鍛造企業(yè)群聚式中頻爐對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響分析

周計(jì)晨，王海群，馮 歡

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 201199；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司客戶服務(wù)中心，上海 200031；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122）

0 引言

隨著節(jié)能減排和環(huán)境要求的不斷提高，以電力為能源的晶閘管中頻感應(yīng)加熱設(shè)備在我國(guó)鍛造企業(yè)開始被大量使用。晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置的工作原理為：經(jīng)晶閘管橋式整流，把三相交流電變?yōu)橹绷麟?再經(jīng)晶閘管逆變?yōu)閱蜗嘀蓄l電源。在由交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程中，由于晶閘管器件的半控型造成了功率因數(shù)低；而晶閘管的非線性的特點(diǎn)，則造成電源側(cè)大量的諧波產(chǎn)生［1－3］。

諧波電流的產(chǎn)生會(huì)引起無功功率增加、功率因數(shù)降低，使電網(wǎng)中的變壓器、交流電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的損耗加大，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣老化加速，從而引起用電設(shè)備的噪聲及振動(dòng)增加、電容器過流，對(duì)通信儀表造成干擾，甚至引起繼電保護(hù)誤動(dòng)作的發(fā)生。因此在中頻爐等諧波污染源接入電網(wǎng)前，需要進(jìn)行仿真計(jì)算和評(píng)估［4－5］。

由于規(guī)模較大的鍛造企業(yè)生產(chǎn)需求較高，其配備的中頻裝置往往不止一臺(tái)甚至不止一個(gè)種類，這些不同的中頻裝置之間相互影響程度，在進(jìn)行評(píng)估計(jì)算時(shí)往往至關(guān)重要。

本文以某具有群聚式中頻爐鍛造公司為例，基于該鍛造公司的供電模式和內(nèi)部用電資料，對(duì)其對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，并針對(duì)評(píng)估結(jié)果提出有益建議。

1 群聚式中頻爐負(fù)荷資料

某鍛造公司供電一次接線示意圖如圖1所示。由圖1可知，一路35 k V為常用電源，2臺(tái)變壓器容量為12500 k VA。

35 k V供電線路來自220 k V變電站的35 k V一段母線，在廠內(nèi)，35 k V母線經(jīng)過兩臺(tái)12500 k VA變壓器變到10 k V，主要負(fù)荷為中頻爐和其壓機(jī)沖床設(shè)備等。在10 k V母線上，分別帶有電容器。

中頻爐整流單元參數(shù)如表1和表2所示，正常功率是指變頻器同行運(yùn)行的功率。

圖1 某鍛造公司供電一次接線示意圖

表1 中頻爐整流變壓器參數(shù)

表2 整流器參數(shù)

大規(guī)模的中頻爐整流裝置，一般均帶有自身的諧波治理裝置，該鍛造公司的部分中頻整流設(shè)備自帶的濾波設(shè)備，參數(shù)如表3所示。

該公司目前采用的濾波器主要針對(duì)5、7次諧波，除2號(hào)2500T外，其他中頻爐均配置了5次濾波器。

表3 濾波器參數(shù)

2 中頻爐諧波模型的建立

首先計(jì)算一個(gè)6脈沖單元整流器諧波特性的理論值，整流器采用晶閘管的三相全橋可控整流結(jié)構(gòu)。通常，整流器通過定電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)定功率控制模式，改變點(diǎn)火角實(shí)現(xiàn)整流器的功率調(diào)節(jié)。

可控整流器的運(yùn)行狀態(tài)量，需要在建立變頻器的一套線性化方程組的基礎(chǔ)上，通過迭代求解得到。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文在近似認(rèn)為變頻器直流電壓保持不變下，直接計(jì)算近似得到其它各運(yùn)行參量。

當(dāng)?shù)趇臺(tái)整流器直流功率為Pd，電流調(diào)節(jié)器的整定值Id為：

點(diǎn)火角與直流電壓關(guān)系可通過下式計(jì)算得到：

疊弧角γ的理論值為：

整流器交流側(cè)第n次諧波電流In的計(jì)算公式為：

式中：Ia為整流器交流側(cè)基波電流有效值，Ia＝0.78Id。

按照鍛造公司的資料信息，根據(jù)變頻器參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，該鍛造公司各中頻爐的各6脈沖支路的典型諧波特性理論計(jì)算值如表4所示。

