基于ETAP的中頻爐諧波治理應(yīng)用研究

  李迎春¹ 常帥²  趙軍³劉建春⁴ 洪文瓞⁵  季曉春⁶

（1. 中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司 天津 300113）

（2.安科瑞電氣股份有限公司 上海 201801）

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，搭建系統(tǒng)單線圖，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)化的無源濾波治理方案，并進(jìn)     行仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)，通過與治理前實(shí)測(cè)值的比較，驗(yàn)證了本文所采用的負(fù)荷建模、仿真方法的有效性，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；無源濾波；諧波治理

 0、引言

  在我國(guó)冶金行業(yè)中，中頻爐因具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫碳少、節(jié)省材料與成本、加熱均勻、芯表溫差小、溫控精度高等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。但是，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)典型的非線性負(fù)載，含有大量的諧波成分，且功耗大、功率因數(shù)低。由于它產(chǎn)生的大量諧波以及消耗的無功功率會(huì)引起電能質(zhì)量劣化，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。

  目前，針對(duì)于一般的諧波危害，有諧波源治理、安裝濾波補(bǔ)償裝置及其他治理方法，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，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，并設(shè)計(jì)出合理的諧波治理方案。

 1、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、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，需進(jìn)行特別處理。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)普遍使用的類型^[3,4]。

  六脈沖整流電路忽略換相過程和電流脈動(dòng)，交流側(cè)各相電流在理想條件下可近似地用方波來表示，考慮到電路阻抗壓降，電機(jī)的輸入電壓發(fā)生畸變。利用傅立葉變換分解諧波電流：

    （1）

  ——整流電路直流側(cè)電流的平均值。

  從（1）式可知，電流中除基波外只含有（為正整數(shù)）次諧波，即 5、7、11等各次諧波，這些諧波電流為三相6脈沖橋式整流電路的特征諧波，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、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）開發(fā)的全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真分析計(jì)算軟件。在仿真分析方面，該軟件集成了潮流分析、短路計(jì)算、暫態(tài)穩(wěn)定分析、諧波分析、可靠性分析等模塊，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)輸入和連線圖操作都可以直接在圖形界面上完成，顯示結(jié)果一目了然^[6]。

  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]，如圖1、圖2所示。由于中頻爐負(fù)荷的不平衡性，母線2的三相諧波電流幅值也將不相等，考慮zui嚴(yán)重的情況，取對(duì)應(yīng)次諧波電流幅值z(mì)ui大的一相作為三相諧波電流輸入。

圖1 中頻爐負(fù)荷模型

Fig.1 Load model of medium-frequency furnace  

 圖2 中頻爐參數(shù)

  Fig.2 Parameters of medium-frequency furnace

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，其對(duì)無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。該鋼鐵廠各中頻爐均由單回10KV電源進(jìn)線經(jīng)一臺(tái)容量為1000kVA、變比為10/0.4kV的變壓器供電。中頻爐為六脈沖整流裝置，額定功率，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平均功率，功率因數(shù)，主要是5、7、11等次諧波。

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，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zui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)。

  建立鋼鐵廠供電系統(tǒng)一次接線單線圖（如圖１所示），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)母線諧波電壓畸變率和電壓曲線如圖3、圖4所示，諧波電流值見表1。

圖3諧波電壓畸變率(2~25次)

Fig.3 Harmonic voltage distortion rate(2~25)

     圖4 一個(gè)周期的相電壓曲線

 Fig.4 A periodic curve of phase voltage

表1諧波電流值(2~25次)

Tab.1 Harmonic current values(2~25)

  從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，中頻爐運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)為0.84，所需無功功率為452 kvar。設(shè)目標(biāo)功率因素為0.98，則實(shí)際所需無功補(bǔ)償容量^＝308kvar（為實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平均功率；為實(shí)際功率因數(shù)角；為目標(biāo)功率因數(shù)角）。為保證電容器組*穩(wěn)定工作，其額定電壓可選母線額定電壓的1.3倍以上，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。

