一種新型的諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償方法

呂春美，張周麟，劉健犇，陳喬夫

（1.麗水電業(yè)局，浙江 麗水 323000；2.華中科技大學(xué)，武漢 430074）

一種新型的諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償方法

呂春美1，張周麟1，劉健犇2，陳喬夫2

（1.麗水電業(yè)局，浙江 麗水 323000；2.華中科技大學(xué)，武漢 430074）

分析某鋼鐵廠(chǎng)用戶(hù)設(shè)備由于采用相控整流電路后帶來(lái)的諧波問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型無(wú)源濾波器進(jìn)行諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償方案，實(shí)踐表明該方案的濾波及無(wú)功補(bǔ)償效果良好。

諧波抑制；無(wú)功補(bǔ)償；無(wú)源濾波器；中頻爐

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用，從而也給電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染。諧波電流會(huì)增加功率損耗，影響用戶(hù)自身用電設(shè)備和電網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)系統(tǒng)諧振和電力系統(tǒng)事故。某鋼廠(chǎng)用戶(hù)由于諧波污染嚴(yán)重，導(dǎo)致4臺(tái)中頻爐變壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)爐變）燒損，經(jīng)濟(jì)損失慘重。通過(guò)調(diào)查分析，綜合考慮各種因素，設(shè)計(jì)一種新型諧波抑制裝置：在爐變低壓側(cè)裝設(shè)無(wú)源濾波器，在高壓側(cè)串聯(lián)電抗器，充分考慮裝置絕緣距離以及諧波電流較大情況下消諧裝置的保護(hù)問(wèn)題，取得了預(yù)期效果。

1 諧波分析

某鋼廠(chǎng)有4條鋼鐵生產(chǎn)流水線(xiàn)，每條生產(chǎn)線(xiàn)均通過(guò)1臺(tái)Δ/Δ/Y連接的主變壓器將35 kV母線(xiàn)電壓降至950 V，經(jīng)12脈波整流后再進(jìn)行單相逆變，最終把50 Hz電網(wǎng)電壓變?yōu)?00 Hz中頻電壓。

每臺(tái)爐變參數(shù)是35 kV/950 V/950 V，6 300 kVA。12脈波整流如圖1所示，包括兩個(gè)6脈波整流器，輸入電壓有30°的相移。假設(shè)3個(gè)繞組的匝比為可以保證變壓器的電壓變比為1∶1∶1，使變壓器只改變相角，不改變電壓的大小。

三繞組變壓器相當(dāng)于兩臺(tái)獨(dú)立的變壓器，一臺(tái)的連接組號(hào)是Dd0，另一臺(tái)是Dy11。所以，一次側(cè)繞組電流可以等效為兩個(gè)二次側(cè)繞組折算到一次側(cè)的電流之和：iA=iA1+iA2。

圖1 12脈波整流電路示意圖

Dd0連接的等效變壓器的一次側(cè)電流和二次側(cè)電流相等。Dy11連接的等效變壓器一次側(cè)線(xiàn)電流的基波和正序次諧波滯后對(duì)應(yīng)的二次側(cè)線(xiàn)電流30°，一次側(cè)線(xiàn)電流的負(fù)序次諧波超前對(duì)應(yīng)的二次側(cè)線(xiàn)電流30°?？傻靡淮蝹?cè)的線(xiàn)電流iA為：

