其负荷在9 0 年代中后期 的美国要上升到1 9 9 2 年的4 - - 5 倍。很明显，随着我国改革开放和经 济建没的发展，我国电网已开始遭遇并将迅速面临发达国家当前的谐 波局而即谐波源随着高新技术的发展而猛增，电网电压畸变率也将 升。 ) j | 5 么，谐波的定义是什么呢? 目前，国际上公认的谐波含义为：“谐 波是一个周期l 乜l 气量的一弦波分量，其频率为基波频率的整倍数。”由 于谐波的频率是基波频率的整倍数，我们也常称它为高次谐波。有些 用电负菏，在一定的供电系统条件下会出现工频周期3 倍、5 倍甚至非 西安理工大学硕士学位论文 整数倍的周期性电流的波动，根据该电流波动周期分解出的傅立叶级 数，便可能得出不是基波整数倍频率的分数谐波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) ，或称间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 。低于工频的间谐波，通 常称之为次喈波( s u b h a r m o n i c s ) 。谐波几乎对所有的电气设备都会 产7 i - 不良影响，其中较受关注的有以下几个方面： 1 ) 造成电能计量误差。一方面，谐波直接产生测量误差。另一方 而，翻：多谐波源从系统吸收基波有功功率，对系统又送出谐波功率， 受害的用户从系统吸收了无用的谐波功率，其结果是谐波源少付电费 而受害用户多付电费。 2 ) 影响断路器的开断能力。开断畸变严重的电流时，可能会因为 电流过零点处别加大于正弦波形而造成开断困难，甚至电弧重燃。 3 ) 造成保护装置与自动装置的误动和拒动。当波形畸变严重时， 各种保护装置和自动装置的动作都要受到影响，因为这些装置大多是 按工频匝弦波的变化规律作为动作激励设计的。 4 ) 谐波带来的集肤效应增加了导体的损耗，限制了导体的载流能 刀。 j ) 谐波对旋转电机产生寄生转矩，引起机械震动和噪声，使绕组 发热，增加损耗。 6 ) 谐波使变压器工作时过热，还可能引起变压器与系统内的电容 渚振，造成过电压、过电流。 7 ) 影响电子设备和电力电子设备的f 常工作。这是由于谐波不仅 改变了电压、电流的有效值，还会改变一个周期内的过零点位置和个 数。 8 ) 高压架空线上的谐波电流会对邻近通讯线路产生干扰，甚至造 成直接破坏。 总之，谐波对各种电力设备、通讯设备及线路都会产生有害的影 响，严重时会造成设备损坏和电力系统事故。尤其是近年来电子设备 和电力电子设备迅速的增长，而对它们的谐波影响问题还缺乏足够的 研究，因此，对谐波问题的研究是非常重要和紧迫的。 1 1 2 仿真软件在电力系统中的应用 在电力系统的仿真上，m a t l a b 中新增加的p o w e rs y s t e m b l o c k s e t ( p s g ) 很有特色，它含有丰富的元件模型，包括电力系统网络元件、 电冀、电力电子器件、控制和测量环节以及三相元件库等，在借助于 其它模块库和工具箱，在s i m u l i n k 环境下，可以进行电力系统的仿真 计算，尤其可以实现复杂的控制方法仿真，如神经网络或模糊控制等。 s p p e c 是一个有效的电气传动系统仿真软件包，它以二值电阻模型模拟 功率丌关器件，用等效电源法将主电路与电机负载在仿真中解耦，并 用离散相似法对控制电路按功能简化，能在系统层次和电路层次上同 时研究电力电子电机系统的行为。当今国外在电力系统仿真方面具有 代表性的软件包括美国西部电力公司开发的b p a 暂台稳定计算程序、 e m t p 电磁仿真计算程序、德国柏林工业大学与西门子公司合作开发的 n e t o m a c 仿真计算程序、美国e l a n i c 公司开发的电路动态系统仿真 s y s t e n v i e w 、荚国乜力技术公司研制的输电规划和运行规划仿真软件 t p l a n 和用于电力系统仿真和训算的p s s e 等。 国内也出现了不少电力系统的仿真软件：清华大学研制的g n e t 图 形化建模系统是为韩国s l 【用户开发的体化的热力系统仿真环境， 它能够支持从模型建立到模型验证的整个过程。