谐波治理与无功补偿

２００７年６月　　　　　　　　　　郑州大学学报（工学版）Ｊｕｎ．２００７第２８卷第２期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．２文章编号：１６７１一６８３３（２００７）０２一０１１４一０３中频炉的谐波分析与治理周勇‘，孙鹏涛‘，关鹏２（１．郑州大学电气工程学院，河南郑州４５０００１；２河南长葛市电力公司，河南长葛４６１５００）摘要：简述了中频炉的工作原理和谐波对电力系统的危害，分析了其整流装置的谐波电流，给出了河南金汇钢厂中频炉谙波电流和电压的实测数据．由于中频炉的谐波特征比较明显，各次谐波电流含量也比较稳定，可以采用在整流变压器低压侧安装单调谐滤波器和高通滤波器相结合的无源滤波装置来进行谐波治理．此外，为了减少中频炉谐波对电网电压的影响，建议大功率中频炉在接入电网时，还要尽可能地选择短路容量较大的公共连接点．关键词：中频炉；整流装置；谐波；滤波器中图分类号：ＴＦ０８３２文献标识码：Ａ０引言动势，从而在炉料中产生涡流，致使炉料被加热升温，直至熔化．　　　　中频感应加热炉（以下简称中频炉）是一种快速稳定的金属加热装置，它靠变频装置把三相逆电工频交流电转变为单相中频交流电．变频装置是变负源载中频炉的核心设备，其产生的谐波能使旋转电机器产生附加功率损耗和发热，增加变压器和电网的损耗，使电能计量仪表产生误差，对继电保护、自图１　　　　　　　　　　　　　　中频炉电源框图Ｆｉｇ．１ＴｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｕＰＰｌｙｆｒａｍｅｏｆｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ动控制装置等产生干扰，严重时会引起误动作；谐ｒｆ　　　　　　　　　　　　ｅｑｕｅｎｃｙｉｎｄｕｃｔｉｖｅｓｔｏｖｅ波还有可能在无功补偿电容器回路被放大，从而１．２谐波分析导致电容器过负荷甚至损坏；另外谐波还会对相邻的通讯线路产生干扰川．因此，大功率中频炉中频电源注人电网的谐波主要是由整流装置　　　　的谐波问题不可忽视．目前的研究仅限于谐波测产生的．以三相６脉动全控桥式整流电路为例，在试「’一’１，理论分析还不够深人．鉴于这种情况，本理想条件下，整流电路交流侧各相电流可近似地文作者将利用傅里叶分析方法并结合谐波实测数用方波来表示，利用傅里叶分析方法，可堆出交流侧ａ相电流的表达式为［４〕据，分析中频炉的谐波问题，进而提出对应的治理措施．‘ａ二—＿班；。　　ｌｄＬ８‘二卜音・１・，田：一—５１ｎ７田ｔ１中频炉的工作原理及其谐波　＋１　一１１・１・１１。‘＋六５１・‘，・卜…〕１‘１中频炉的工作原理中频炉的电源通常采用ＡＣ一ＤＣ一ＡＣ变换　　　　二　　万‘】“ｎ田‘＋。ｋ二１，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　二轰＊２，３，・，（一‘）‘万１・“ｎｎ“‘（‘）方式，其电路框图如图１所示，先将电网提供的０５Ｈ：交流电流由桥式整流电路整为直流，经过式中：李二，儿，＊二，＊＊，．‘ｄ为整流电路直流侧电流的平均值，，二＊‘、布场，；桐，了，＝带了ｄ滤波，然后再通过逆变装置为负载提供中频电流、，＊二，＊＊，．（５００一１００００Ｈ２），该电流在熔炉的感应线圈中为整流电路交流侧的基波电流有效值；，、，。击、，＊、＊；＿桐２。二坚・ｎ７　　　　　　　　　　　　　　Ｔ产生中频交变磁场，使熔炉中的炉料产生感应电Ｉｄ为整流电路交流侧的ｎ次谐波电流有效值．收稿日期：２００６一１０一２９；修订日期：２００６一１２一１１基金项目：河南省自然科学基金资助项目（４ｌｒｏｌ０３ｏｏ）作者简介：周勇（１９５７一），男，河南固始县人，郑州大学教授，主要从事电力系统谐波方面的教学和研究工作．第２期周勇等中频炉的谐波分析与治理１１５　　　　从式（１）可知，在整流电路交流侧电流中仅含有６ｋ土１（ｋ为正整数）次谐波电流，这些谐波称为三相６脉动桥式整流电路的特征谐波，各次谐波电流有效值与基波电流有效值的比值（通常称为ｎ次谐波电流含有率）都等于谐波次数ｎ的倒数．