表4 中頻爐整流單元的諧波發(fā)射特性 電流／A

3 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)用戶注入電網(wǎng)的諧波限值的計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)定，用戶限值與公共連接點(diǎn)（PCC）的最小短路容量、供電容量以及用戶的協(xié)議容量有關(guān)。

根據(jù)該鍛造公司的供電方式及供電線路，在評(píng)價(jià)諧波發(fā)射水平時(shí)，選取220 k V變電站35 k V母線作為公共連接點(diǎn)（PCC）。該公共連接點(diǎn)的最小短路容量為888 MVA，供電容量選取主變?nèi)萘浚瑸?60 MVA，用戶協(xié)議容量25 MVA。經(jīng)計(jì)算，該用戶通過35 k V線路注入PCC點(diǎn)的諧波電流限值如表5所示。

表5 該公司注入PCC點(diǎn)諧波電流限值 電流／A

4 仿真計(jì)算

4.1 仿真網(wǎng)絡(luò)的搭建

仿真網(wǎng)絡(luò)的搭建，利用加拿大CYME公司的商用軟件PSAF電力系統(tǒng)計(jì)算程序的子模塊CYMEHarmo，該模塊可以與PSAF中的潮流計(jì)算程序接口，在此基礎(chǔ)上對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)元件和諧波源元件進(jìn)行模擬計(jì)算。

本文所研究的用戶主要用電負(fù)荷為中頻爐，具有12脈沖和6脈沖兩種變頻方式。本文仿真的基本單元為6脈動(dòng)單元，12脈動(dòng)整流單元通過兩個(gè)6脈動(dòng)單元連接到不同接線形式的變壓器低壓側(cè)實(shí)現(xiàn)。

在其兩段10 k V母線上，各有一組無功補(bǔ)償裝置，容量為3 Mvar；除中頻爐外的其他負(fù)荷負(fù)載率約為50%，使用阻抗型負(fù)荷模擬，功率因數(shù)為0.92。

4.2 無治理措施下的諧波發(fā)射水平

不考慮中頻爐自帶的濾波設(shè)備，也不考慮高壓母線上的無功補(bǔ)償因素，仿真計(jì)算整流單元發(fā)射諧波的情況。選取中頻爐正常負(fù)載和滿載兩種方式，計(jì)算其通過35 k V線路注入電網(wǎng)的諧波電流如表6所示。

表6 無治理措施下的諧波發(fā)射水平 電流／A

由于大部分用電負(fù)荷為產(chǎn)生諧波的中頻爐，其中6脈動(dòng)5臺(tái)，額定功率共約3.2 MW，12脈動(dòng)4臺(tái)，額定功率共約11 MW，6 k±1次諧波均為典型次諧波，在沒有治理措施的情況下，典型次諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

4.3 低壓側(cè)治理下的諧波發(fā)射水平

僅考慮中頻爐自帶的濾波設(shè)備，不考慮高壓母線上的無功補(bǔ)償。

同樣選取中頻爐正常負(fù)載和滿載兩種方式，計(jì)算注入電網(wǎng)的諧波電流如表7所示。

表7 自帶治理措施下的諧波發(fā)射水平 電流／A

對(duì)中頻爐自帶的濾波器參數(shù)分析，可知大部分的濾波器為5、7次濾波器，11次濾波器較少。該公司目前采用的濾波器主要針對(duì)5、7次諧波，除2號(hào)2500T外，其他中頻爐均配置了5次濾波器，占總?cè)萘康?7%，而配置11次濾波器的中頻爐僅有1號(hào)5000T、2號(hào)5000T、3號(hào)5000T，僅占總?cè)萘康?0%。

因此，注入PCC點(diǎn)的諧波電流中，5次和7次諧波大量減少，而11次和13次等12 k±1次的諧波仍超出了國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值。

