孫文華 ，陳 龍，袁曉冬

(1.常州供電公司，江蘇常州2 1 3 0 0 4；2.中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州2 2 1 0 0 8；3.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京2 1 1 1 0 3)

冶金企業(yè)用電設(shè)備多數(shù)為非線性負(fù)荷，非線性負(fù)荷設(shè)備向電網(wǎng)中注入諧波，會(huì)造成公共連接點(diǎn)的波形畸變，供電質(zhì)量降低。隨著冶金行業(yè)的蓬勃發(fā)展，非線性負(fù)荷不斷增長，造成某一地區(qū)電網(wǎng)中冶金企業(yè)集中接入現(xiàn)象增多。現(xiàn)有的研究中，針對(duì)單個(gè)冶金企業(yè)對(duì)電網(wǎng)的影響分析較多，而對(duì)集中接入存在的問題研究較少。文中介紹了冶金企業(yè)典型負(fù)荷諧波發(fā)射水平，在多諧波源諧波迭加方法的基礎(chǔ)上，分析了冶金企業(yè)集中接入產(chǎn)生諧波對(duì)常州地區(qū)電網(wǎng)的影響，并提出了相應(yīng)治理辦法。

1諧波限值的規(guī)定

電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)用戶供電。而在實(shí)際工況下，諧波是造成公共連接點(diǎn)電能質(zhì)量下降的重要因素之一。諧波可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加、繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作、設(shè)備壽命縮短。為了確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和供用電設(shè)備的正常工作，必須對(duì)諧波污染加以限制。我國國家標(biāo)準(zhǔn)G B/T 1 4 5 4 9-1 9 9 3《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)電力系統(tǒng)諧波電壓、諧波電流限值做出了明確的規(guī)定。

2冶金企業(yè)典型負(fù)荷的諧波分析

冶金行業(yè)用電設(shè)備主要為直流電動(dòng)機(jī)和變流器驅(qū)動(dòng)、交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)、變壓器、電抗器、電力電子裝置等非線性負(fù)載。非線性負(fù)載是指具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備，其阻抗隨外施電壓或電流的變化而變化。當(dāng)向非線性負(fù)荷施加標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的電壓時(shí)，它將產(chǎn)生非正弦波形的電流。因此，非線性負(fù)荷最大特點(diǎn)是會(huì)引起電力系統(tǒng)電壓或電流正弦波形的畸變，產(chǎn)生諧波分量。

電弧爐、中頻爐、軋機(jī)等設(shè)備是冶金企業(yè)最常用的也是最主要的非線性負(fù)荷。下面就冶金企業(yè)典型非線性負(fù)荷諧波發(fā)射水平做簡要分析。

2.1電弧爐

電弧爐在冶煉過程中，主要因?yàn)殡娀∽杩共环€(wěn)定，并且在交流電弧的半個(gè)周期中電弧阻抗也在變動(dòng)，造成了電弧電流的非正弦畸變，產(chǎn)生各次諧波。電弧爐電弧電流具有數(shù)值大而且不平衡、畸變和不規(guī)則波動(dòng)的特點(diǎn)。電弧爐交流電的正負(fù)半周換相，電極和爐料交替作為陰極和陽極，導(dǎo)致電流正負(fù)2個(gè)半周不對(duì)稱，造成偶次諧波；三相電弧不均衡導(dǎo)致3次諧波[1]。所以其電流波形不是正弦波，可分解為2次和2次以上的各次諧波電流，主要為2～7次，其中各次諧波平均值含有量和最大含有量可達(dá)基波分量的百分比如表1[2]所示。常州市某冶金企業(yè)電弧爐1 0 k V爐前變諧波電流含有量實(shí)測值表如2所示。