其中k=1、2、3……。從上式可看出，一次側(cè)線(xiàn)電流中不含有5次和7次諧波。

濾波前35 kV側(cè)電壓電流波形和諧波含量見(jiàn)圖2和表1。

圖2 濾波前的實(shí)際電壓、電流波形

2 一種新型的諧波抑制方法

目前，電力系統(tǒng)用戶(hù)諧波治理采取的方法是“誰(shuí)污染誰(shuí)治理”，即在用戶(hù)側(cè)就地治理。如果在35 kV高壓側(cè)治理，對(duì)消諧設(shè)備的絕緣性能要求較高，同時(shí)流過(guò)消諧設(shè)備的電流較大，要求消諧裝置的安裝容量也很大，造成消諧成本增加。若消諧設(shè)備出現(xiàn)故障，會(huì)改變供電系統(tǒng)電感電容參數(shù)，在一定條件下易引發(fā)系統(tǒng)諧振，危及電網(wǎng)安全。有用戶(hù)曾在35 kV用戶(hù)變母線(xiàn)側(cè)裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC，因晶閘管水冷卻系統(tǒng)斷電后引起爆炸，最終引起系統(tǒng)故障，造成大面積停電，兩個(gè)小時(shí)后才恢復(fù)供電，事故造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，在多諧波源供電區(qū)域，從供電安全性角度考慮，對(duì)中頻爐用戶(hù)不宜在用戶(hù)變高壓側(cè)安裝消諧裝置。

鑒于此，本文提出了一種新型的基于低壓側(cè)諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒?，即：將無(wú)源濾波器設(shè)置在低壓側(cè)，為避免不同諧振點(diǎn)的消諧支路互相影響，只設(shè)置11次單調(diào)諧消諧支路，同時(shí)削弱13次諧波電流。為提高消諧效果，同時(shí)在高壓側(cè)設(shè)置串聯(lián)電抗器。

3 串聯(lián)電抗器的作用分析

（1）高壓側(cè)設(shè)置串聯(lián)電抗器后，會(huì)引起無(wú)功功率的損耗，因此選擇電抗率為3%～15%。若實(shí)際電抗率選6%，工廠(chǎng)電源設(shè)備容量為50 MVA，則系統(tǒng)的額定相電流為：

若設(shè)計(jì)串聯(lián)電抗器的電感值為4.75 mH，當(dāng)4個(gè)煉鋼爐同時(shí)工作時(shí)，總電流將達(dá)到500 A以上，因此由于串聯(lián)電抗器帶來(lái)的無(wú)功功率損耗將達(dá)到：

Qloss=3ωLI2=3×314×4.75×10-3×5002=1 118.6 kvar

功率因數(shù)會(huì)降低1個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)際的功率因數(shù)為0.92，和仿真結(jié)果相似。

（2）串聯(lián)電抗器能增加系統(tǒng)的阻抗，迫使更多的諧波電流流入無(wú)源濾波器中，增強(qiáng)濾波效果，原理如圖3所示。

在圖3中，LS為系統(tǒng)內(nèi)阻抗電感值，LS1為串聯(lián)電抗器的電感，L和C是無(wú)源濾波器的電感和電容值。XS，XS1，XL和XC分別表示系統(tǒng)內(nèi)阻抗、串聯(lián)電抗、濾波支路電抗器和電容器的基波阻抗值。IL為負(fù)載電流，IS為流入系統(tǒng)的電流，IC為流入無(wú)源濾波支路的電流，上標(biāo)（n）表示電流中的n次諧波。

表1 35 kV側(cè)電壓電流諧波含量報(bào)表

圖3 主回路串聯(lián)電感示意圖

由圖3可知，流入系統(tǒng)的諧波電流和流入濾波器的諧波電流分別為：

經(jīng)過(guò)串聯(lián)電抗器之后，系統(tǒng)和濾波器之間的并聯(lián)諧振點(diǎn)為：

系統(tǒng)的等效阻抗增加，消諧效果更好，并聯(lián)諧振點(diǎn)將向更低頻帶移動(dòng)。

該35 kV系統(tǒng)的最大短路容量SN為218.8 MVA，系統(tǒng)阻抗大約10 mH，由變壓器的銘牌可知：Uσ1=3%，Uσ2=1.5%。

無(wú)串聯(lián)電抗器時(shí)系統(tǒng)的等效阻抗為圖3中的XS，等于35 kV系統(tǒng)內(nèi)阻抗、變壓器一次側(cè)漏抗和變壓器二次側(cè)漏抗之和。將參數(shù)折算到二次側(cè)，有：

