冶金企業(yè)集中接入配網(wǎng)的諧波影響及對策分析

孫文華 ，陳 龍，袁曉冬

(1.常州供電公司，江蘇常州2 1 3 0 0 4；2.中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州2 2 1 0 0 8；3.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京2 1 1 1 0 3)

冶金企業(yè)用電設(shè)備多數(shù)為非線性負荷，非線性負荷設(shè)備向電網(wǎng)中注入諧波，會造成公共連接點的波形畸變，供電質(zhì)量降低。隨著冶金行業(yè)的蓬勃發(fā)展，非線性負荷不斷增長，造成某一地區(qū)電網(wǎng)中冶金企業(yè)集中接入現(xiàn)象增多。現(xiàn)有的研究中，針對單個冶金企業(yè)對電網(wǎng)的影響分析較多，而對集中接入存在的問題研究較少。文中介紹了冶金企業(yè)典型負荷諧波發(fā)射水平，在多諧波源諧波迭加方法的基礎(chǔ)上，分析了冶金企業(yè)集中接入產(chǎn)生諧波對常州地區(qū)電網(wǎng)的影響，并提出了相應(yīng)治理辦法。

1諧波限值的規(guī)定

電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電。而在實際工況下，諧波是造成公共連接點電能質(zhì)量下降的重要因素之一。諧波可能會導(dǎo)致?lián)p耗增加、繼電保護裝置誤動作、設(shè)備壽命縮短。為了確保電力系統(tǒng)的安全運行和供用電設(shè)備的正常工作，必須對諧波污染加以限制。我國國家標準G B/T 1 4 5 4 9-1 9 9 3《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對電力系統(tǒng)諧波電壓、諧波電流限值做出了明確的規(guī)定。

2冶金企業(yè)典型負荷的諧波分析

冶金行業(yè)用電設(shè)備主要為直流電動機和變流器驅(qū)動、交流電動機變頻調(diào)速驅(qū)動、變壓器、電抗器、電力電子裝置等非線性負載。非線性負載是指具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備，其阻抗隨外施電壓或電流的變化而變化。當向非線性負荷施加標準正弦波形的電壓時，它將產(chǎn)生非正弦波形的電流。因此，非線性負荷最大特點是會引起電力系統(tǒng)電壓或電流正弦波形的畸變，產(chǎn)生諧波分量。

電弧爐、中頻爐、軋機等設(shè)備是冶金企業(yè)最常用的也是最主要的非線性負荷。下面就冶金企業(yè)典型非線性負荷諧波發(fā)射水平做簡要分析。

2.1電弧爐

電弧爐在冶煉過程中，主要因為電弧阻抗不穩(wěn)定，并且在交流電弧的半個周期中電弧阻抗也在變動，造成了電弧電流的非正弦畸變，產(chǎn)生各次諧波。電弧爐電弧電流具有數(shù)值大而且不平衡、畸變和不規(guī)則波動的特點。電弧爐交流電的正負半周換相，電極和爐料交替作為陰極和陽極，導(dǎo)致電流正負2個半周不對稱，造成偶次諧波；三相電弧不均衡導(dǎo)致3次諧波[1]。所以其電流波形不是正弦波，可分解為2次和2次以上的各次諧波電流，主要為2～7次，其中各次諧波平均值含有量和最大含有量可達基波分量的百分比如表1[2]所示。常州市某冶金企業(yè)電弧爐1 0 k V爐前變諧波電流含有量實測值表如2所示。

表1電弧爐諧波電流含有率

表2電弧爐諧波電流發(fā)生量實測值

2.2中頻爐

中頻爐中頻電源主電路采用三相全控整流橋，包括整流電路、逆變電路和負載諧振電路。整流器件為晶閘管，應(yīng)用電路多數(shù)為6脈波或1 2脈波整流電路。在6脈波整流的電路中，交流側(cè)電流中含6 k±1（k為正整數(shù)）次諧波電流，這些諧波成為整流電路的特征諧波[3]。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，而且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。即6脈波整流的中頻爐中，5次和7次諧波含所占比例較高，對總諧波含量影響最大。1 1次，1 3次，1 7次，1 9次諧波含量相對較高，對諧波總含量也有一定影響。同理，若中頻爐的整流電路為1 2脈波整流，則特征諧波的次數(shù)為1 2 k±1。依次類推，脈波整流電路的特征諧波次數(shù)為pk±1。實際測試中某企業(yè)中頻爐諧波電流頻譜如圖1所示。

2.3軋機

軋機是實現(xiàn)金屬軋制最常用的設(shè)備?，F(xiàn)代大型軋機運行時產(chǎn)生的有功沖擊和無功沖擊對電網(wǎng)的頻率和電壓都產(chǎn)生影響。由于軋機控制性能的要求，大部分軋機主傳動裝置使用晶閘管整流的直流傳動系統(tǒng)，部分軋機主傳動使用晶閘管變流的交-交變頻傳動系統(tǒng)。軋機系統(tǒng)的整流裝置屬于典型的脈沖整流裝置，軋機由于晶閘管調(diào)相調(diào)壓的非線性特點，造成軋機電壓電流波形畸變，產(chǎn)生大量的諧波。