表1電弧爐諧波電流含有率

表2電弧爐諧波電流發(fā)生量實(shí)測值

2.2中頻爐

中頻爐中頻電源主電路采用三相全控整流橋，包括整流電路、逆變電路和負(fù)載諧振電路。整流器件為晶閘管，應(yīng)用電路多數(shù)為6脈波或1 2脈波整流電路。在6脈波整流的電路中，交流側(cè)電流中含6 k±1（k為正整數(shù)）次諧波電流，這些諧波成為整流電路的特征諧波[3]。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，而且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。即6脈波整流的中頻爐中，5次和7次諧波含所占比例較高，對(duì)總諧波含量影響最大。1 1次，1 3次，1 7次，1 9次諧波含量相對(duì)較高，對(duì)諧波總含量也有一定影響。同理，若中頻爐的整流電路為1 2脈波整流，則特征諧波的次數(shù)為1 2 k±1。依次類推，脈波整流電路的特征諧波次數(shù)為pk±1。實(shí)際測試中某企業(yè)中頻爐諧波電流頻譜如圖1所示。

2.3軋機(jī)

軋機(jī)是實(shí)現(xiàn)金屬軋制最常用的設(shè)備?，F(xiàn)代大型軋機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的有功沖擊和無功沖擊對(duì)電網(wǎng)的頻率和電壓都產(chǎn)生影響。由于軋機(jī)控制性能的要求，大部分軋機(jī)主傳動(dòng)裝置使用晶閘管整流的直流傳動(dòng)系統(tǒng)，部分軋機(jī)主傳動(dòng)使用晶閘管變流的交-交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。軋機(jī)系統(tǒng)的整流裝置屬于典型的脈沖整流裝置，軋機(jī)由于晶閘管調(diào)相調(diào)壓的非線性特點(diǎn)，造成軋機(jī)電壓電流波形畸變，產(chǎn)生大量的諧波。

3多諧波源迭加分析

當(dāng)某個(gè)企業(yè)有多臺(tái)非線性設(shè)備，或電網(wǎng)某條線路存在多個(gè)企業(yè)接入的情況下，各個(gè)諧波源產(chǎn)生的諧波相互迭加將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。在計(jì)算多諧波源迭加時(shí)，根據(jù)諧波源類型的不同主要有以下2種迭加方法。

3.1變流器類型諧波源

中頻爐、軋機(jī)等諧波源為電力電子變換裝置，主要包括各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等。盡管該類諧波源諧波發(fā)射水平的影響因素十分復(fù)雜和繁多，但有一定的規(guī)律。以中頻爐為例評(píng)估諧波注入，2臺(tái)爐按下式進(jìn)行迭加計(jì)算：

式中：Ih為迭加后的第h次諧波電流；Ih1，Ih2分別為2個(gè)諧波源的第h次諧波電流；Kh為迭加系數(shù)。當(dāng)同次諧波源相角差θ確定時(shí)，Kh=2 c o s θn；當(dāng)相角差不能確定時(shí)，Kh按表3選取。當(dāng)數(shù)臺(tái)中頻爐同時(shí)計(jì)算時(shí)，應(yīng)首先按照2個(gè)諧波電流迭加，然后再與第3個(gè)諧波電流迭加，依此類推。

表3同次諧波電流迭加系數(shù)

3.2時(shí)變諧波源

電弧爐負(fù)荷屬于時(shí)變諧波源，發(fā)生諧波特征和大小隨時(shí)間變化，其諧波電流都是隨機(jī)變化的。因此2臺(tái)電弧爐同次諧波電流的迭加計(jì)算時(shí)，Ih1和Ih2彼此間無任何聯(lián)系，所以不應(yīng)用疊加系數(shù)，直接按式（2）計(jì)算，采用均方根計(jì)算值。多臺(tái)電弧爐同次諧波電流迭加計(jì)算也按此方法進(jìn)行[4]。

冶金企業(yè)集中接入配電網(wǎng)地區(qū)諧波源分布廣泛，準(zhǔn)確評(píng)估同種和不同諧波源諧波迭加情況，有助于把握電網(wǎng)中諧波的總體含量，為相應(yīng)的治理措施提供決策依據(jù)。

4常州市諧波影響現(xiàn)狀

隨著常州市現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，煉鋼、軋輥、鑄造等冶金企業(yè)的數(shù)量、規(guī)模不斷增長。常州地區(qū)是典型的冶金企業(yè)集中接入配電網(wǎng)地區(qū)，諧波源負(fù)荷類型多且復(fù)雜、諧波迭加情況嚴(yán)重。