中国电力科学研究院 退；的基于d o s 操作系统的电力系统分析综合程序p s a s p 是一个很好 的电力系统潮流、暂态稳定和短路电流计算的仿真软件，它是固内进 二1c l 力系统计算和仿真经常使用的软件，其结果也为大家普遍接受。 此外，还有电力部热工研究所研制的电力热工控制系统通用仿真软件 f p r i s 、华：| 匕电力大学的s t a r 一9 0 以及亚洲仿真公司的a s c a 等。 西安理1 ：大学硕士学位论文 1 2 电弧炉的工作特点和对电力系统的谐波影响 1 2 1 电弧炉的工作特点 - ：棚电弧炉( 通常简称电弧炉) 是利用交流电弧产生的热来熔炼 金属的种电炉。我们通常所说的电弧炉，一般指炼钢电弧炉。在电 弧炉巾，电弧发生于专门的电极棒和被熔化的炉料之间，炉料受到电 弧的直接加热。 电弧炉的发展趋势是容量大型化、超高功率化。美国现已普遍采 用2 0 0 吨以上的电弧炉，最大容量为6 0 0 吨。日本电弧炉容量普遍达 到j o l o o 吨。我国8 0 年代以来，虽然新建了一批5 0 吨左右的电弧 炉，但平均容量仍然很低。故我国电弧炉容量还有很大的发展余地。 电弧炉的整个炼钢过程分为三个时期：熔化期、氧化期和还原期。 熔化时期的特点是电炉输入的电功率在急剧波动，同时经常伴随有电 流冲击。在电弧刚刚起燃时，由于炉料温度较低，电弧不易稳定燃烧， 电弧在炉料上随机移动。同时，三相电弧的相互受力使孤柱向炉壁方 向偏移。所有这些使电弧电流的波形及有效值的大小变化很不规则。 当部分炉料被熔化后，产生炉料倒塌，使电极发生短路，从而引起电 流的冲击。在熔化期，电极短路次数有几十次甚至上百次之多。由于 三相的耦合作用，某相电极短路后，其它两相电极也产生了不应有的 调节过程。这样使得电极短路后的调整过程加长，电弧电流波动的影 响更加明显。当电极调节系统性能较差时，常常会处于反复调节的过 程之中。这种状况不但影响电弧炉的电效率，也对电网电压产生明显 的影响，产生电压波动及闪变等问题。熔化期的后期，炉料全部熔化， 电弧电流相对比较稳定。 在氧化期，由于脱碳反应造成钢液的强烈沸腾，电弧的等效弧长 因此发生周期性的、拟周期的或随机性的波动，因此造成电弧电流长 时间i 3 彳i 规则的波动。常规的调节系统无法有效减少这种波动，在某些 情况下反倒有可能加剧电弧电流的波动，因此产生持续性的电压波动 与i 变问题。 还原期的特点是电弧较长，燃弧较稳定，输入电弧炉的功率较稳 定。这时电网的谐波问题仍比较明显。 出此可见，电孤炉的基本特点是：熔化时期频繁的电极短路及相 应的调节过程，氧化期内钢液的沸腾而造成弧长波动，三相电弧的相 互受力及炉料温度较低时所造成的弧长随机扰动。由于三相耦合的影 响，加之电极调节系统的调节作用，使电弧弧长的变化呈现出更加复 杂的特征。而电弧电阻的非线性对于电弧炉主电路有着十分重要的影 响。因此，从供电网的角度看，电弧炉几乎是一个随机负载。但仔细 分析则不难看出，所以这些均是由于电弧弧长的变化而产生的。一旦 电弧弧长稳定，则问题相应就简单一些，即只有电弧电阻的非线性问 题，电弧炉，叮以认为是一个稳定负载。 1 2 2 电弧炉对电力系统的谐波影响 电弧炉是以电弧为主要热源的电炉。目前，世界上电炉钢产量的 9 5 阱上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。电弧炉从 诞生至今经历了l00 年。在2o 世纪9 0 年代初电炉钢约占钢总产 量的3 0 ，现在约占3 8 ，估计到20 l0 年将达到5 0 。在这百年 c p ，电弧炉的设备工艺技术在不断发展，产量不断地提高，其原因正 是电弧炉炼钢的经济效益与环境优势。 电弧炉是现代炼钢的主要手段之一，是供电电网很大的负载，而 儿矗二运行- j 经常产生突然的、强烈的电流冲击，尤其在熔化初期，电 流变动的范嘣达到电炉变压器额定电流的0 3 00 ，经过分析，其 电气特一i r k 有：1 3 三瞽电流变化激烈，因而电弧炉是电压波动和闪变的 发生源：b 三相电流波形严重畸变，因此电弧炉是高次谐波发生源： 肛安理工大学硕士学位论文 c 三相电流严重不平衡，因此电弧炉是三相电压不平衡的产生源 早在木世纪2 0 一3 0 年代，供电系统的波形畸变即谐波问题就已引 起人们的注意。