為避免諧波放大，串聯(lián)電抗器的電感量應(yīng)滿足下式關(guān)系：

  由圖3可知，該中頻爐所產(chǎn)生的5次、7次、11次的諧波電流值分別為197.1A、117.2A、64.2A；總的電壓畸變率達(dá)到8.97%，電流畸變率達(dá)到19.7%；功率因數(shù)為0.84。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（見表2、表3），當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的zui小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量（表3）時(shí)，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，因此必須對(duì)其進(jìn)行治理。

表2 公用電網(wǎng)諧波電壓限值（相值）

Tab.2 The harmonic standard of public power network(phase value)

表3 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

Tab.3 The allowable value of the harmonic currents injected into the common connection point

  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，必須對(duì)其進(jìn)行治理。

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)的無源濾波器如各類調(diào)諧濾波器等，其技術(shù)比較成熟，成本也較低，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，在生產(chǎn)比較穩(wěn)定時(shí)能取得很好的濾波效果。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設(shè)備，可對(duì)任意頻率（2~50Hz）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，既濾除諧波又補(bǔ)償無功，但穩(wěn)定性差、造價(jià)高、功率和容量小、維修困難等^[8]。

  該鋼鐵廠負(fù)荷并不大，諧波含量較穩(wěn)定，成本較低，考慮到工程總投資、諧波抑制和無功功率利用率等設(shè)計(jì)目標(biāo)，擬采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的無源濾波器，既可濾除諧波，又可適當(dāng)補(bǔ)償無功功率，提高功率因數(shù)^[9]。該諧波源是電流型，可在變壓器二次側(cè)母線處采取就地并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

  因此每組串聯(lián)電抗器等效基波電抗為：

  考慮到電抗器和電容器的制造，通常取：

  或                               

   ——諧波次數(shù)；

  ——串聯(lián)電抗器的電抗率。

  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，每組電容容量為150kvar，電壓為0.57kV，串聯(lián)電抗率為5%；7次濾波支路為1組，電容容量為150kvar，電壓為0.57kV，串聯(lián)電抗率為2.5%。驗(yàn)證可知，5次濾波支路每組實(shí)際補(bǔ)償容量為：

               （7）

  3組補(bǔ)償容量約為232kvar。

  同理，7次濾波支路實(shí)際補(bǔ)償容量為75kvar，則5次、7次總補(bǔ)償容量為：307 kvar，與實(shí)際所需無功補(bǔ)償容量相當(dāng)。

  5次電容器組等效基波容抗為：

  因此，電抗器等效基波電抗為：

  同理，7次濾波支路電抗器等效基波電抗。

  至此，無源濾波器的主要參數(shù)已基本確定^[10,11]。將相關(guān)參數(shù)帶入單線圖仿真，可得修正后的變壓器二次側(cè)母線諧波電壓畸變率和電壓曲線，如圖5、圖6所示。

圖5諧波電壓畸變率(2~25次)

          Fig.5 Harmonic voltage distortion rate(2~25)       

圖6 一個(gè)周期的相電壓曲線

 Fig.6 A periodic curve of phase voltage

  由圖5、圖6可知，安裝了無源濾波器后，變壓器二次側(cè)母線諧波電壓畸變率均減小了，電壓曲線變平滑，諧波電流含量大幅降低。總的電壓畸變率為4.9%，已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電流畸變率為10.41%，功率因數(shù)也提高到0.98，系統(tǒng)的諧波和無功環(huán)境已大幅改善。因此，優(yōu)化的無源濾波器治理方案是有效的。

3、結(jié)束語

  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，設(shè)計(jì)出諧波治理方案，并通過仿真驗(yàn)證了該方案的有效性。該方案實(shí)施后，解決了開啟中頻爐而無法帶其它負(fù)荷和原有無功補(bǔ)償柜的問題，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。

  文章來源：《電工技術(shù)》2017年7期。

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