文中對(duì)常州地區(qū)電網(wǎng)和主要用戶進(jìn)行了電能質(zhì)量普測工作。統(tǒng)計(jì)在內(nèi)的4 0個(gè)大容量非線性負(fù)荷電能質(zhì)量污染源用戶中，其中3 2個(gè)用戶屬于冶金企業(yè)，且近半數(shù)的冶金企業(yè)存在電能質(zhì)量超標(biāo)現(xiàn)象，如表4所示。

表4冶金企業(yè)主要負(fù)荷諧波超標(biāo)數(shù)量 個(gè)

可見，冶金企業(yè)集中接入配電網(wǎng)諧波超標(biāo)現(xiàn)象明顯，對(duì)電能質(zhì)量造成明顯影響。具體測試結(jié)果表明：

（1）用戶諧波電壓一般不存在超標(biāo)現(xiàn)象，諧波電流超標(biāo)比較普遍，超標(biāo)的企業(yè)中大多數(shù)是冶金企業(yè)。

（2）所有諧波超標(biāo)用戶的主要負(fù)荷均為電弧爐、中頻爐、軋機(jī)3種中的1種或幾種。此類用戶的5次，7次等典型諧波電壓電流含量、諧波畸變率等指標(biāo)一般都處于較高水平，且部分指標(biāo)已經(jīng)超出國家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）未按要求采取諧波治理措施的企業(yè)諧波含量豐富，諧波都處在較高的發(fā)射水平。而已安裝濾波裝置企業(yè)，諧波含量一般符合國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值。圖2、圖3分別為未采取任何治理措施和采用了一定治理措施的企業(yè)的諧波電流頻譜。比較可知，不采取治理措施時(shí)各次諧波含量豐富，而應(yīng)用治理措施的企業(yè)雖然5次，7次等典型次諧波仍高于其他次諧波，但整體已處于較低水平。

（4）部分企業(yè)已安裝5次，7次等特征次諧波濾波裝置，特征次諧波含量處于限值以下，但1 1次，1 3次，2 3次，2 5次等其他次諧波含量存在超出標(biāo)準(zhǔn)限值現(xiàn)象，如圖4所示。

從常州地區(qū)電網(wǎng)整體電能質(zhì)量測試情況看，大型電能質(zhì)量污染企業(yè)、工廠分布較少的市區(qū)電能質(zhì)量情況良好，基本無諧波超標(biāo)問題。少數(shù)變電站諧波電流含量和總畸變率較大，超出國標(biāo)要求，主要由于低壓系統(tǒng)采用的無功補(bǔ)償裝置通常沒有考慮諧波的影響所致。農(nóng)村電網(wǎng)由于自身容量較小，小型冶金用戶非線性負(fù)荷分布廣，且用戶也較少考慮諧波問題。因此，它們所帶來的電能質(zhì)量問題，可能在局部對(duì)電網(wǎng)和其他用戶造成影響。電能質(zhì)量指標(biāo)超出國標(biāo)限值比較嚴(yán)重的城郊等地區(qū)，一般都存在冶煉、鑄造、軋鋼等有大量的變頻器群和電弧爐等諧波源的重工業(yè)企業(yè)。

5諧波治理措施

5.1常州地區(qū)現(xiàn)狀

冶金企業(yè)集中接入地區(qū)諧波超標(biāo)現(xiàn)象普遍，對(duì)電網(wǎng)造成影響惡劣，必須加以限制?，F(xiàn)有的諧波治理裝置主要分為無源濾波器和有源濾波器2種，諧波治理的另一個(gè)方向是，諧波治理與無功補(bǔ)償相結(jié)合的方式。

常州地區(qū)統(tǒng)計(jì)在內(nèi)的3 2家大容量冶金企業(yè)中，已經(jīng)采用治理措施的企業(yè)有1 4家，其中9家采用以單調(diào)諧加高通濾波為主的無源濾波器和5家應(yīng)用靜止無功補(bǔ)償裝置（S V C）進(jìn)行綜合治理。從治理效果上看，采用無源濾波裝置進(jìn)行諧波治理的企業(yè)中，仍有部分存在高次諧波超標(biāo)現(xiàn)象，而應(yīng)用S V C進(jìn)行綜合補(bǔ)償?shù)钠髽I(yè)諧波水平幾乎均控制在合理的范圍內(nèi)。由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)等多方面的原因，有源濾波器尚未在常州地區(qū)大規(guī)模投入使用。

