中壓中頻感應(yīng)加熱爐諧波特性研究

陳龍超,梁紀(jì)峰

(1.山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?山東 濟(jì)南 250014;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

使用快速、高效的中頻感應(yīng)加熱爐(簡(jiǎn)稱(chēng)“中頻爐”)進(jìn)行熔煉生產(chǎn),既能提高操作的靈活性和產(chǎn)量,又能節(jié)約環(huán)保費(fèi)用,因此,電磁感應(yīng)熔煉已經(jīng)成為金屬鑄造的一種重要方法和煉鐵行業(yè)的一種重要工具。同時(shí)中小鋼鐵企業(yè)煉鋼采用的中頻爐也是電力系統(tǒng)諧波的重要來(lái)源,中頻電源是中頻爐設(shè)備的主要部分,也是諧波產(chǎn)生的主要部件,它的啟停除了對(duì)電網(wǎng)造成頻繁的沖擊外,隨之帶來(lái)的諧波危害也越來(lái)越不可忽視[1-2]。因此,很有必要對(duì)諧波的產(chǎn)生和帶來(lái)的危害進(jìn)行定性的分析,開(kāi)展中頻爐接入系統(tǒng)的諧波水平預(yù)測(cè)評(píng)估,采取積極有效的措施抑制諧波水平,確保電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在中頻爐用戶(hù)接入系統(tǒng)電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估環(huán)節(jié),原有老舊中頻爐設(shè)備諧波特性參數(shù)缺失,用戶(hù)無(wú)法提供各次諧波含有率資料。新建用戶(hù)由于尚未采購(gòu),無(wú)法確定具體的中頻爐設(shè)備型號(hào),也經(jīng)常無(wú)法提供準(zhǔn)確的中頻爐諧波含有率資料,導(dǎo)致在新建或改擴(kuò)建用戶(hù)接入系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估環(huán)節(jié)存在重要資料缺失,難以根據(jù)用戶(hù)提供的中頻爐諧波特性資料進(jìn)行直接的預(yù)測(cè)評(píng)估。在無(wú)法直接獲取新建設(shè)備或老舊設(shè)備準(zhǔn)確諧波特性數(shù)據(jù)的情況下,利用易獲取的中頻爐及其供電設(shè)備的一次設(shè)備參數(shù),進(jìn)行中頻爐的電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估具有工程上的可行性。

本文根據(jù)上述研究思路,考慮中頻爐的典型諧波特征在特定電氣結(jié)構(gòu)條件下的實(shí)際運(yùn)行諧波發(fā)射特性與理想電氣參數(shù)下的仿真結(jié)果存在一定的差異性,因此選取了河北邢臺(tái)地區(qū)的某冶金企業(yè),進(jìn)行中頻爐諧波發(fā)射特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,并開(kāi)展了基于設(shè)備參數(shù)的諧波特性仿真分析研究。

1 中頻電源電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

中頻電源的電路主要分為主電路和控制電路兩部分,主電路包括整流電路、逆變電路和負(fù)載諧振電路3部分?？刂齐娐酚烧饔|發(fā)、逆變觸發(fā)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓電源和保護(hù)5部分組成[3]。根據(jù)直流儲(chǔ)能元件的不同,一般可將中頻爐分為電流型中頻爐和電壓型中頻爐[45]。電流型中頻爐的儲(chǔ)能元件為大電感,而電壓型中頻爐的儲(chǔ)能元件為大電容。兩者還存在其他不同,如電流型中頻爐采用晶閘管控制,負(fù)載諧振電路為并聯(lián)諧振,而電壓型中頻爐采用IGBT來(lái)控制,負(fù)載諧振電路為串聯(lián)諧振,其基本結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 電流型并聯(lián)諧振中頻爐結(jié)構(gòu)

