有源電力濾波器在連鑄機(jī)諧波治理中的實(shí)踐與應(yīng)用

樊安國(guó)， 郭艷慶， 和安東

安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司（455004）

0 前言

安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠共有3臺(tái)小方坯連鑄機(jī)，是一個(gè)年生產(chǎn)能力達(dá)到235萬(wàn)噸，國(guó)內(nèi)同口徑相比效率最高的煉鋼廠。由于連鑄機(jī)生產(chǎn)及工藝的需要，在低壓配電系統(tǒng)變壓器二次側(cè)的傳動(dòng)設(shè)備主要是電動(dòng)機(jī),采用變頻器驅(qū)動(dòng)的控制模式。在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)故出現(xiàn)斷路器跳閘、通訊中斷的現(xiàn)象，對(duì)生產(chǎn)造成較大影響，使管理陷入被動(dòng)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)試、分析及判斷，最終問(wèn)題的根源是由于諧波電流過(guò)大而產(chǎn)生的危害所致。通過(guò)采用有源電力濾波器對(duì)系統(tǒng)諧波進(jìn)行治理，實(shí)踐證明，它能夠有效地濾除諧波電流，防止由于諧波電流引起的斷路器跳閘和通訊中斷。

1 原因分析

1.1APF投入前負(fù)載電流測(cè)試

圖1 投入前三相負(fù)荷的電流波形（左）圖2 投入前三相負(fù)荷電流各次諧波的畸變（THD）（右）

圖3 投入前三相負(fù)荷電流各次諧波含量圖（左）圖4 三相系統(tǒng)電壓諧波的畸變（THD）值（右）

三相負(fù)荷總電流的波形如圖1所示。電流諧波的畸變（THD）值詳細(xì)信息如圖2所示。三相負(fù)荷電流各次諧波含量圖如3所示。由此可以得知，三相負(fù)荷電流中以5、7次諧波為主，5次諧波畸變率 （THD）約35%，7次諧波畸變率（THD）約12.7%，總諧波畸變率約38%。

1.2APF投入前負(fù)荷電壓測(cè)試

APF投入運(yùn)行前，三相系統(tǒng)電壓諧波的畸變（THD）值詳細(xì)信息如圖4所示。三相系統(tǒng)電壓的諧波含量總諧波畸變率約2.5%。

基于國(guó)標(biāo)規(guī)范畸變率THD的臨界點(diǎn)為5%，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)將產(chǎn)生很大的危害。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)的電流諧波畸變率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求,其造成了電流波形的嚴(yán)重畸變，加速了電力設(shè)備絕緣老化的加劇，產(chǎn)生通訊干擾，造成繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)或誤動(dòng),引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，是直接導(dǎo)致斷路器跳閘和通訊中斷的根本原因。

2 治理方案

2.1 無(wú)源濾波器的應(yīng)用

根據(jù)測(cè)試及供電情況，考慮到成本的因素，曾設(shè)計(jì)無(wú)源濾波器對(duì)諧波進(jìn)行治理，但使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于連鑄機(jī)系統(tǒng)負(fù)載電流變化快、諧波成分復(fù)雜，其不僅無(wú)法滿足濾除諧波的目的，而且在某頻段的諧波電流有所放大，不但沒(méi)有起到消諧作用，甚至起到了負(fù)作用。

2.2 諧波抑制

1）對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1。由于該系統(tǒng)工藝和生產(chǎn)需求，傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備基本以變頻器為主，而變頻器本身就是諧波源，因此要從裝置本身進(jìn)行改造消除諧波，基本上是不可能的。

2）裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波—有源濾波器的應(yīng)用與實(shí)踐。由于傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器存在諸多弊端,不能滿足需求，經(jīng)過(guò)信息搜集和調(diào)查研究,諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用電力有源濾波器（ActivePowerFilter，縮寫為APF）。它的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流,由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流,從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視,并且已在日本等國(guó)獲得廣泛應(yīng)用。為此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況針對(duì)性的制定了相應(yīng)解決方案如圖5所示。

圖5 APF系統(tǒng)治理示意圖

3 效果分析

由于系統(tǒng)中有類似移鋼車等不是連續(xù)工作制的負(fù)載，因此系統(tǒng)存在一定幅度的波動(dòng),以下是不同時(shí)段的數(shù)據(jù)檢測(cè)和結(jié)果分析。

1）使用APF后諧波電壓、諧波電流治理效果對(duì)比圖如圖 6、圖 7、圖 8、圖 9所示。

圖6 電壓電流波形投入有源電力濾波器前（左）圖7 電壓電流波形投入有源電力濾波器后（右）

圖8 電流畸變率投入有源電力濾波器前（左）圖9 電流畸變率投入有源電力濾波器后（右）

2）畸變率數(shù)值對(duì)比:

表1 畸變率數(shù)值對(duì)比

3）治理效果分析:

①投入濾波器前，電流波形失真非常嚴(yán)重，電流畸變率已經(jīng)達(dá)到38%,主要以5、7次諧波電流為主；投入濾波器后，電流畸變率降為4.3%，主要諧波基本被濾除，諧波濾除率達(dá)到88%。

②通過(guò)檢測(cè)的圖6～圖9可知,產(chǎn)生畸變的為負(fù)載側(cè)諧波電流的波形，正弦波形為補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)波形，由此圖形也可清晰看出負(fù)載電流變化之快。雖然負(fù)載電流變化快，但濾波器能夠迅速檢測(cè)到負(fù)載電流變化將補(bǔ)償電流反饋到電網(wǎng)，一方面說(shuō)明了濾波器具有良好的響應(yīng)時(shí)間和適應(yīng)面廣的特性,另一方面反映出濾波器能夠迅速將諧波進(jìn)行有效的消除。

③斷路器無(wú)故跳閘和通訊中斷的問(wèn)題得到了有效的解決，沒(méi)有再發(fā)生類似的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

安陽(yáng)鋼鐵股份公司第二煉鋼廠連鑄機(jī)系統(tǒng)通過(guò)近3年的有源電力濾波器的應(yīng)用，實(shí)踐證明，它能夠適用于變化較快的負(fù)載,對(duì)供電系統(tǒng)的非線性負(fù)載在工作過(guò)程中產(chǎn)生的諧波起到明顯的抑制作用，不但解決了存在的問(wèn)題，而且電網(wǎng)質(zhì)量得到明顯的改善，系統(tǒng)功率因數(shù)大于0.98，同時(shí)整個(gè)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量得到了很大的改善,也有效地促進(jìn)了生產(chǎn)在線設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

[1]吳競(jìng)昌,孫樹(shù)勤,宋文南,等.電力系統(tǒng)諧波[M].北京:水利電力出版社,1988.

[2]阿里拉加J,布萊德勒 DA,伯德格爾 PS.電力系統(tǒng)諧波.容建綱等譯.華中理工大學(xué)出版社,1994年第1版.

[3]GB/T14549-93,電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.

[4]王兆安,李民,卓放.瞬時(shí)無(wú)功功率理論和功率有源濾波器[D].90年代電工科技進(jìn)步與發(fā)展學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,No.10,1991,7,北京.