5.2典型案例

常州市在諧波超標(biāo)的冶金企業(yè)中，有近1/3的用戶是在安裝了濾波器后仍出現(xiàn)諧波超標(biāo)現(xiàn)象，原因主要是這些企業(yè)大部分采用無源濾波器，其本身存在易受電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)影響、只能補(bǔ)償固定頻率諧波等問題。

某冶金企業(yè)主要負(fù)荷為軋機(jī)、中頻爐，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量諧波,采用傳統(tǒng)的無源濾波裝置濾波效果不明顯。企業(yè)更改治理措施后，在其配電變電站1 0 k V母線上采用靜止無功發(fā)生器（S V G）和濾波器（F C）相結(jié)合的形式進(jìn)行濾波和無功綜合補(bǔ)償，其一次系統(tǒng)圖如圖5所示。該方案能夠?qū)ο到y(tǒng)的無功量進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，做到無級(jí)調(diào)節(jié)，并能有效濾除諧波，穩(wěn)定電壓。設(shè)備運(yùn)行之后諧波治理的效果顯著，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。治理前后電流波形如圖6所示。

5.3濾波方案

冶金企業(yè)一般可采用增設(shè)5次，7次，1 1次，1 3次靜態(tài)型無源濾波裝置進(jìn)行就地治理[5]，濾波器典型組合見表5。效果不明顯時(shí)，宜配置有源濾波器或采用諧波治理與無功綜合補(bǔ)償相結(jié)合的方案。有源電力濾波器（A P F）能補(bǔ)償各次諧波，原則上能達(dá)到完全濾波的效果。而S V C和S V G在諧波抑制、綜合補(bǔ)償?shù)膶?shí)踐中顯示了技術(shù)上的優(yōu)勢和良好的效果，有效地降低了對(duì)電網(wǎng)的不利影響。在設(shè)計(jì)濾波裝置時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場供電系統(tǒng)短路容量、變壓器短路阻抗、負(fù)荷狀況等數(shù)據(jù)考慮具體方案。

冶金企業(yè)負(fù)荷情況復(fù)雜，諧波超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，治理較為困難。針對(duì)冶金企業(yè)集中接入配電網(wǎng)的情況，電力管理部門應(yīng)從宏觀上更加有計(jì)劃的制定諧波治理措施，避免企業(yè)由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等原因而放棄治理或采用傳統(tǒng)落后的治理方式，避免某個(gè)企業(yè)諧波治理后符合標(biāo)準(zhǔn)但可能導(dǎo)致其他企業(yè)諧波放大等現(xiàn)象。在諧波治理策略上建議考慮綜合治理，即在重要諧波源處采用就地治理方式，而對(duì)于一般負(fù)荷在總進(jìn)線處集中治理。這樣既能達(dá)到理想的諧波治理效果，又能節(jié)約治理的投入。由此確保電網(wǎng)中諧波含量限制在合理的水平。此外，還必須貫徹“堵新治舊”諧波管理方針。在審查新上和擴(kuò)建的電能質(zhì)量污染源項(xiàng)目的接入方案時(shí)，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行諧波項(xiàng)目的評(píng)估，諧波治理措施要與工程項(xiàng)目同步實(shí)施。對(duì)于現(xiàn)有的諧波源用戶，在實(shí)測的基礎(chǔ)上，積極分析治理方案；污染嚴(yán)重的用戶，必須提出限期整改的計(jì)劃和措施。

表5濾波器典型組合方案

6結(jié)束語

冶金企業(yè)集中接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響較為惡劣，為保證電網(wǎng)諧波限制在合理水平，在滿足用戶要求的基礎(chǔ)上保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)諧波等電能質(zhì)量相關(guān)問題的研究，實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)適用和切實(shí)有效的治理辦法。電力部門還需做好引導(dǎo)和監(jiān)管工作，樹立和增強(qiáng)維護(hù)電能質(zhì)量的意識(shí)，提升電能質(zhì)量管理水平，

力爭為用戶提供更優(yōu)質(zhì)高效的電能。

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