而6 0 一7 0 年代以来，由于电力电子技术的发展，变流 设备，f u 弧炉等大容量的非线性负荷的同益增加，谐波危害同益明显， 使得人们对供电系统及电力系统的谐波问题日益关注，对谐波问题开 始进行深入而绌致的研究。 粗略地说，电力系统及供电系统的谐波具有如下危害： ( 1 ) 降低供电系统的功率因数，增加配电网络的能量损失，使电 能的e 产，传输和利用的功率降低。 ( 2 ) 使电器设备过热，绝缘老化，产生振动和噪声，缩短用电设 备的寿命。 ( 3 ) 在一定的条件下，谐波会引起电力系统局部出现共振，造成 电容器等因过负荷或过电压而损坏。 ( 4 ) 对通信系统，电子设备，计算机系统造成干扰。 ( j ) 引起继电保护和自动控制装置误动作。 ( 6 ) 使电能计量出现误差甚至出现混乱。 电弧炉系统谐波及电压波动所带来的危害及问题已经引起各国学 者的广泛注意及研究。8 0 年代以来，国际各国学者相继投入力量进行 电弧炉模型，电弧炉对电网的影响，谐波检测方法，抑制谐波，电网 电压波动的设备等方面的研究，取得一些有意义的结果。 在谐波分析方面，d u g a n ( 1 9 8 0 ) 首次采用分段线性化的电弧模型， 进行了电弧炉系统的谐波分析研究，其结果被广泛引用。但是，分析 结果误差很大，还不能应用于工程分析。上世纪九十年代， c g l lk e r ( 1 9 9 3 ) ，j u a nc e l a ds ( 1 9 9 3 ) ，j g m a y o r d o m o ( 1 9 9 4 ) ，a r a s h s a r s h a t ( 19 9 6 ) 等人分别采用电压源替代模型，频域电弧模型，统计 模型进行了电弧炉系统谐波分析。分析一般是针对单相系统或三相对 称系统进行的。本世纪初，出现了一些新的谐波分析方法，如自适应 遗传算法，多频带小波变换等，给谐波的分析与治理带来了方便，有 效和可靠的技术手段。 列电力系统谐波治理的方法有许多，有硬件方面的，也有软件方 而的。由于硬件方面受到资金和场地的限制，因而寻求有效的软件方 面的谐波治理方法。具有十分重要的意义。但是现有电力系统仿真软 件没有电弧炉的模型，本课题的任务就是丌发这一软件，以便更好的 分析与治理电弧炉对电网带来的危害。 1 3 本文的主要工作 本文的主要i ：作是分析了电弧炉对电网的谐波影响，根据分析的 结果以及参考各种资料，编写能够分析电弧炉对电网谐波影响的软件。 编写的软件能够： ( 1 ) 提供良好的人机交互界面，为电弧炉系统谐波分析提供必要 的手段。 ( 2 ) 系统分析与图形显示交互，可直观地获得系统仿真曲线和数 据，能够输出各相谐波电流波形，各相电流频谱图。 ( 3 ) 降低技术要求水平，使用者只要简单的了解就可使用。使用 本软件分析电弧炉系统的谐波，除了模型的参数值需用户从键盘输入 外其他的全部工作都只需用鼠标选择菜单的操作来完成，完全不需 编程操作，用户也不用具备其他的专业知识。 ( 4 ) 提供帮助功能，主要是软件的使用方法以及要注意的问题。 电弧炉系统的谐波问题及状态方程建立 2 电弧炉系统的谐波问题及状态方程 建立 2 1 电力系统的谐波源及其特征 f u 力系统的谐波源大致有以下几类： ( 1 ) 犬功率可控硅整流装置： 1 ) 铁道电气化：一般产生3 、5 、7 次特征谐波 2 ) 电化工业电解装置：特征谐波为：n = k p + l ，( p ；整流脉动 数，k ：正整数) 3 ) 直流输电的换流阀：特征谐波同2 ) 4 ) 相控电抗器型无功补偿装置：特征谐波一般为：n = 6 k + l ( k ： 征整数) ( 2 ) 交流炼钢电弧炉：它是一个极复杂的连续频谱的谐波源， 其特征谐波谐波次数一般为2 、3 、4 、5 、7 次 ( 3 ) 自饱和、可控饱和电抗器：它产生的谐波一般取决于芯拄 的结构和三相线圈的连接方式，其特征谐波一般为 3 、5 、7 、9 、 l l 、1 3 次等。 ( 4 ) 大型变压器的励磁回路：主要谐波次数一般为3 、5 、7 次。 