在实际电路中，由于整流变压器中漏电抗的作用，使得整流阀的导通和关断都需要有一个过渡过程，整流电路交流侧各相电流的波形将变成梯形波，而不再是理想条件下的方波，因此，在实际情况下测到的ｎ次谐波电流含有率一般都小于１／ｎ．如果中频炉的整流电路为１　　　　２脉动整流，其特征谐波的次数为（１２ｋ土１）．依次类推，ｐ脉动整流电路的特征谐波次数为（砂士１），各次谐波有效值与基波有效值的比值也都等于谐波次数的倒数．因此，增加整流电路的脉动数，可以减少注人电网的高次谐波．２中频炉的谐波测试　　　　为了掌握中频炉注入电网的谐波水平和对电能质量的影响程度，对河南金汇钢厂的中频炉进行了谐波测试．该钢厂的中频炉由两台３５ｋｖ变压器供电，容量均为４３４８ｋＶＡ，其中一台为ＤｄｌＺ接线，另一台为Ｄｙｌｌ接线，两台并联运行从而构成１２脉动整流，表１列出了部分谐波电流的实测数据．从表１中可以看出，中频炉３　　　　５ｋＶ侧的谐波电流主要是Ｈ次和１３次，这都是１２脉动整流电路的特征谐波．除此之外，还有一些３次、５次、７次和９次谐波，巧次及以上的各次谐波数值都很小，故没有列出．根据国家标准ＧＢ／Ｔ１　　　　５４４９一９３《电能质量公用电网谐波》（以下简称国标）的规定〔’］，注人公共连接点（３５ｋＶ母线）的各次谐波电流允许值应按照下面的公式计算：‘・“兹‘ＳＬ　　　　、＿一（２）式中：气，为公共连接点的最小短路容量，单位ＭＶＡ，根据供电部门提供的数据可以求出３５ｋＶ母线的最小短路容量Ｓｋ，＝１１９．８５ＭＶＡ；ｓｋＺ为基准短路容量，单位ＭＶＡ，根据国标取２０５ＭＶＡ；瓜为国标中基准容量下对应电压等级的第ｎ次谐波电流允许值，单位Ａ；１。为短路容量为５‘１时的第ｎ次谐波电流允许值，单位Ａ．　　　　如果公共连接点有多个用户，还要再按照国标推荐的公式（３）计算出同一个公共连接点的第１个用户（＃３中频炉）向电网注人的谐波电流允许值．表１中频炉注入电网的谐波电流实测数据Ｔａｂ。ＩＴｅｓｔｅｄｄ皿恤ｏｆｈａｒｍｏｎｉＣｃｕｒｒｅｎｔｓｉｊｎｅｃｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｎｅｔｗｏｒｋｂｙｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｒｆ　　　　　　　　ｅｑｕｅｕｃｙｉｎｄｕｃｔｉｖｅｓｔｏｖｅＡ样本相别乙人人乙几１．，１１３Ａ１２４．０９２．２１１．５５３．７５３，０９６．６２３３１Ｃ１２５．６４２．８７１．３２２．２１３．５３４．６４３．７５了　　　　　　　　　　　　　　ｎ：＝了、（５；／ｓｔ）‘／“（３）式中：５‘为第１个用户的用电协议容量，即＃３中频炉变压器容量为８７ｏｏｋＶＡ；５，为公共连接点的供电设备容量，即钢厂供电变压器容量为３１５００ｋｖＡ；１。为国家标准规定的公共连接点允许注人的第ｎ次谐波电流值，；Ａ人‘为公共连接点处第１个连接点的第ｎ次谐波电流允许值，Ａ；ａ为相位迭加系数，随谐波电流次数而定．对３，５，７，１１，１３次谐波，ａ分别取１．１，１．２，１．４，１．８，１．；９对９次，１３次以上的奇次谐波和所有的偶次谐波，ａ值均取２．根据（２　　　　）式和（３）式可以计算出中频炉的各次谐波电流允许值１。，并将其与测试结果暇（９５％概率值）一并列人表２．１１６郑州大学学报（工学版）２００７年表２谐波电流测试结果（９　　　　５％概率值）Ｔａｂ。２ＴｈｅｔｅＳｔｅｄｒｅｓｕｌｔ０ｆｈａｒｍｏｎｉＣｃｕｒｒｅｎｔｓ从表２中可以看出，该钢厂的中频炉在冶炼　　　　谐波次数３５７９１１１３相别ＡＢＣｎＩ／Ａｎ，２２．且二，１１１｝．１，．二，．１，．压…备注过程中，５ｋｖ侧的３一１３３谐波电流均有不同程度的超标，其中９次、１１次和１３次都超标３倍以上．大量的谐波电流注人电网后，必然会引起５ｋＶ母线电压的总谐波畸变率超标，３表３列出了超标１．６倍超标１．１２倍超标２．３６倍超标３．８５倍超标５５６倍超标４．２３倍月　　　　　　…样本１９．０６８．０１８．１１　　　　从表３中可以看出，５ｋＶ母线电压的总谐３波畸变率大约在７．５％一９．５％之间，而国标中规定３５ｋＶ电压等级的电压总谐波畸变率限值为３．０％，超标２．５一３．２倍．３谐波治理措施　　　　对于中频炉的谐波问题，可以通过安装滤波器来进行治理．