摘要：針對(duì)中頻爐電能質(zhì)量的特點(diǎn)，基于電力系統(tǒng)綜合計(jì)算分析軟件（ETAP）進(jìn)行建模浩淘，搭建系統(tǒng)單線(xiàn)圖捌朴，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)錄入模型進(jìn)行潮流計(jì)算和諧波仿真分析。提出采用優(yōu)化的無(wú)源濾波治理方案张抄，并進(jìn) 行仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)砂蔽，通過(guò)與治理前實(shí)測(cè)值的比較，驗(yàn)證了本文所采用的負(fù)荷建模署惯、仿真方法的有效性左驾，對(duì)有中頻爐的廠礦企業(yè)進(jìn)行電能質(zhì)量治理有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞： ETAP；中頻爐诡右；無(wú)源濾波安岂；諧波治理
引言
在我國(guó)冶金行業(yè)中，中頻爐因具有加熱速度快帆吻、生產(chǎn)效率高域那、氧化脫碳少、節(jié)省材料與成本猜煮、加熱均勻次员、芯表溫差小、溫控精度高等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用友瘤。但是翠肘，中頻爐是由一系列整流逆變裝置組成，相對(duì)于供電電源可看作是一個(gè)典型的非線(xiàn)性負(fù)載辫秧，含有大量的諧波成分束倍，且功耗大、功率因數(shù)低盟戏。由于它產(chǎn)生的大量諧波以及消耗的無(wú)功功率會(huì)引起電能質(zhì)量劣化绪妹，而各種敏感負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量又提出了更高的要求，因此對(duì)中頻爐進(jìn)行諧波治理已刻不容緩柿究。
目前邮旷，針對(duì)于一般的諧波危害，有諧波源治理蝇摸、安裝濾波補(bǔ)償裝置及其他治理方法婶肩，而主要采用的是安裝濾波補(bǔ)償裝置。本文以某鋼鐵廠為例貌夕，基于電力系統(tǒng)綜合計(jì)算分析軟件（ETAP）分析負(fù)荷中頻爐對(duì)電網(wǎng)的影響律歼，并設(shè)計(jì)出合理高效的諧波治理方案。
1啡专、中頻爐諧波分析的理論方法
中頻爐電源整流環(huán)節(jié)有六脈沖险毁、十二脈沖和二十四脈沖等整流電路。每種整流電路的特征諧波的含量和次數(shù)都不同们童，需進(jìn)行特別處理畔况。單組全橋六脈沖整流電路以其工藝成熟、成本低的特點(diǎn)成為工礦企業(yè)普遍使用的類(lèi)型[3,4]慧库。
六脈沖整流電路忽略換相過(guò)程和電流脈動(dòng)跷跪，交流側(cè)各相電流在理想條件下可近似地用方波來(lái)表示，考慮到電路阻抗壓降完沪，電機(jī)的輸入電壓發(fā)生畸變域庇。利用傅立葉變換分解諧波電流：
（1）
Id——整流電路直流側(cè)電流的平均值嵌戈。
從（1）式可知，電流中除基波外只含有（為正整數(shù)）次諧波听皿，即 5熟呛、7、11等各次諧波尉姨，這些諧波電流為三相6脈沖橋式整流電路的特征諧波庵朝，各次諧波電流有效值與基波有效值的比率為諧波次數(shù)的倒數(shù)[5]。
2又厉、案例分析
2.1 ETAP 軟件簡(jiǎn)介及建模
ETAP（Electrical Transient Analysis Program）是由美國(guó)OTI公司（Operation Technology Inc）開(kāi)發(fā)的全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真分析計(jì)算軟件九府。在仿真分析方面，該軟件集成了潮流分析覆致、短路計(jì)算侄旬、暫態(tài)穩(wěn)定分析、諧波分析煌妈、可靠性分析等模塊儡羔，并提供了簡(jiǎn)便快捷的電力系統(tǒng)模型搭建方式，所有的電力系統(tǒng)參數(shù)輸入和連線(xiàn)圖操作都可以直接在圖形界面上完成璧诵，顯示結(jié)果一目了然[6]汰蜘。
本文利用ETAP中潮流分析和諧波分析模塊對(duì)鋼鐵廠容量為1000kVA變壓器所帶中頻爐進(jìn)行仿真，建立起諧波負(fù)荷模型[7]之宿，如圖1族操、圖2所示。由于中頻爐負(fù)荷的不平衡性比被，母線(xiàn)2的三相諧波電流幅值也將不相等色难，考慮最嚴(yán)重的情況，取對(duì)應(yīng)次諧波電流幅值最大的一相作為三相諧波電流輸入等缀。