变压器励磁回路产生的谐波一方面取决于三相线圈的连接方式， 另一方面取决于硅钢片的材料及加于变压器上的电压。有材料说 明：施加于变压器上的电压每增加8 ，高次谐波电流将增加一倍 ( j ) 高频感应加热炉：其控制方式不同，产生的谐波也不相同， 一般为21 3 次。 ( 6 ) 电石炉：一般为3 、5 、7 次谐波，尤以3 次为主。 西安理工大学硕士学位论文 2 2 电弧炉的模型以及状态方程 以下内容引自文献【8 】，刘小河教授2 0 0 0 1 0 月的西安理工大学 博士论文。软件的研制基于此博士论文的理论基础。 2 2 1 交流电弧的等效数学模型 电弧电阻的计算公式为： r ( t ) ：c l e i “+ 8 1 _ c 。3 ( 2 叫+ 8 + 训 ( 2 i ) 公式( 2 一1 ) 中各个系数的物理意义可以解释如下： a 一一反映了弧柱温度最低值对电弧电阻数值的影响。当 1 一c o s ( 2 0 j t + 臼+ d ) = 0 时，对应的温度为t o ，这时r = r = c l e 。，从 而使电弧电流过零点后增长较慢，出现了电弧电流的零休状态。a 越小， 则电弧电流过零点附近的电阻值越大，零休状态也越明显。 b 一一反映了电弧温度变化的影响，由于b 的影响，电弧电阻在过 了极大值以后，很快降到较低的数值；当电弧电流由较高数值f 降而 接近零点时，电弧电阻又很快从较低数值上升到较高数值。 c 一一比例系数，反映出弧拄半径的影响。根据假设，弧柱半径不 随时间变化，所以c 为常数。 d 一一反映了弧柱气体热惯性的影响。由于d 的影响，使得电弧电 阻的最大值不m 现在电弧电流过零点处，而要滞后一个角度。 式( 2 一1 ) 把交流电弧的主要物理特征一一电弧电流的零休，弧柱 的热惯性，温度的变化都通过一定的系数反映了出来。 2 2 2 典型电弧炉电气系统的状态方程 电弧炉系统一般可分为高压配电系统，电炉变压器，短网和电弧 四个部分。住高压母线上要加电力电容器进行无功补偿。除电弧外， 电弧炉系统的谐波问题及状态方程建立 系统的其它部分均可用线性时不变电路元件模拟，故可将电炉变压器 次侧看出去的电路系统折算到二次侧。一般高压配电系统，电炉变 压器，三相参数完全对称，而短网是一种轴对称网络，一相、三相以 第二州为中心几何对称，故- h 、三相电阻及自感相等，一、二相， 二、_ 二相之间的互感相等。其等效网络如图所示。 l l l 凰2 - 1 电弧炉主屯路 f i 9 2 一1 m a i nc i r f i u i to fe a f 以_ ，厶表示电炉变压器一次侧看出去的电路系统折算到二次侧的 每相等效电阻，电感。t ，l ：，表示电炉变压器一、三相折算到二次侧 的每相等效电阻，电感与该相短网电阻，电感之和；厂2 ：，l ：分别是第 二相折算电阻，电感与该相短网的电阻电感之和。按图示的参考方向， 选f ，i ! tf 。，i 。，鸭，z ，。为状态变量，可导出状态方程为 西安理工大擘硕士学位论文 “+ 垒- g l + 鱼1 2 2r h - r c 2 1 2 1 + 1 2 2 鲁= 糟2 1q 一嗜2 1 斧+ 焘2 l + 焘2 l 吡 曲 ，l + ，、，1 + ， 2 1 + ，2 ， 。 2 1 + ! ： 。 d 2 j d i 21 2l1 瓦”s 一酉”6 + 酉”厂酉一瓦”r 等一丢l f 4 + 击3 l ”s 一去3 lw e 一壶3 l u + 老3 l ”一一击3 l ”r 加 。“ 。 警一1q o o i 2 + 刮1 5 c3 c3 c ，3 c 吒曲 。 盟一1j+一三?二+一1f，+一2dc 3 c3 c3 c 3 c f 。 。 此状念方程的另一种写法为 ! f 、十， 2 ，+ ，、 0 0 l 3 。 2 3 l 0 0 0 0 l 3 l l 3 、 o 0 圈 r ：一r ：+ r 。一r ， 二! 二j 一 2 ，+ ， 十2 r ”+ 2 + 月， 2 ，+ 1 0 o i 3 c 2 3 c 根据电路及电网络理论，一般系统的状态方程可以表示为 d 肿, y = 3 x + b u 。