根据滤波器结构和原理，可将其分为有源滤波和无源滤波两种方式仁６〕．有源滤波器（ＡＰＦ）本身也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使注人电网的电流只含基波分量．无源滤波器（ＰＰＦ）是由电容器、电抗器和电阻通过串并联结合组成的一种补偿装置，其基本原理是通过电容电抗谐振时的低阻抗特性来吸收谐波，从而达到滤波的目的．有源滤波器的滤波效果要优于无源滤波器，适用于谐波成分复杂、谐波量变化较大的环境使用，但其结构复杂，价格昂贵，维护成本也比较高．无源滤波器具有投资少，结构简单的特点，同时还兼有无功补偿的作用，但滤波效果受系统和负荷变化的影响较大，可能在一些情况下还会引起谐波电流放大〔’」．根据以上的测试与分析，该钢厂中频炉的谐　　　　波成分并不复杂，其中以７次、９次、１１次和１３次尸．．Ｌ『一一一Ｊ谐波电流比较严重，各次谐波电流含量变化不大，故可采用无源滤波装置来吸收中频炉的谐波电流．建议在整流变压器低压侧安装７次、９次、Ｈ次和１３次４种滤波器，其中７次、９次和１１次滤波器采用单调谐滤波结构，分别用于滤除７次、９０户６０飞｝１７只Ｕ八，１亡、￣　　　　　　．．…９９２００７１了９６样本２９．６４８．５１７．９３飞）内ｊ７４与表１对应的３５ｋＶ母线电压总谐波畸变率的实测值．表３３５ｋＶ母线的电压总谐波畸变率２万刀。Ｔａｂ．３Ｔｈｅｖｏｌａｇｅｔｏｔｔａｌｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｆ３５ｋＶｂｕｓ一ｂａｒ２日刀ｕ／％样本３９．６５８．５４７．８５样本４８．５４９．３２８；９５样本５９．７１８．７５８．４９样本６８．５５７．８６７．６７样本７８．６５８．１７７．６６样本８９．２２样本９８．７２样本１０８．８８．３８８．０７８．１４７．２５．３６７．７６次和１１次谐波电流，１３次滤波器采用二阶高通滤波器结构，用于滤除１３次及以上的谐波电流．４结束语　　　　近年来，中频炉的数量和容量都在增加，由此引起的谐波问题应该引起有关部门的关注．鉴于中频炉的谐波特征比较明显，各次谐波电流含量也比较稳定，可以采用无源滤波装置来进行谐波治理．此外，供电部门在进行大功率中频炉的报装审批时，一定要建议用户采用多脉动整流电源，以减少中频炉谐波对电网的污染，还要尽可能地选择短路容量较大的公共连接点接人，以减少中频炉的谐波对于母线电压的影响．参考文献：一‘．．ＬＬ．．‘「一一Ｊ，．．Ｊ吴竞昌，孙树勤，宋文南，等．电力系统谐波【Ｍ］．北Ｊ．２京：水利电力出版社，１９８８．杨华，王孝能．中频炉谐波实测及治理改造【Ｊ］．四川电力技术，２００５，（５１）：４９一５０．王国锋．临安地区典型中频炉用户的谐波测量与分ｒ．ＬＦ．ＬＬ．．ＬＦ．Ｌ，．．Ｊ「ｗｅＪ，ｅｓｅｓＪ，．．Ｊ飞曰４１勺６１１析［Ｊ〕浙江电力，２００４，（５）：６３一６５．王兆安，黄俊．电力电子技术【Ｍ］．北京：机械工业出版社，００２１．全国电压电流等级和频率标准化技术委员会．ＣＢ／Ｔ１４５４９一９３电能质量公用电网谐波【５〕北京：中国标准出版社，１９９３．王兆安，杨君，刘进军。谐波抑制和无功功率补偿【Ｍ〕．北京：机械工业出版社，２００４．周勇，王文峰，赵慧光．电容器的谐波放大问题分析【］，Ｊ郑州大学学报（工学版），２０５，６（２２）：６一３３８．（下转第１　　　　　　　　　　　　２０页）１２０郑州大学学报（工学版）２００７年证，结果发现模拟结果较准确，能反映出重金属随与评价〔Ｍ〕．北京：中国水利水电出版社，１９９７，水流的运动和变化过程．ｒｌ，「一．‘一Ｊ谢东瑜．感潮河网水污染控制研究—以佛山市水系为例［Ｄ」．广州：中山大学，２００６．参考文献：ｒｌ．．ｅｓＬ介ｊｅｓＪ何用，李义天．重金属迁移转化模型研究【Ｊ〕．水【１］叶守泽，夏军，郭生练，等．水库水环境模拟预测科学进展，２００４，１５（５）：５７６一５５３．