有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應用

錢長遠,汪良坤，趙 燕，連 濤，王寶安

(東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096)

晶閘管中頻電源的應用是從1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺感應熔煉電源開始的，并得到了廣泛應用，遍及熔煉、透熱、種子處理、環(huán)保等多個領域[1]。國內(nèi)晶閘管中頻電源已發(fā)展成為電力系統(tǒng)中最重要的非線性負荷。由于中頻電源裝置在實現(xiàn)功率控制和處理的同時，會不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，向電力系統(tǒng)注入諧波電流，使公共聯(lián)結(jié)點（PPC）的電壓波形嚴重畸變，使電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴重下降，電能損耗顯著上升，被公認為電力系統(tǒng)的一大公害，諧波治理工作尤為重要[2]。為減少中頻爐帶來的諧波污染，國內(nèi)已采用多脈動整流技術研制出了多種中頻爐設備，包括6脈，12脈，24脈中頻爐等，由于后兩者成本相對較高，因此大多煉鋼企業(yè)仍舊采用6脈動中頻爐進行金屬熔煉，其諧波污染問題仍不能忽視?，F(xiàn)階段對于中頻爐諧波的治理方法主要有2種方法：一種是補救性的治理方法，即為克服既存諧波問題所采用的方法；一種是避免中頻爐諧波出現(xiàn)的預防性的措施[3]。雖然第二種方法可以從根本上解決日益嚴重的諧波污染，但對于現(xiàn)已大量使用的中頻爐，則只有采用第一種方法補償其產(chǎn)生的諧波。將結(jié)合中頻爐的工作原理及其諧波治理措施進行討論，提出利用有源濾波器（APF）對6脈中頻爐工作的不同階段產(chǎn)生的諧波進行補償與治理分析。

1中頻爐工作原理

1.1中頻爐電氣原理

中頻爐是一種快速穩(wěn)定的金屬加熱裝置，其核心設備是中頻電源。中頻爐的電源通常采用AC-DC-AC變換方式，將輸入的工頻交流電輸出為中頻交流電，且頻率變化不受電網(wǎng)頻率的限制，其電路如圖1所示[4]。

1.2諧波分析

圖1中頻電源電路框圖

中頻電源注入電網(wǎng)的諧波主要是由整流裝置產(chǎn)生的，這里以三相6脈動全控橋式整流電路為例來分析其諧波含量。忽略三相橋式晶閘管整流電路換相過程和電流脈動，假定交流側(cè)電抗為0，直流電感為無窮大，利用傅里葉分析方法，將電流負、正兩半波的中點作為時間零點，可推出交流側(cè)a相電流的表達式：

式中：Id為整流電路直流側(cè)電流的平均值。

由式（1）可知，對于6脈動的中頻爐來說，它可產(chǎn)生大量的5次，7次，11次，13次，17次，19次等諧波，可歸納為6k±1（k為正整數(shù)）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)[5]。

2 6脈中頻爐的建模仿真

利用PSIM軟件分別建立電流型中頻爐和電壓型中頻爐的仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。電流型中頻爐逆變側(cè)由4個晶閘管橋臂組成，電壓型中頻爐逆變側(cè)由4個IGBT組成。將中頻爐加熱頻率設為1 000 Hz，中頻爐額定功率P為100 kW，電源電壓U為220 V。根據(jù)所建仿真模型，得到中頻爐的輸入諧波特性：電流型中頻爐輸入側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖4所示，電壓型中頻爐輸入側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖5所示。

仿真分析結(jié)果驗證了理論上的諧波分析。中頻爐采用6脈波整流電路，通過FFT分析得知輸入側(cè)電流中含有大量的6k±1次諧波，其中5次諧波含量很大，

圖2電流型中頻爐結(jié)構(gòu)

圖3電壓型中頻爐結(jié)構(gòu)

圖4電流型中頻爐輸入側(cè)電流波形和頻譜

圖5電壓型中頻爐輸入側(cè)電流波形和頻譜

通過計算得出電流型諧波電流總畸變率為19.71%，電壓型諧波電流總諧波畸變率為19.26%，嚴重超過國家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標準。

3諧波治理措施

3.1治理方案

為了使中頻爐產(chǎn)生的諧波對公共電網(wǎng)的影響符合設備使用地供電系統(tǒng)的要求，可采取積極有效的治理措施以消除諧波污染，具體治理措施如下[6]：

一是變壓器采用Y/Y/Δ接線方式。對于大容量的中頻爐，其供電變壓器可以采用Y/Y/Δ接線方式，通過改變整流器交流側(cè)變壓器的接線形式來抵消較低次的特征諧波。但成本較高。