( ，) 上面电弧炉主电路状态方程中a 阵为 ：一_ 一 一。一”上三虬lo 一2 2 一 一3 o o r l i r ， l f ， o o o尺o，一：一圮 r 一 一 ：， o o 。一o o，一”。一粥 r b生 o 上 生k 譬瓣。 o o：一弘弘o o 电弧炉系统的谐波问题及状态方程建立 bi 蚱为 o 0 i 3 l l 3 o o 釜兰：! 釜兰：! 1 2 ，“+ ，” r ，t + 2 r 2 十2 见十t 2 1 2 1 + 2 2 0 o 1 3 c 2 3 c l + ，n ! ! l2 1 3 + 12 2 2 f i i + ，：2 1 12 ，2 l 十，” 2 lp ，”1 2 3 l ， 3 l it i 3 l 3l、0 0 0 o 后面软件的编制即是建立在罢x = 肌+ 口( r ) 的基础上的。 2 2 3 一般电弧炉电气系统的状态方程 上小1 7 导出的状态方程，在计算电弧炉主电路的电气工作特性， 或进行电弧炉系统引起的电网电压波动仿真及进行过程控制仿真时可 以满足相应要求。但是在进行电弧炉电气系统的谐波分析时，上述状 态方程不能完全满足分析的需要。例如电炉变压器的接法对系统谐波 的影响，接入电力滤波器后对谐波的控制效果等，这些都是人们在进 行谐波分析时所关心的。要对上述各种情形进行分析，必须导出一般 f 乜弧炉系统的状态方程。 为了突出主要矛盾，我们假定电弧炉系统中，仅三相电弧为非线 性时变电阻，而电炉变压器。高压配电系统，电力滤波器，其他负载 均可用线性的二端与多端r ，上，c 类型的元件来构造电路模型。由于 o o o 8二。： r 一 ：， ：， o o尺一o。一，一r 见一 竽一瓦 托一，二+ ， 一 ”一”。一”。一 ，弘三弘 0 0 j 0。：一弘。一玛。 西安理工大学硕士学位论文 电力滤波器常接为y 接法，故每一组滤波器中包含电感的三相负载将构 成一个纯电感割集，这样应考虑含纯电感割集的电路。其次，电弧炉 系统中不必考虑独立电流源情形，这样可使状态方程的列写相对简单 一些。 需要指出的是，交流电弧虽然是非线性时变电阻，但其电压，忘 流关系可以写为如下的关系： 7 7 “。，凡( f ( ，) ，i ( t j ) ) j ( ) = 盹r ) f ，f = ( 2 - - 2 ) 所以，在列写状态方程的过程中，电弧电阻可按线性电阻来处理不会 影响最后的结果。 根据以上讨论，电弧炉电气系统的等效电路由下列元件构成：独 立电压源，二端线性电阻，电容，电感元件，多端像形电阻( 理想变 压器，受控源等) ，多端线性电感，二端非线性电阻( 电弧电阻) 。假 定电路中存在若干组由纯电感元件构成的割集，但不存在纯电容回路。 将电路中的支路按照如下顺序分块，树枝支路：i ，c ，r 。，月，厶；连支 支路：，g ，其中，尺，g ，表示线性电阻支路，r ，表示电弧电阻支路。 应陔 兑明的是，电弧电阻所在的支路应该放在树支中，因为电弧电阻 可看作是流控电阻，这样便于导出状态方程。其次，对电弧炉系统来 说，每一个电弧电阻必然和一个电感元件串连，这样，一定可以找到 这样一个树，使电弧电阻仅与电感元件构成基本割集，根掘以上讨论 可以写出基本割集矩阵q ，和基本回路矩阵b ，如下： y c ir t r rl!lfg l 9 f 。 q c 。 q n 6 0 o 既如既既 上堂竺塑堂茎塑壁墨鉴查查堡堡皇 i c 矗r吩 厶 厶 g 1 b ，2 j 一璐一璐一鳙一璐一醣 l f l g i ：! |一如- q l 00 1 f 其中，l 表示单位矩阵，将支路电压，电流写成分快形式 jh2 v p i c j m f v f 。j 。i ge 、 u h2 、uc u m u qu 。u uu c , i y k c l ，k v l 方程的矩阵形式为 q | lb = 0 b f u 6 = 0 元件特性为= c _ d u f c 厂可：r s ( 1 w ，f ) 白 d t 1 q 阱匕 上，1d 阻1 “j 五k j阱瞄 日，： k1 如j 【j ( 2 3 ) ( 2 4 ) 隧各式札c 为对角觫= 隆乏 为正定矩阵，巩 墨塑誓言冀磬多端线性电阻( 理想变压器，受控源等) 的特性。