有源電力濾波器在連鑄機諧波治理中的實踐與應用

樊安國， 郭艷慶， 和安東

安陽鋼鐵股份有限公司（455004）

0 前言

安陽鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠共有3臺小方坯連鑄機，是一個年生產能力達到235萬噸，國內同口徑相比效率最高的煉鋼廠。由于連鑄機生產及工藝的需要，在低壓配電系統變壓器二次側的傳動設備主要是電動機,采用變頻器驅動的控制模式。在生產過程中無故出現斷路器跳閘、通訊中斷的現象，對生產造成較大影響，使管理陷入被動。經過數據測試、分析及判斷，最終問題的根源是由于諧波電流過大而產生的危害所致。通過采用有源電力濾波器對系統諧波進行治理，實踐證明，它能夠有效地濾除諧波電流，防止由于諧波電流引起的斷路器跳閘和通訊中斷。

1 原因分析

1.1APF投入前負載電流測試

圖1 投入前三相負荷的電流波形（左）圖2 投入前三相負荷電流各次諧波的畸變（THD）（右）

圖3 投入前三相負荷電流各次諧波含量圖（左）圖4 三相系統電壓諧波的畸變（THD）值（右）

三相負荷總電流的波形如圖1所示。電流諧波的畸變（THD）值詳細信息如圖2所示。三相負荷電流各次諧波含量圖如3所示。由此可以得知，三相負荷電流中以5、7次諧波為主，5次諧波畸變率 （THD）約35%，7次諧波畸變率（THD）約12.7%，總諧波畸變率約38%。

1.2APF投入前負荷電壓測試

APF投入運行前，三相系統電壓諧波的畸變（THD）值詳細信息如圖4所示。三相系統電壓的諧波含量總諧波畸變率約2.5%。

基于國標規范畸變率THD的臨界點為5%，當超過該值時將產生很大的危害。通過測試數據分析，該系統的電流諧波畸變率已經遠遠超過了標準要求,其造成了電流波形的嚴重畸變，加速了電力設備絕緣老化的加劇，產生通訊干擾，造成繼電保護裝置拒動或誤動,引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，是直接導致斷路器跳閘和通訊中斷的根本原因。

2 治理方案

2.1 無源濾波器的應用

根據測試及供電情況，考慮到成本的因素，曾設計無源濾波器對諧波進行治理，但使用過程中發現，由于連鑄機系統負載電流變化快、諧波成分復雜，其不僅無法滿足濾除諧波的目的，而且在某頻段的諧波電流有所放大，不但沒有起到消諧作用，甚至起到了負作用。

2.2 諧波抑制

1）對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1。由于該系統工藝和生產需求，傳動驅動設備基本以變頻器為主，而變頻器本身就是諧波源，因此要從裝置本身進行改造消除諧波，基本上是不可能的。

2）裝設諧波補償裝置來補償諧波—有源濾波器的應用與實踐。由于傳統的無源濾波器存在諸多弊端,不能滿足需求，經過信息搜集和調查研究,諧波抑制的一個重要趨勢是采用電力有源濾波器（ActivePowerFilter，縮寫為APF）。它的基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流,由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流,從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償,且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視,并且已在日本等國獲得廣泛應用。為此根據現場情況針對性的制定了相應解決方案如圖5所示。

圖5 APF系統治理示意圖

3 效果分析

由于系統中有類似移鋼車等不是連續工作制的負載，因此系統存在一定幅度的波動,以下是不同時段的數據檢測和結果分析。

1）使用APF后諧波電壓、諧波電流治理效果對比圖如圖 6、圖 7、圖 8、圖 9所示。

圖6 電壓電流波形投入有源電力濾波器前（左）圖7 電壓電流波形投入有源電力濾波器后（右）

圖8 電流畸變率投入有源電力濾波器前（左）圖9 電流畸變率投入有源電力濾波器后（右）

2）畸變率數值對比:

表1 畸變率數值對比

3）治理效果分析:

①投入濾波器前，電流波形失真非常嚴重，電流畸變率已經達到38%,主要以5、7次諧波電流為主；投入濾波器后，電流畸變率降為4.3%，主要諧波基本被濾除，諧波濾除率達到88%。

②通過檢測的圖6～圖9可知,產生畸變的為負載側諧波電流的波形，正弦波形為補償后電網側波形，由此圖形也可清晰看出負載電流變化之快。雖然負載電流變化快，但濾波器能夠迅速檢測到負載電流變化將補償電流反饋到電網，一方面說明了濾波器具有良好的響應時間和適應面廣的特性,另一方面反映出濾波器能夠迅速將諧波進行有效的消除。

③斷路器無故跳閘和通訊中斷的問題得到了有效的解決，沒有再發生類似的問題。

4 結語

安陽鋼鐵股份公司第二煉鋼廠連鑄機系統通過近3年的有源電力濾波器的應用，實踐證明，它能夠適用于變化較快的負載,對供電系統的非線性負載在工作過程中產生的諧波起到明顯的抑制作用，不但解決了存在的問題，而且電網質量得到明顯的改善，系統功率因數大于0.98，同時整個供電系統的電能質量得到了很大的改善,也有效地促進了生產在線設備安全可靠的運行。

[1]吳競昌,孫樹勤,宋文南,等.電力系統諧波[M].北京:水利電力出版社,1988.

[2]阿里拉加J,布萊德勒 DA,伯德格爾 PS.電力系統諧波.容建綱等譯.華中理工大學出版社,1994年第1版.

[3]GB/T14549-93,電能質量公用電網諧波[S].北京:中國標準出版社,1994.

[4]王兆安,李民,卓放.瞬時無功功率理論和功率有源濾波器[D].90年代電工科技進步與發展學術年會論文集,No.10,1991,7,北京.