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎＣａｄｍｉｕｍＰｏｌｌｕｔｉｏｎＥｍｅｒｇｅｎｃｙｉｎＮｏｒｔｈＲｉｖｅｒｎｏｕＭｉｎｇ，，ＭＡＪｕｎＸｌａ１，ｘＩＥＤｏｎｇ一ＹｕＺ，ＬＩＸｉａｏ一ｈｕａＺ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅＰａｒｔｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒＲｅ－ｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔ，Ｓｕｎｙａｔ一ｓｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇ：ｈｏｕ５１０２７５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｃａｄｍｉｕｍｐｏｌｌｕｔｉｏｎｅｍｅｒｇｅｎｃｙｉｎＮｏｒｔｈＲｉｖｅｒｂａｓｉｎｉｎＤｅｃ．２００５，ｏｎｅ一ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｈｅａｖｙｍｅｔａｌｔｒａｎｓＰｏｒｔａｎｄｔａｒｎｓｏｆｒｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｒｉｖｅｒｓｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｂｓｅｒｖｅｄｄａｔａｏｆｔｈｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｅｍｅ嗯ｅｎｃｙ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｍｏｄｅｌａｒｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄａｎｄｖａｌｉｄａｔｅｄ．ＴｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｒｅｔｈａｔｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｅｆｃｔｂｅｔｗｅｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｉｓｒａｔｈｅｒｇｏｏｄｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｖａＩｕｅｏｆｃａｄｍｉｕｍｉｎｗａｔｅｒｉｓｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｂｉｇ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｅｆｃｔｉｓｎｏｔｉｄｅａｌｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｖａｌｕｅｏｆｃａｄｍｉｕｍｉｓｃｏｍＰａｒａｔｉｖｅｌｙｓｍａｌｌ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｃａｄｍｉｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｂｏｄｙｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｒｆｏｍｕｐｐｅｒｒｅａｃｈｅｓｔｏｌｏｗｅｒｒｅａｃｈｅｓ，ａｎｄｉｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｓｓｕｂｓｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｍｕｄｂｙｔｈｅａｂｓｏ印－ｔｉｏｎａｎｄｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎａｃｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＮｏｒｔｈＲｉｖｅｒ；ｈｅａｖｙｍｅｔａｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（上接第１１６页）ＨａｒｍｏｎｉｃＡｎａＩｙｓｉｓａｎｄＳｕＰＰｒｅｓｓｉｏｎｏｆ１ｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙｌｎｄｕｃｔ　　　　　　　　　　　　　　ｉｖｅｓｔｏｖｅｚＨｏｕｙｏｎｇｌ，ｓｕＮＰｅｎｇ一ｔａｏｌ，ＧｔＪＡＮＰｅｎｇＺ（１．