3多諧波源迭加分析

當某個企業(yè)有多臺非線性設(shè)備，或電網(wǎng)某條線路存在多個企業(yè)接入的情況下，各個諧波源產(chǎn)生的諧波相互迭加將對電網(wǎng)產(chǎn)生進一步的影響。在計算多諧波源迭加時，根據(jù)諧波源類型的不同主要有以下2種迭加方法。

3.1變流器類型諧波源

中頻爐、軋機等諧波源為電力電子變換裝置，主要包括各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等。盡管該類諧波源諧波發(fā)射水平的影響因素十分復(fù)雜和繁多，但有一定的規(guī)律。以中頻爐為例評估諧波注入，2臺爐按下式進行迭加計算：

式中：Ih為迭加后的第h次諧波電流；Ih1，Ih2分別為2個諧波源的第h次諧波電流；Kh為迭加系數(shù)。當同次諧波源相角差θ確定時，Kh=2 c o s θn；當相角差不能確定時，Kh按表3選取。當數(shù)臺中頻爐同時計算時，應(yīng)首先按照2個諧波電流迭加，然后再與第3個諧波電流迭加，依此類推。

表3同次諧波電流迭加系數(shù)

3.2時變諧波源

電弧爐負荷屬于時變諧波源，發(fā)生諧波特征和大小隨時間變化，其諧波電流都是隨機變化的。因此2臺電弧爐同次諧波電流的迭加計算時，Ih1和Ih2彼此間無任何聯(lián)系，所以不應(yīng)用疊加系數(shù)，直接按式（2）計算，采用均方根計算值。多臺電弧爐同次諧波電流迭加計算也按此方法進行[4]。

冶金企業(yè)集中接入配電網(wǎng)地區(qū)諧波源分布廣泛，準確評估同種和不同諧波源諧波迭加情況，有助于把握電網(wǎng)中諧波的總體含量，為相應(yīng)的治理措施提供決策依據(jù)。

4常州市諧波影響現(xiàn)狀

隨著常州市現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，煉鋼、軋輥、鑄造等冶金企業(yè)的數(shù)量、規(guī)模不斷增長。常州地區(qū)是典型的冶金企業(yè)集中接入配電網(wǎng)地區(qū)，諧波源負荷類型多且復(fù)雜、諧波迭加情況嚴重。

文中對常州地區(qū)電網(wǎng)和主要用戶進行了電能質(zhì)量普測工作。統(tǒng)計在內(nèi)的4 0個大容量非線性負荷電能質(zhì)量污染源用戶中，其中3 2個用戶屬于冶金企業(yè)，且近半數(shù)的冶金企業(yè)存在電能質(zhì)量超標現(xiàn)象，如表4所示。

表4冶金企業(yè)主要負荷諧波超標數(shù)量 個

可見，冶金企業(yè)集中接入配電網(wǎng)諧波超標現(xiàn)象明顯，對電能質(zhì)量造成明顯影響。具體測試結(jié)果表明：

（1）用戶諧波電壓一般不存在超標現(xiàn)象，諧波電流超標比較普遍，超標的企業(yè)中大多數(shù)是冶金企業(yè)。

（2）所有諧波超標用戶的主要負荷均為電弧爐、中頻爐、軋機3種中的1種或幾種。此類用戶的5次，7次等典型諧波電壓電流含量、諧波畸變率等指標一般都處于較高水平，且部分指標已經(jīng)超出國家標準。

（3）未按要求采取諧波治理措施的企業(yè)諧波含量豐富，諧波都處在較高的發(fā)射水平。而已安裝濾波裝置企業(yè)，諧波含量一般符合國家標準中規(guī)定的限值。圖2、圖3分別為未采取任何治理措施和采用了一定治理措施的企業(yè)的諧波電流頻譜。比較可知，不采取治理措施時各次諧波含量豐富，而應(yīng)用治理措施的企業(yè)雖然5次，7次等典型次諧波仍高于其他次諧波，但整體已處于較低水平。

（4）部分企業(yè)已安裝5次，7次等特征次諧波濾波裝置，特征次諧波含量處于限值以下，但1 1次，1 3次，2 3次，2 5次等其他次諧波含量存在超出標準限值現(xiàn)象，如圖4所示。

從常州地區(qū)電網(wǎng)整體電能質(zhì)量測試情況看，大型電能質(zhì)量污染企業(yè)、工廠分布較少的市區(qū)電能質(zhì)量情況良好，基本無諧波超標問題。少數(shù)變電站諧波電流含量和總畸變率較大，超出國標要求，主要由于低壓系統(tǒng)采用的無功補償裝置通常沒有考慮諧波的影響所致。農(nóng)村電網(wǎng)由于自身容量較小，小型冶金用戶非線性負荷分布廣，且用戶也較少考慮諧波問題。因此，它們所帶來的電能質(zhì)量問題，可能在局部對電網(wǎng)和其他用戶造成影響。電能質(zhì)量指標超出國標限值比較嚴重的城郊等地區(qū)，一般都存在冶煉、鑄造、軋鋼等有大量的變頻器群和電弧爐等諧波源的重工業(yè)企業(yè)。