经过 适当推导可得 。一一。一“ co m du u l ，心蛾磁 一 0 且么j 其中，= ( 1 一q 矗) 厶+ q 。t 三。q 。，又可推得 ( 2 5 ) 簿酡纠 窘 ；：； + 芝：篾i 匿名 u ，c z s ， o 醣 r。l +u 1j o 醵 p。，l + q 也 名愎昵 o 一 1h，l_r，l 0，j 卜心 ，、，【 日 p、，。l 已鳙 厅一。” 曰：儿一q ( 。 纠o j o c f t 蛳，啦。蚴s ， 三i 1 儿既一蚴骨( 一q 肛，? ) q 口f f ，f ，f 2 8 ) h 舻0 般曼7 l 窘 。， 纠酬 则系统得状态力程可以写为d i x = 4 x + ，( 鼻，f ) + b u 。( ，)( 2 一j 1 ) 从式( 2 8 ) 到( 2 一i i ) 可以看出，a ，1 3 为常数矩阵，可以只建立一 次，他们划应电弧炉系统的线性电路元件部分。f ( x ，f ) 对应于电弧电 + f ， u t r，。，l n二u 雕9 o 日h 。l 1，。， 2 2 h 一旧旧一 蜴o u ”iu r 匿1， p 旧 h 日h r，。，l 1，j tg o 魁匿 十 ，儿肿 o 墨 o 9 r。，。fl1i_，_lif 2 2 h 日片 h，l 2 2hh 一旧旧一 ，f q 0 p 旧 ， u 记 k一 肛 o 一 瞄 盼 电弧炉系统的谐波问题及状态方程建立 阻影响面对应的状态方程部分，其中r = ，一三，表示电弧电阻模型中在 时刻。盼j 的电流值对电弧电阻的影响。可以看出，状态方程( 2 一1 1 ) 斗t ， b 于状态变量得变化，电弧电阻发生变化，因此必须随时修正 f ( x ，r ) 。为了减少工作量，还可将f ( x ，f ) 进一步写为 f ( x ，r ) = a 。( ，r ) x 其中 州一艮三：聋即吼一，如 可见t 每次只需对电弧电阻所关联的项进行修改，这样可以大大减少 修改状态方程的工作量。 i v i a t l a b 编程及g u i 界面实现 3 m a t l a b 编程及g u i 界面实现 3 1g 界面设计实现 近几年来，用户与计算机之间的交互方式从命令行的交互方式转 变到以图形用户界面( g u i ) 为主的交互方式。 所谓图形用户界面，简称为g u i ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) ，是指 包含了各种图形控制对象，如图形窗口、菜单、对话框以及文本等内 容的用户界面。利用这些用户界面，用户可以和计算机之间进行信息 交流。用户可以通过某种方式来选择或者激活这些图形对象，来运行 一些特性的m 文件。最常见的激活方式是利用鼠标或者其它设备来点 南这些对象。 对于一个用户来说，图形用户界面就是他所面对的应用程序，对 图形界面的操作直接影响应用程序的应用前途。对于以往专门用于科 学计算的语言，如f o r t r a n 语言等，编写图形界面的功能较弱，因而 用其丌发的程序，其界面往往不够友好，用户使用起来很不方便。而 目前流行的可视化语言，对科学计算的功能又相对弱一些。m a t l a b 提 供了非常强大的编写图形用户界面的功能。 在m a t l a b 中提供了图形用户界面设计向导，如下图所示： 西安理工大学硕士学位论文 引f 。f l划枷曲j - 吓d 若借弋弹稻融淫懿蕊燃鞲盏壤崤爨黧黪器嘲肆嚣攀爱黔醛蝼零鬻裕 d 亩圈j 茹咯避n l 旁i 鸶鞠灌荸穆鬈磷| 。j 。l 、s e l e ( t 曩。善 ：秽j o 。，瓣蹬鼹；鼻跨一 匝 pj 讪b u t t , ? i 1 飘m i ct e 日： 回t c a gp e 目u n 0 i l i d b 6 k r a 引ob u t o n 广c h e c k b & “、，： 回t 2 h e c a b o 、t l 小e dd lt e x l广c h e c k b o x t _ t s l j f i c n 对 【卫sj i d er 广= c h e c k b o j 酶& 上 。；卜。