二是采用LC無源濾波器，主要結(jié)構(gòu)是用電容器與電抗器串聯(lián)起來，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中。這種方法比較傳統(tǒng)，既可補償諧波，又可補償無功功率，結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。但補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，且只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

三是采用APF，這是諧波抑制比較新的方法[7]。APF是一種動態(tài)諧波補償設備，具有高度可控性和快速響應性，能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，動態(tài)特性好，且補償特性不受阻抗的影響，諧波補償效果最佳，因而受到廣泛重視。

3.2 APF工作原理

采用并聯(lián)型APF，其主電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，出口處采用LCL濾波器連接電網(wǎng)，用于濾除開關次諧波。采用一種新型的基于直流側(cè)電容電壓控制和電流閉環(huán)反饋控制的算法[8]，從瞬時有功和瞬時無功能量在系統(tǒng)中傳遞的角度出發(fā)，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)有功能量為主要目標來對輸入的電流進行控制。

圖6 APF主電路結(jié)構(gòu)

APF的工作原理如圖7所示。指令電流運算電路，一方面為達到消除諧波和補償無功功率的目的，將負載電流iL中的諧波電流iLh和無功電流iLq分離出來，產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號i*c1；另一方面為保持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定，采用PI調(diào)節(jié)控制法：將檢測到的電容電壓實際值與給定的參考電壓值相減之差通過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號i*c2，并將i*c2作為實際的補償電流指令值疊加到i*c1上，即：

作為補償電流ic的調(diào)制波信號。通過正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術產(chǎn)生輸出觸發(fā)脈沖，通過驅(qū)動電路驅(qū)動主電路的功率開關，使其創(chuàng)建出補償電流ic來跟蹤指令電流，故ic≈因此電源電流is為：

即電源電流is中只含有基波有功分量iLP。

圖7 APF工作原理

4 APF應用于6脈中頻爐的諧波治理效果

APF研制成功后，在蘇州振吳電爐有限公司投入運行。該公司裝有1臺1 600 kV·A主變，在該公司380 V母線上，安裝了1臺100 kW的中頻爐，及其他無功補償設備。380 V/220 kV·A的APF安裝在變壓器低壓側(cè)，即中頻爐的接入點。針對6脈中頻爐不同階段的波形進行實測，得到補償前后的電流波形（波形由恒河DL750錄波儀測得）；將波形數(shù)據(jù)導入MATLAB中進行FFT分析，得到補償前后電源側(cè)電流對應的頻譜分析圖，如圖（8—13）所示。

圖8中頻爐空載時負載側(cè)和電源側(cè)電流波形

對6脈中頻爐在空載、50%負載、滿載3種不同階段的電源側(cè)電流波形及頻譜分析可知，在未使用APF進行諧波治理前，中頻爐投入運行時，電源側(cè)電流波形出現(xiàn)嚴重畸變，諧波電流組成主要為5次，7次，11次，13次諧波電流，諧波畸變率較大。針對中頻爐滿載的典型情況，補償前系統(tǒng)電流的5次，7次，11次，13次諧波含有率明顯超高，尤其5次諧波含有率達到21.49%，7次諧波電流達11．77%。諧波畸變率THD高達27.9%。投入APF進行諧波治理后，5次，7次，11次，13次諧波諧波含有率迅速下降，電流波形接近于正弦波，電能質(zhì)量得到顯著改善。針對中頻爐滿載的典型情況，補償后諧波畸變率THD下降到3.8%，符合國家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標準，補償效果良好。

圖9 中頻爐空載時負載側(cè)（THD＝110%）和電源側(cè)電流頻譜（THD＝10.3%）

圖10中頻爐50%負載時負載側(cè)和電源側(cè)電流波形

圖11 中頻爐50%負載時負載側(cè)（THD＝34.3%）和電源側(cè)電流頻譜（THD＝5.4%）

圖12中頻爐滿載時負載側(cè)和電源側(cè)電流波形

圖13 中頻爐滿載時負載側(cè)（THD＝27.9%）和電源側(cè)電流頻譜（THD＝3.8%）

5結(jié)束語

將APF應用于6脈中頻爐的諧波治理中，通過對補償前后的諧波情況進行對比與分析，可知電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了顯著改善，其電流畸變率迅速下降，從而降低了中頻爐對電網(wǎng)的諧波污染，并改善了其他用電設備的運行環(huán)境，為企業(yè)節(jié)約大量電能。因此，APF將在6脈中頻爐的諧波治理上得到廣泛的應用。

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