Ｓｃｈｏｏｌ。ｆＥｌｅｃｔｒｉ。Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｚｈｅｎ邵ｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５ｏ００１，Ｃｈｉｎａ；ＺＨｅｎａｎＣｈａｎｇｇｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｃｈａｎｇｇｅ４６１５００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ声Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｉｎｔｅｍｒｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｄｕｃｔｉｖｅｓｔｏｖｅ’ｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｄａｍａｇｅｔｈａｔｈａｒ－ｍｏｎｉｃｗａｖｅｃａｕｓｅｓｔｏｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｅｒｎｔｓｃａｕｓｅｄｂｙｒｅｃｔｉｙｆｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｐｒａｃｔｉ－ｃａｌｄａｔｕｍ‘ｏｆＨｅｎａｎＪｉｎｈｕｉＳｔｅｅｌＰｌａｎｔｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｈａｒｍｏｎｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔｏｖｅｉｓｏｂｖｉｏｕｓａｎｄｔｈｅｃｏｎ－ｔｅｎｔｏｆｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｅｒｎｔｓｉｓａｌｓｏｓｔｅａｄｙ，ｓｏｐａｓｓｉｖｅｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅｅｑｕｉｐｐｅｄｉｎｌｏｗ一ｖｏｌｔａｇｅｓｉｄｅｏｆｒｅｃｔｉｉｆｅｒｔｒａｎｓｏｆｒｍｅｒｓｈｏｕｌｄｂｅａｄｏＰｔｅｄｆｏｒｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｈａｒｍｏｎｉｃｓ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｓｉｎｇｌｅｔｕｎｅｄｆｉｌｔｅｒａｎｄｈｉｇｈ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｉｔｓｉｎｆｉｕｅｎｃｅｏｎｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｃｏｍｍｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｗｈｉｃｈｈａｓｂｉｇｇｅｒｓｈｏｔｒ一ｃｉｒｃｕｉｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙｓｈｏｕｌｄｂｅｃｈｏｓｅｎｗｈｅｎｔｈｅｓｔｏｖｅｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｎｅｔｗｏｒｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｄｕｃｔｉｖｅｓｔｏｖｅ；ｒｅｃｔｉｙｆｉｎｇｄｅｖｉｃｅ；ｈａｒｍｏｎｉｃ；Ｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