圖1 中頻爐負(fù)荷模型
圖2 中頻爐參數(shù)
2.2案例背景
該鋼鐵廠所使用的中頻爐是一種嚴(yán)重的諧波源莱预，其對(duì)無(wú)功功率的需求拉低了電網(wǎng)功率因數(shù)，已嚴(yán)重影響了工廠電網(wǎng)中其它電器設(shè)備的正常工作项滑。該鋼鐵廠各中頻爐均由單回10KV電源進(jìn)線(xiàn)經(jīng)一臺(tái)容量為1000kVA、變比為10/0.4kV的變壓器供電涯贞。中頻爐為六脈沖整流裝置枪狂，額定功率
，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平均功率
宋渔，功率因數(shù)
州疾，主要是5、7皇拣、11等次諧波严蓖。
2.3諧波分析及其治理方案
2.3.1諧波分析
試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)為變壓器二次側(cè)母線(xiàn)薄嫡，采集若干個(gè)測(cè)量時(shí)間的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，選取諧波最嚴(yán)重的某一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)颗胡。
建立鋼鐵廠供電系統(tǒng)一次接線(xiàn)單線(xiàn)圖（如圖１所示）毫深，并錄入設(shè)備所需參數(shù)進(jìn)行仿真分析。該鋼鐵廠變壓器二次側(cè)母線(xiàn)諧波電壓畸變率和電壓曲線(xiàn)如圖3毒姨、圖4所示哑蔫，諧波電流值見(jiàn)表1。
圖3諧波電壓畸變率(2~25次)
圖4 一個(gè)周期的相電壓曲線(xiàn)
表1諧波電流值(2~25次)
為避免諧波放大弧呐，串聯(lián)電抗器的電感量L應(yīng)滿(mǎn)足下式關(guān)系：從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知闸迷，中頻爐運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)為0.84，所需無(wú)功功率為452 kvar俘枫。設(shè)目標(biāo)功率因素為0.98腥沽，則實(shí)際所需無(wú)功補(bǔ)償容量
＝308kvar（P為實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平均功率；
Ø1為實(shí)際功率因數(shù)角鸠蚪；
Ø2為目標(biāo)功率因數(shù)角）今阳。為保證電容器組長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，其額定電壓U
NC可選母線(xiàn)額定電壓U
N的1.3倍以上邓嘹，同時(shí)電容器組電壓和容量的選取又同與之串聯(lián)的電抗器有關(guān)系酣栈。
由圖3可知，該中頻爐所產(chǎn)生的5次汹押、7次矿筝、11次的諧波電流值分別為197.1A、117.2A棚贾、64.2A窖维；總的電壓畸變率達(dá)到8.97%，電流畸變率達(dá)到19.7%妙痹；功率因數(shù)為0.84铸史。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定了各電壓等級(jí)電網(wǎng)諧波電壓限值及諧波電流允許值（見(jiàn)表2、表3）怯伊，當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量（表3）時(shí)琳轿，需相應(yīng)修正諧波電流允許值。由于該鋼鐵廠的諧波電壓畸變率和諧波電流含量已嚴(yán)重超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值耿芹，因此必須對(duì)其進(jìn)行治理崭篡。
表2 公用電網(wǎng)諧波電壓限值（相值）
表3 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值
綜上分析可知，該鋼鐵廠的諧波電壓畸變率和諧波電流含量已嚴(yán)重超出了國(guó)家規(guī)定的限值吧秕，必須對(duì)其進(jìn)行治理琉闪。
2.3.2諧波治理