圖2 電壓型串聯(lián)諧振中頻爐結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理與諧波特征

中頻爐是一種快速穩(wěn)定的金屬加熱裝置,它靠變頻裝置把三相工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流電[6-7]。中頻電源是中頻爐的核心設(shè)備,其采用交直交變換方式,先將電網(wǎng)提供的50 Hz交流電流由橋式整流電路整為直流,經(jīng)過(guò)濾波,然后再通過(guò)逆變裝置為負(fù)載提供中頻電流(500~1 000 Hz),該電流在熔爐的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生中頻交變磁場(chǎng),使熔爐中的爐料產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而在爐料中產(chǎn)生渦流,致使?fàn)t料被加熱升溫,直至熔化。

中頻電源在運(yùn)行時(shí)會(huì)由整流裝置產(chǎn)生大量的特征次諧波[8],不論串聯(lián)還是并聯(lián)轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生的諧波都會(huì)回到整流過(guò)程中,注入電力系統(tǒng)后,使得公共電網(wǎng)PCC點(diǎn)的諧波電壓和諧波電流超標(biāo)[9]。中頻感應(yīng)電源整流環(huán)節(jié)一般使用三相橋式、六相橋式或者十二相橋式晶閘管整流。三相橋式整流有6個(gè)晶閘管,每個(gè)晶閘管需要1個(gè)觸發(fā)脈沖,共需6個(gè)觸發(fā)脈沖,所以也叫6脈沖整流;六相橋式整流也叫12脈沖整流;十二相橋式整流也叫24脈沖整流。對(duì)于低壓系統(tǒng),中頻爐一般采用6脈沖整流電路;中壓常采用12脈沖整流,高壓則常采用24脈沖整流。脈沖數(shù)越高,諧波電流發(fā)射量越小,對(duì)系統(tǒng)造成的影響也越小[10]。本文僅針對(duì)中壓系統(tǒng)常用的12脈沖中頻爐進(jìn)行深入探討。

2 中頻爐電能質(zhì)量發(fā)射特性測(cè)試

2.1 測(cè)試方案

選取河北邢臺(tái)某軋輥廠采用的10 k V中頻爐作為測(cè)試對(duì)象,中頻爐變壓器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 中頻爐變壓器技術(shù)參數(shù)

10 k V中頻爐供配電系統(tǒng)的測(cè)試接線如圖3所示。中頻爐變壓器二次側(cè)2個(gè)繞組(Y和△繞組)各帶1臺(tái)電爐,當(dāng)1臺(tái)電爐熔煉時(shí),另一臺(tái)保溫,2臺(tái)電爐交替工作,電爐生產(chǎn)周期為30 min。

2.2 典型工況測(cè)試分析

本文測(cè)試方案重點(diǎn)選取中頻爐10 k V進(jìn)線諧波電流含量最大的典型工況進(jìn)行研究,典型工況如圖4、表2和表3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試位置示意

圖4 中頻爐10 kV母線和10 kV饋線的波形和頻譜

表2 基波電壓、基波電流和基波功率統(tǒng)計(jì)報(bào)表

表3 主導(dǎo)諧波電壓和諧波電流報(bào)表(A相)

根據(jù)中頻爐10 k V進(jìn)線諧波電流含量較大運(yùn)行工況的分析,得出以下結(jié)論:

(1)通過(guò)上述中頻爐主導(dǎo)諧波電壓電流報(bào)表可以發(fā)現(xiàn),11、13、23、25、35、37、47等主導(dǎo)次的諧波電壓和諧波電流含量較大。

(2)以A相為例,對(duì)中頻爐主導(dǎo)諧波作諧波潮流分析,利用A相的11、13、23、25、35、37、47次諧波電壓和諧波電流報(bào)表,計(jì)算得到的各次主導(dǎo)諧波對(duì)應(yīng)的基波阻抗如下

對(duì)上述得到的各基波阻抗求其平均值得

若上述的主導(dǎo)諧波均為中頻爐產(chǎn)生的特征次諧波,諧波電流注入系統(tǒng)在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓,則計(jì)算得到的Z1即為系統(tǒng)的短路阻抗。此時(shí),短路容量

根據(jù)上述推導(dǎo)的各次主導(dǎo)諧波基波阻抗和基波電壓、電流、功率統(tǒng)計(jì)報(bào)表數(shù)據(jù),可計(jì)算得出中頻爐產(chǎn)生的3相特征次諧波電壓和諧波電流,結(jié)果如表4所示。