、：m 、| i 回l b o i。， ，、。“i 。、0 。 t w = 。! i 日pc | p u pm e n u ，粤势絮瓣陵蘸 糍豢 ，4 ， ，强j 。i 控：鲰b 0 k ? ? 嗣越i 二 “ ”斗“f i 胡浇谚oo a 稳露 搿；$ 畿。t_ t 、 螺鲁溉1 x “一。i 。喘“t 勰1 m 、 | 兰| 3 一im a t l a b 中的图形用户界面设计向导 f i g3 - 1 t h el a y i n go u tg u i so fm a t l a b 利用浚向导，用户可以非常方便和快捷地设计一个图形用户界 面如同在一张纸上绘图。可以把图形界面的外观，包括所有的按钮 以及图形的位置确定下来，然后就可以利用m a t l a b 的回调程序编辑 器来编写其函数代码，从而可以使该图形界面完成约定的任务。 m a l l a b 在d e m o 命令中包含了g u i 功能的极好例子。 d e m o 研究该命令，以了解u i e n u 和u i c o n t r 0 1 如何给m a t l a b 函数提供交互 输入。 对于一个m a t l a b 中的图形用户界面，它的设计过程一般可以分 为两个部分： 1 用户界面的外观设计。在这罩，主要是通过不同的对话框、按 钮、文水框等许多工具的使用，设计出一个图形用户界面。同时也应 搞清楚这个图形界面的功能是什么，也即在图形界面上的操作会引发 什么样的结果。 m a t l a b 编程及g u l 界面实现 2 图形界面的完成。在这里，用户将根据在外观设计阶段所确定 的图形界面的功能，针对各个不同的图形对象来编写出能够实现该功 能的函数代码，确保这个图形界面能够完成所预定的功能。 图形用户界面可反复使用而且使用简单，只要遵循简单性、一致 性、常用性等原则就可以方便地制作出来。 由图形命令生成的每一事物是一个图形对象。图形对象不仅包括 u i m e n u s d u i c o n t r o l 对象，而且还包括图形、坐标轴和他们的子对象。让 我们从另一个角度来看这一层次结构。计算机的屏幕本身是根结点，图 形是根对象的子对象，坐标轴，u i m e n u ，u i c o n t r o l 是图形的子对象。 根可以包括多个图形，每个图形含有一组或多组坐标轴以及其子对 象，每个图形也可以有一个或多个与坐标轴无关的u i m e n u 和u i c o n t r o l 。 虽然u i c o n t r o l 对象无子对象结点，但他们确实具有多种类型。u i m e n u 对 象常将其它的u i m e n u x i t 象作为其子对象。 厂丽 父 世塑型a 一可i 面_ 寸 一一 = i _ r 一! j j i l i m e n uu i c o n t r o lu i e e n ui 座标轴【 型式：。_ 一 按t t t 键。l 。j 无线按钮键 u l ”。 籍纛框一一兄9 弟滑标 ： 儿： 爿 弹出式菜单 框架 文本 编辑 a 命令u i c o n t r o 倒3 2g u i 时象层次站构幽 f i g3 - 2l a y e rf ig meo fg u i 西安理工夫学硕士学位论文 动膳，生成用户控制图形对象( 用户界面控制) 。也通过该命令 运行图形用户界面。当对象被选中时，一般会执行相应的操作。系统 支持多种控件，每一种都有不同的作用： 1 校验框一一当单击检验框时，会执行一操作。渡组件对于提供 刖，、r 多个独立的选择是很有用的。要激活一校验框，只需用鼠标单击 该组件即可，且选中的状态在组件上显示出来。 2 可编辑文本框一一允许用户输入与修改文本文字的区域。当用 户想把文字作为输入时，可使用该组件。若一可编辑文本框有焦点， 则单击文本框的菜单栏不会执行任何操作。因此，在单击菜单条后， 语句g e t ( e d i t h a n d le ，s t r i n g ) 并没有返回当前编辑框中的内容。 因为系统必须执行回调函数来改变属性s t r i n g 的值，即使屏幕上显示 的文字已经改变。 3 框架一一该组件为一封闭的、可见的、图形窗口区域。