上式中，U1N=35 kV，U2N=0.95 kV，分別為變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的額定電壓。

加串聯(lián)電抗器后，系統(tǒng)的等效阻抗為：

設(shè)置串聯(lián)電抗器前后，流入系統(tǒng)的諧波電流與負(fù)載諧波電流之比IS/IC如圖4所示。從圖4可以看到，設(shè)置串聯(lián)電抗器后，流入系統(tǒng)的高次諧波減少了。因此在系統(tǒng)中主要諧波11次和13次諧波電流消除的情況下，串聯(lián)電抗器極大提高了諧波抑制的效果。

圖4 流入系統(tǒng)的諧波電流（諧波階次）

同樣可以從圖4看到，串聯(lián)電抗器會(huì)增大低次諧波的放大系數(shù)。但是5次和7次諧波電流在主變的一次側(cè)抵消，因此實(shí)際的放大系數(shù)并不大。除此之外，串聯(lián)電抗器在故障發(fā)生時(shí)還起到限流電抗器的作用，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 消諧效果分析

濾波前的圖形如圖2所示，濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)為35 kV側(cè)串聯(lián)電抗器4.75 mH，無(wú)源濾波支路中電抗器和電容器參數(shù)分別為17.7μH和620 μH。

對(duì)照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可知，經(jīng)過(guò)治理之后，用戶(hù)變35 kV母線(xiàn)電壓總畸變率從9.543%降至2.51%，進(jìn)線(xiàn)電流總畸變率從14%降至2.67%，治理后的實(shí)際電壓、電流波形和諧波含量分別如圖5和表2所示。

表2 35 kV側(cè)電壓電流諧波含量報(bào)表

圖5 濾波后實(shí)際的電壓波形和電流波形

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，上述新型諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償方法對(duì)特種12脈波整流電路和中頻爐諧波源抑制效果顯著，與傳統(tǒng)的消諧裝置相比，投資少，運(yùn)行穩(wěn)定，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果好，為35 kV 12脈中頻煉鋼爐的諧波抑制提供了很多有用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（1）低壓側(cè)的控制能夠達(dá)到更好的效果和可靠性。

（2）空心電抗器的電感值恒定，更適用于諧波抑制的領(lǐng)域。

（3）中頻感應(yīng)電爐有其特殊性，在大多數(shù)工作時(shí)段內(nèi)的功率因數(shù)較高，僅在鋼水流出的時(shí)候較低。因此，在鋼材熔化的時(shí)候應(yīng)該補(bǔ)償功率因數(shù)以確保平均功率因數(shù)足夠高。沒(méi)有必要設(shè)置很多的諧波抑制支路。

（4）采用該濾波方案時(shí)，當(dāng)整流回路發(fā)生觸發(fā)不均等不對(duì)稱(chēng)性故障時(shí)有激發(fā)諧振的危險(xiǎn)，應(yīng)予以注意。

該方案先后在數(shù)家同類(lèi)型用戶(hù)中實(shí)際應(yīng)用，取得良好的治理效果，對(duì)相同性質(zhì)的中頻爐諧波治理具有較好的推廣意義。

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（本文編輯：龔 皓）

A New Approach to Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation

LV Chun-mei1，ZHANG Zhou-lin1，LIU Jian-ben2，CHEN Qiao-fu2
（1.Lishui Electric Power Bureau,Lishui Zhejiang 323000,China；2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

Through the analysis of the harmonic problem resulted from adopting phase-controlled rectifying circuit for the user equipment in a steel plant,a new type of passive filter is designed for harmonic suppression and reactive power compensation.The practice indicates that itachieves desirable effects of filtration and reactive power compensation.

harmonic suppression；reactive power compensation；passive filter；medum-frequency furnace

TM761+.12

：A

：1007-1881（2010）12-0028-04

2010-09-14

呂春美（1967-），女，浙江松陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事無(wú)功電壓、電能質(zhì)量技術(shù)管理工作。