表4 中頻爐特征次諧波電壓和諧波電流報(bào)表

由表4可以看出,第11、23、35、47次特征次諧波電流呈負(fù)序的性質(zhì),而第13、25、37次特征次諧波電流呈正序的性質(zhì)。

3 仿真研究

3.1 仿真案例

邢臺(tái)某軋輥公司建有2臺(tái)5T中頻爐,并由10 k V母線接2臺(tái)整流變壓器供電,整流變壓器變比10 k V/0.9 k V,容量3 600 k VA(Ud=6.5%),二次D+Y的接線方式,其所帶負(fù)載為中頻電源的整流器,采用6相12脈沖的橋式整流電路,中頻電源額定功率為3 000 k W,其簡(jiǎn)化供配電系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 5T中頻爐供配電系統(tǒng)

另有1臺(tái)10T中頻爐,進(jìn)線電壓為10 k V,整流變壓器變比10 k V/0.9 k V,變壓器容量為7 300 k VA(Ud≤7.0%),采用12脈沖整流供電,中頻電源額定功率為5 000 k W,簡(jiǎn)化供配電系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 10T中頻爐供配電系統(tǒng)

3.2 仿真電路建模

由于中頻爐采用交直交變頻,整流電路采用二極管,根據(jù)測(cè)試參數(shù),設(shè)該系統(tǒng)的線電壓為900 V,短路容量為200 MVA,因此系統(tǒng)阻抗為0.053Ω。

3.3 仿真結(jié)果

根據(jù)諧波電流含量較大運(yùn)行工況下的基波功率P=0.7 MW、Q=0.2 Mvar。仿真得到中頻爐電壓、電流波形與頻譜如圖7所示,基波電壓、電流和功率報(bào)表見(jiàn)表5,各次主導(dǎo)諧波電壓電流統(tǒng)計(jì)報(bào)表見(jiàn)表6。

圖7 中頻爐典型工況的波形與頻譜

由上述仿真結(jié)果,可以得到:

(1)中頻爐仿真11、13、23、25、35、37等次主導(dǎo)諧波電流含量較高,主導(dǎo)諧波電流分布為12k±1次,其中k=1,2,3,……;

(2)實(shí)際情況比仿真情況復(fù)雜,但同樣也可以仿真出其主導(dǎo)諧波,確定其最大電路結(jié)構(gòu);

表5 基波電壓、基波電流和基波功率統(tǒng)計(jì)報(bào)表

表6 中頻爐特征次諧波電壓和諧波電流報(bào)表

(3)系統(tǒng)阻抗、負(fù)荷阻抗、變壓器參數(shù)及載波比的計(jì)算是影響仿真的主要因素。12脈沖整流電路仿真中,若負(fù)荷參數(shù)不對(duì)稱(chēng),可使12脈沖整流電路5、7次諧波過(guò)大,最終導(dǎo)致仿真失敗。

4 結(jié)論

本文分析了中頻爐電路結(jié)構(gòu)、基本原理與諧波特征,通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)并進(jìn)行仿真驗(yàn)證,得出如下主要結(jié)論。

(1)建模仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果高度一致,證明中頻爐的典型諧波分布特征經(jīng)過(guò)不同的供電結(jié)構(gòu)和電氣網(wǎng)絡(luò)后未發(fā)生明顯的畸變,為利用一次設(shè)備參數(shù)和脈沖數(shù)開(kāi)展中頻爐的電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估提供了技術(shù)依據(jù)。

(2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中,12脈沖中頻爐的12n-1次諧波電流呈負(fù)序性質(zhì),而12n+1次諧波電流呈正序性質(zhì)。

(3)受系統(tǒng)阻抗、負(fù)荷阻抗、變壓器參數(shù)及載波比影響,主導(dǎo)特征諧波與仿真結(jié)果存在較大差異,電能質(zhì)量預(yù)測(cè)評(píng)估無(wú)法代替監(jiān)測(cè)評(píng)估。