框架能 使一嗣户图形界面中相关的控制组件能容易理解。框架没有相关的回 调程序。只有控制组件能在框架中显示。框架不是透明的，因此用户 定义的组件先后顺序决定了组件是否被框架遮住或可见。属性 s t a c k i n go r d e r 决定了控制组件的显示顺序：第一个定义的组件最先 显示，后面定义的控制组件则覆盖已经存在的组件。若用户要用一框 架包围一些组件，则必须第一个定义框架。 4 列表框显示些项目的列表( 用命令s t r i n g 设置) ，且允 许用户选择个或多个项目。属性m i n 与m a x 控制着选择的模式。属 性v a ll i e 显示可选择的项目与包含着字符串列表中项目的索引；对于 选择了多个项目则用向量表示。在任何的能改变属性v a l u e 值的、鼠 标松开的操作之后，系统m a t l a b 将马上执行列表框的回调函数。因此， 用户有必要增加“d o n e ”按钮，用于推迟当要多次选择项目时的操 作。在执行列表框回调函数c a l l b a c k 属性之前，列表框中项目的选择 有单击或双击之分，对应于将图形窗口属性s e l e c t i o n t y p e 设置为 m a t l a b 编程及g u i 界面实现 n o r m a l 或o p e n 。 5 弹出菜单一一当组件被按下时，打开且显示一选择列表( 用命 令s t r i n g 设置) 。当没有打开时，该组件显示当前的选择项。该组件 对于用户想给其他用户提供一系列的互斥的选择项，又不想占用太多 的区域。 6 普通按钮一一当该组件被按下时，将执行一操作。要激活一按 钮，只需住按钮上按下鼠标按钮。 7 单选按钮一一该组件与校验框相类似，但它包含几个互斥的、 而且相关的选项( 例如在任意时刻，只能选择一个状态) 。要激活某一 单选按钮，只需在陔组件上按下鼠标即可。被选中的组件同时显示出 来。 8 滑块一一该组件允许用户通过移动某一范围之内的滑块来输入 一指定的数值。用户要移动一滑块，只需在滑块上按下鼠标不放，且 在滑块方向上移动：或者是在滑槽内单击鼠标：或者是单击滑块条上 的箭头。当松丌鼠标后，滑块所在位置将与一数值对应。用户可以设 置滑块的最大值、最小值与当前值等。 9 静态文本框一一显示文本行。静态文本经常作为其他控制对象 标签，以提供其他用，相关信息，或者是显示一滑块的数值。其他用 户不能交互地改变静态文本，因此对予静态文本，没有相关的回调函 数。 l o 触发按钮一一当陔组件被单击且显示出它们的状态( o n 或者 o f f ) 时，控制是否执行回调函数。 用兹：h a n d l e = u i c o n t r o l ( p a r e n t ) 在父对象p a r e n t 上生成 _ f _ 玎户图形控制界面。用户界面控制对象都是图形窗 j 的子对象，所 以当窗i ”p 没有啦标轴时，同样可以放置控制组件于图形窗口中。 h a n d l e = u i c o n t f o l ( ，p r o p e rl y n a m e ，p r o p e r t y v a l u e ，) 参量p r o t ) e r ty n a m e 为属性名，参量p r o p e r t y v a l u e 可为结构数组或者 西安理工大学硕士学位论文 为堆元数组，同时随意地返回刚生成的对象的句柄。当然用户可以通 过命令s e t 与g e l 束设置与询问生成对象的属性值。 表3 1 列出所有的用于命令u i c o n t r o l 对象的属性名。每一属性 名当作一拙述该属性的链接。 ：j _ 1 斤】t 命令u i c o n t l 0 1 对象的属件名 冉效值：c o l o r s p e c b a c k 2 r o u n d c o l o r对豫的背景颜色 缺省值：与系统打关 c d a t a 址求十对象之上的真颜色瑚片 有效值：矩眸 有效值：c o l o r s p e e f o r e g r o u n d c o l o r 立奉t ：作的颜也 敞省值：f 000 1 ( 黑色) s c l e c 【1 0