4.4 高壓母線采取的改善措施

在該公司中頻爐采用低壓濾波設(shè)備后，各次諧波出現(xiàn)明顯下降，但仍不能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，12 k±1次諧波出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，作為補(bǔ)充可以在高壓母線針對(duì)12 k±1次諧波特性采取改善措施。

常見的濾波辦法是在無功補(bǔ)償電容器上串聯(lián)一定的電抗形成濾波裝置，應(yīng)用較為廣泛。該公司10 k V高壓母線上已經(jīng)配置一定容量無功補(bǔ)償裝量。本文設(shè)計(jì)三種串聯(lián)電抗率：電容器不串聯(lián)電抗器、串聯(lián)1%的電抗器、和混合配置，分別針對(duì)不同負(fù)荷率進(jìn)行仿真計(jì)算。

該公司兩段10 k V母線的無功補(bǔ)償容量均為3 Mvar，在不串聯(lián)電抗器的情況下，中頻爐正常負(fù)載和滿載情況下，計(jì)算注入電網(wǎng)的諧波電流如表8所示。

表8 純電容補(bǔ)償?shù)闹C波發(fā)射水平 電流／A

由表8可知，純電容模式不串聯(lián)電抗器時(shí)，雖然高次諧波得到了抑制，但是低次諧波如5、7、11次諧波反而被放大。

在不串聯(lián)1%電抗器的情況下，中頻爐正常負(fù)載和滿載情況下，計(jì)算注入電網(wǎng)的諧波電流如表9所示。

表9 串抗率1%補(bǔ)償?shù)闹C波發(fā)射水平 電流／A

由表9可知，串聯(lián)1%電抗器時(shí)，雖然11、13次諧波得到了抑制，但是7次諧波得到了放大，其中滿負(fù)荷運(yùn)行和正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)7次諧波均超出了國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值。

高壓側(cè)無功補(bǔ)償容易出現(xiàn)諧波放大的現(xiàn)象，針對(duì)多種典型次諧波的治理，本文推薦采用組合方式，設(shè)計(jì)每段母線的3 Mvar無功補(bǔ)償中，1.2 Mvar串聯(lián)1%電抗率，1.8 Mvar串聯(lián)6%電抗率，針對(duì)中頻爐額定功率運(yùn)行（即滿負(fù)荷運(yùn)行）和正常功率運(yùn)行兩種方式進(jìn)行仿真計(jì)算。注入電網(wǎng)的諧波電流如表10所示。

表10 組合電抗率情況下的諧波發(fā)射水平 電流／A

由表10可知，同單純串聯(lián)一種電抗率相比，這種方式對(duì)11次和13次諧波起到了抑制作用，又防止了對(duì)低次諧波的放大作用，效果較為明顯，各次諧波均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值以下。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)“誰(shuí)污染、誰(shuí)治理”的電能質(zhì)量管理原則，在污染性用戶接入電網(wǎng)前，需要對(duì)其發(fā)射水平進(jìn)行評(píng)估。隨著節(jié)能減排的要求，鍛造企業(yè)新增或改造熔爐較多采用電力中頻爐，隨著規(guī)模需求的增長(zhǎng)，群聚式中頻爐負(fù)荷是十分典型的用電負(fù)荷。

本文以某鍛造企業(yè)為實(shí)例，對(duì)其中頻爐負(fù)荷進(jìn)行電能質(zhì)量建模，針對(duì)不同治理措施和運(yùn)行方式進(jìn)行仿真計(jì)算，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其發(fā)射水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，鍛造企業(yè)群聚式中頻爐接入電網(wǎng)前必須進(jìn)行諧波治理，否則諧波將遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水平；企業(yè)所采取中頻爐自帶濾波裝置進(jìn)行治理后，仍有可能超出國(guó)標(biāo)規(guī)定的水平；采取電容器串聯(lián)電抗進(jìn)行濾波治理時(shí)，應(yīng)對(duì)其串抗率進(jìn)行校核，以免發(fā)生諧波放大現(xiàn)象。仿真計(jì)算表明，多層次的治理措施對(duì)諧波抑制起到了明顯的作用，本文所提出和校核的措施，將對(duì)類似用戶的接入起到現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。

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