福州大学徐云聪、张逸 等：基于电气特性-物理参数耦合的交流电弧炉模型

阅读提示：本文约 2100字

现有电弧炉模型主要关注电弧内部与外部特性的联系，割裂了电弧内部微观下电气与物理的耦合影响，难以体现电弧的电热物理本质，导致仿真精度有所欠缺。福州大学研究团队提出一种基于电气特性-物理参数耦合的交流电弧炉建模方法。该方法推导了交流电弧炉在冶炼过程中电气特性参数（电压、电流）与物理过程参数（电弧温度、压强）的耦合影响，在此基础上构建的模型更贴近电弧炉实际运行过程中的电能质量特性且能适用于不同型号的电弧炉。

研究背景

电弧炉以其较低的投资费用、较优的冶炼质量以及较低的碳排放等优势，使得它在国内外冶金企业中得到广泛的应用。但电弧炉的冶炼过程中随机性强，具有强时变非线性的特点，产生的大量谐波会加剧电力系统设备的热效应，降低其使用寿命，产生的电压偏差及波动会使得变电站的保护频繁启动，造成安全隐患。

论文所解决的问题及意义

交流电弧炉作为现代钢铁企业的关键生产设备，其在冶炼过程中给电网产生的电能质量问题难以忽视。而目前电弧炉建模研究忽视电气特性参数与物理过程参数之间耦合影响，导致模型难以体现电弧冶炼过程中的物理本质且建模精度有待提高。而现有研究表明，电弧的物理状态不是静止的，电弧温度、压强与电弧电压、电流之间有着密切联系。

本文将电压、电流定义为电弧的电气特性，将电弧压强、温度定义为物理参数，推导两者的动态耦合关系并基于此构建模型，得到更为精确的电弧炉模型，为研究电弧炉在电网产生的电能质量影响，制定相关治理措施提供理论支撑。

论文方法及创新点

1、电气特性-物理参数耦合机理

基于电子连续性方程、欧姆定律微分形式、瞬时能量平衡方程和磁压缩力平衡方程推导电弧冶炼过程时电气特性与物理参数之间的耦合机理，得到下述两组方程组。

电弧的电气特性模型与物理参数模型较为完整的反映了等离子体中温度场、电场以及磁场之间重要耦合效应，正是这些耦合效应导致了电弧的形成。图1给出了电气特性模型与物理参数模型之间的耦合关系。

图1 电气特性-物理参数耦合关系图

2、电弧模型的参数确定

基于不同电弧电流大小下电弧最大温度的计算结果，构建符合电弧炉实际工况下的电弧温度曲线，并使用麻雀搜索算法对所构建的电弧温度曲线进行辨识，以使得模型的电弧温度仿真计算结果与实际情况相近。

表1 最大电弧温度与电流的对应关系

电弧的电气特性模型与物理参数模型较为完整的反映了等离子体中温度场、电场以及磁场之间重要耦合效应，正是这些耦合效应导致了电弧的形成。图1给出了电气特性模型与物理参数模型之间的耦合关系。

图2 基于麻雀算法的电弧温度辨识流程图

3、实例分析

本文以福建的50t和55t炼钢电弧炉实测数据进行算例验证，以验证模型的正确性与适用性。仿真结果如下图所示。

图3 50t交流电弧炉U-I特性曲线

图4 电弧电流及电弧温度仿真结果

图5 电弧压强变化曲线仿真结果

结论

本文提出了一种考虑电弧冶炼过程中电气特性-物理参数耦合的电弧炉建模方法，揭示了电弧微观特性下压强、电弧温度等物理参数与电压、电流等电气特性的耦合机理，所构建的模型可充分反应电弧的热惯性，对电弧炉的谐波电压、电流以及电压波动等电能质量特性的仿真精度有更进一步的提高，且能应用于不同型号电弧炉的仿真研究，具有较好的适用性。

团队介绍

福州大学数字能源研究院团队围绕不确定性理论与方法、数据驱动理论与方法两个理论方向，开展电力安全与质量保障、高渗透率新能源电网控制、储能系统调试与运行控制、能源互联网与大数据挖掘、新型电力系统感知与优化、综合能源系统规划与控制六个技术领域的研究。近年来团队承担科研项目30余项，其中国家重点研发计划子课题1项、国家自然科学基金项目7项、省级自然科学基金类项目11项、校企合作科研项目多项。

徐云聪

硕士研究生，研究方向为电能质量分析。

张逸

教授（校聘），博士生导师，研究方向为电能质量、主动配电网以及电力数据分析等。

本工作成果发表在2024年第6期《电工技术学报》，论文标题为“基于电气特性-物理参数耦合的交流电弧炉模型“。本课题得到国家自然科学基金的支持。

引用本文

徐云聪, 张逸, 林才华, 刘必杰. 基于电气特性-物理参数耦合的交流电弧炉模型[J]. 电工技术学报, 2024,39(6): 1643-1655. Xu Yuncong, Zhang Yi, Lin Caihua, Liu Bijie. AC Arc Furnace Model Based on Coupling of Electrical and Physical Parameters. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024,39(6): 1643-1655.

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