5諧波治理措施

5.1常州地區(qū)現(xiàn)狀

冶金企業(yè)集中接入地區(qū)諧波超標現(xiàn)象普遍，對電網(wǎng)造成影響惡劣，必須加以限制?，F(xiàn)有的諧波治理裝置主要分為無源濾波器和有源濾波器2種，諧波治理的另一個方向是，諧波治理與無功補償相結(jié)合的方式。

常州地區(qū)統(tǒng)計在內(nèi)的3 2家大容量冶金企業(yè)中，已經(jīng)采用治理措施的企業(yè)有1 4家，其中9家采用以單調(diào)諧加高通濾波為主的無源濾波器和5家應(yīng)用靜止無功補償裝置（S V C）進行綜合治理。從治理效果上看，采用無源濾波裝置進行諧波治理的企業(yè)中，仍有部分存在高次諧波超標現(xiàn)象，而應(yīng)用S V C進行綜合補償?shù)钠髽I(yè)諧波水平幾乎均控制在合理的范圍內(nèi)。由于技術(shù)經(jīng)濟等多方面的原因，有源濾波器尚未在常州地區(qū)大規(guī)模投入使用。

5.2典型案例

常州市在諧波超標的冶金企業(yè)中，有近1/3的用戶是在安裝了濾波器后仍出現(xiàn)諧波超標現(xiàn)象，原因主要是這些企業(yè)大部分采用無源濾波器，其本身存在易受電網(wǎng)運行狀態(tài)影響、只能補償固定頻率諧波等問題。

某冶金企業(yè)主要負荷為軋機、中頻爐，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量諧波,采用傳統(tǒng)的無源濾波裝置濾波效果不明顯。企業(yè)更改治理措施后，在其配電變電站1 0 k V母線上采用靜止無功發(fā)生器（S V G）和濾波器（F C）相結(jié)合的形式進行濾波和無功綜合補償，其一次系統(tǒng)圖如圖5所示。該方案能夠?qū)ο到y(tǒng)的無功量進行跟蹤補償，做到無級調(diào)節(jié)，并能有效濾除諧波，穩(wěn)定電壓。設(shè)備運行之后諧波治理的效果顯著，各項指標均滿足國家標準。治理前后電流波形如圖6所示。

5.3濾波方案

冶金企業(yè)一般可采用增設(shè)5次，7次，1 1次，1 3次靜態(tài)型無源濾波裝置進行就地治理[5]，濾波器典型組合見表5。效果不明顯時，宜配置有源濾波器或采用諧波治理與無功綜合補償相結(jié)合的方案。有源電力濾波器（A P F）能補償各次諧波，原則上能達到完全濾波的效果。而S V C和S V G在諧波抑制、綜合補償?shù)膶嵺`中顯示了技術(shù)上的優(yōu)勢和良好的效果，有效地降低了對電網(wǎng)的不利影響。在設(shè)計濾波裝置時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場供電系統(tǒng)短路容量、變壓器短路阻抗、負荷狀況等數(shù)據(jù)考慮具體方案。

冶金企業(yè)負荷情況復(fù)雜，諧波超標現(xiàn)象嚴重，治理較為困難。針對冶金企業(yè)集中接入配電網(wǎng)的情況，電力管理部門應(yīng)從宏觀上更加有計劃的制定諧波治理措施，避免企業(yè)由于經(jīng)濟技術(shù)等原因而放棄治理或采用傳統(tǒng)落后的治理方式，避免某個企業(yè)諧波治理后符合標準但可能導(dǎo)致其他企業(yè)諧波放大等現(xiàn)象。在諧波治理策略上建議考慮綜合治理，即在重要諧波源處采用就地治理方式，而對于一般負荷在總進線處集中治理。這樣既能達到理想的諧波治理效果，又能節(jié)約治理的投入。由此確保電網(wǎng)中諧波含量限制在合理的水平。此外，還必須貫徹“堵新治舊”諧波管理方針。在審查新上和擴建的電能質(zhì)量污染源項目的接入方案時，應(yīng)同時進行諧波項目的評估，諧波治理措施要與工程項目同步實施。對于現(xiàn)有的諧波源用戶，在實測的基礎(chǔ)上，積極分析治理方案；污染嚴重的用戶，必須提出限期整改的計劃和措施。

表5濾波器典型組合方案

6結(jié)束語

冶金企業(yè)集中接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響較為惡劣，為保證電網(wǎng)諧波限制在合理水平，在滿足用戶要求的基礎(chǔ)上保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行，應(yīng)加強對諧波等電能質(zhì)量相關(guān)問題的研究，實現(xiàn)更經(jīng)濟適用和切實有效的治理辦法。電力部門還需做好引導(dǎo)和監(jiān)管工作，樹立和增強維護電能質(zhì)量的意識，提升電能質(zhì)量管理水平，

力爭為用戶提供更優(yōu)質(zhì)高效的電能。

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