進(jìn)行諧波處理的方法和設(shè)備很多。傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器如各類(lèi)調(diào)諧濾波器等砸彬，其技術(shù)比較成熟颠毙，成本也較低斯入，但只能濾除特定次數(shù)的諧波，并且可能引起系統(tǒng)諧波放大蛀蜜，在生產(chǎn)比較穩(wěn)定時(shí)能取得很好的濾波效果刻两。有源濾波器是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專(zhuān)用設(shè)備，可對(duì)任意頻率（2~50Hz）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償涵防，既濾除諧波又補(bǔ)償無(wú)功闹伪，但穩(wěn)定性差、造價(jià)高壮池、功率和容量小偏瓤、維修困難等[8]。
該鋼鐵廠負(fù)荷并不大椰憋，諧波含量較穩(wěn)定厅克，成本較低，考慮到工程總投資橙依、諧波抑制和無(wú)功功率利用率等設(shè)計(jì)目標(biāo)证舟，擬采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器，既可濾除諧波窗骑，又可適當(dāng)補(bǔ)償無(wú)功功率女责，提高功率因數(shù)[9]。該諧波源是電流型创译，可在變壓器二次側(cè)母線(xiàn)處采取就地并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞健?/div>
因此每組串聯(lián)電抗器等效基波電抗XL為：
考慮到電抗器和電容器的制造誤差抵知，通常取：
或
h——諧波次數(shù)软族；
k——串聯(lián)電抗器的電抗率刷喜。
根據(jù)該鋼鐵廠的諧波情況，經(jīng)仿真分析確定5次濾波支路為3組立砸，每組電容容量QC為150kvar掖疮，電壓為0.57kV，串聯(lián)電抗率為5%颗祝；7次濾波支路為1組浊闪，電容容量QC為150kvar，電壓為0.57kV螺戳，串聯(lián)電抗率為2.5%规揪。驗(yàn)證可知，5次濾波支路每組實(shí)際補(bǔ)償容量Q5為：
（7）
3組補(bǔ)償容量約為232kvar温峭。
同理，7次濾波支路實(shí)際補(bǔ)償容量Q7為75kvar字支，則5次凤藏、7次總補(bǔ)償容量為：307 kvar奸忽，與實(shí)際所需無(wú)功補(bǔ)償容量相當(dāng)。
5次電容器組等效基波容抗Qc為：
因此揖庄，電抗器等效基波電抗為：
同理栗菜，7次濾波支路電抗器等效基波電抗
。
至此蹄梢，無(wú)源濾波器的主要參數(shù)已基本確定[10,11]疙筹。將相關(guān)參數(shù)帶入單線(xiàn)圖仿真，可得修正后的變壓器二次側(cè)母線(xiàn)諧波電壓畸變率和電壓曲線(xiàn)禁炒，如圖5而咆、圖6所示。
圖5諧波電壓畸變率(2~25次)
圖6 一個(gè)周期的相電壓曲線(xiàn)
由圖5幕袱、圖6可知暴备，安裝了無(wú)源濾波器后，變壓器二次側(cè)母線(xiàn)諧波電壓畸變率均減小了们豌，電壓曲線(xiàn)變平滑涯捻，諧波電流含量大幅降低⊥總的電壓畸變率為4.9%障癌，已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電流畸變率為10.41%辩尊，功率因數(shù)也提高到0.98涛浙，系統(tǒng)的諧波和無(wú)功環(huán)境已大幅改善。因此对省，優(yōu)化的無(wú)源濾波器治理方案是有效的蝗拿。
3、結(jié)束語(yǔ)
本文使用ETAP軟件對(duì)鋼鐵廠負(fù)荷中頻爐進(jìn)行建模仿真分析蒿涎，設(shè)計(jì)出諧波治理方案哀托，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方案的有效性。該方案實(shí)施后劳秋，解決了開(kāi)啟中頻爐而無(wú)法帶其它負(fù)荷和原有無(wú)功補(bǔ)償柜的問(wèn)題仓手，提高了中頻爐及全部電網(wǎng)的整體性能，對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義玻淑。（文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
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