冶金軋鋼行業(yè)中整流裝置對電網(wǎng)干擾的綜合治理方案

常領(lǐng)+楊軍輝+劉玉輝

摘 要：諧波負(fù)荷在冶金軋鋼行業(yè)中有其比較特殊的性質(zhì)——特征諧波與非特征諧波并存，并且含量較大，設(shè)備自身的問題也摻雜其中，單個(gè)裝置濾波不能有效解決問題，所以需要綜合考慮治理方案，才能將諧波治理好，取得良好效果。一方面，首先改變整流變壓器的接線方式，再用裝置對其整流；另一方面對35kV電網(wǎng)采用動(dòng)補(bǔ)加濾波方式，使35kV電網(wǎng)達(dá)到國家使用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)也介紹了最新的一些減少諧波的方式方法，通過綜合的治理方案將摻雜入系統(tǒng)的諧波控制在國家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍以內(nèi)，使電網(wǎng)供電優(yōu)質(zhì)、可靠。

關(guān)鍵詞：35KV；諧波；方案

中圖分類號：TF305 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0076-02

1 關(guān)于諧波

諧波為基于正常電網(wǎng)基波頻率（工頻：國內(nèi)為50Hz）上的整數(shù)倍的正弦分量，所有諧波疊加后則造成畸變的周期性非正弦波形。

1.1 諧波的來源

諧波是由非線性負(fù)載所造成，對冶金企業(yè)而言，變流裝置（可控硅直流傳動(dòng)、變頻器交流傳動(dòng)，電弧爐等）都是諧波源。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，這種非線性負(fù)載的使用越來越大，在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，諧波對電網(wǎng)污染也更加嚴(yán)重。

整流裝置本身可產(chǎn)生非特征高次諧波。通常情況下，由于三相對稱供電系統(tǒng)中，回路為三相對稱，整流裝置中可控硅不同的觸發(fā)角、器件存在的特性差異都是非特征高次諧波的產(chǎn)生的主要原因，通過控制回路的改變及不合格可控硅的調(diào)整及更換，可基本消除非特征高次諧波中的2、3、4、6次等諧波。（將模擬控制器改為計(jì)算機(jī)控制器）。

1.2 諧波的危害

大量諧波電流易使一般補(bǔ)償電容和系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，從而使諧波電流放大，導(dǎo)致電容器過載或損壞。這已在很多工廠中發(fā)生并不鮮見。

諧波電流也使電力變壓器、電纜、電動(dòng)機(jī)附加損耗大大增加、溫升上升、加速絕緣老化，縮短設(shè)備壽命，這種損失是隱含的，一時(shí)不易被人覺察，但實(shí)實(shí)在在存在著。

諧波會(huì)使控制裝置，就像智能型直流模塊，可編程控制器（PLC）工作不正常，破壞了自動(dòng)化生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

總之，嚴(yán)重污染電網(wǎng)的主要是整流裝置的交流側(cè)諧波。這些交流諧波危害嚴(yán)重，主要體現(xiàn)在：（1）影響與其并聯(lián)的晶閘管裝置并對弱電系統(tǒng)進(jìn)行干擾；（2）降低發(fā)電機(jī)的容許負(fù)荷；

（3）增大變壓器的功率損失，增高噪聲；（4）使電氣設(shè)備不正常發(fā)熱；（5）引起交流電容器過載；（6）使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)周期性變化的轉(zhuǎn)速，引起功率損失增加（銅損、鐵損）；（7）降級互感器的精確度；（8）影響電子計(jì)算機(jī)的正常工作。

2 諧波的治理

目前常用的減少諧波措施是在整流裝置中增加等效相數(shù)、安裝濾波裝置、增加電源短路容量。近年成功研究的新措施是磁通補(bǔ)償法、諧波注入法、諧波回送法、安裝有源濾波器等方法。

從諧波源著手：盡量使該設(shè)備減少產(chǎn)生諧波，現(xiàn)在常用的電平整流逆變技術(shù)，多脈波（如十二相）整流技術(shù)等。使諧波電流中的5、7次諧波基本消除就是等效十二脈波整流的結(jié)果。

對現(xiàn)有諧波進(jìn)行吸收治理：把諧波進(jìn)行濾波吸收，從而使電網(wǎng)系統(tǒng)受其影響減到最小。

濾波裝置中有有源濾波裝置及無源濾波裝置二類，而無源濾波中，又可分有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波及非動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波。

綜合治理方案如下：

（1）在整流裝置中增加等效相數(shù)

減少諧波含量的方法中，在整流裝置中增加等效相數(shù)是有效的。人為干預(yù)改變整流器中各同名相電壓的相位移，可使諧波減少，即等效多相制。使各同名相電壓形成N個(gè)相量組成的系統(tǒng)（N-整流器組的數(shù)目），它們彼此之間的相位移均為360°/PN（P-脈波數(shù)），而所有整流器組的全部電壓形成多個(gè)相量組成的對稱多相系統(tǒng)，它們彼此之間的相位移也是360°/PN和PN相整流時(shí)二次電壓間的相位移相等。因此，在等效PN相制的情況下，整流電壓及一次電流的波形與PN相整流電路相同，其所含諧波分量大大減少。

例如，兩臺六脈波整流器的相電壓之間的相位移為30°時(shí)，則整流站整流電壓與一次電流的波形將和十二脈波整流電路一樣，也就是說，他們已形成等效十二相制。

等效多相制的實(shí)現(xiàn)，可采用下列各種方法：

a.講移相變壓器接在主變壓器的前端。此情況下，電網(wǎng)電壓與移相變壓器二次電壓之相量和與加于主變壓器的電壓等于。移相變壓器二次電壓與電網(wǎng)電壓間的相互關(guān)系由加于主變壓器的合成電壓的相移角決定。移相變壓器的其輸出電壓與功率成正比。

b.如果主變壓器之前接有調(diào)整自耦變壓器，可將自耦變壓器的勵(lì)磁線圈進(jìn)行曲折形接法，使主變壓器一次電壓的相位移動(dòng)所需的角度，這樣就可以達(dá)到移相變壓器同樣的效果。

c.將整流站內(nèi)一部分主變壓器一次線圈接成三角形，而

將另一部分主變壓器的一次線圈接成三相星形（或一臺主變壓器具有兩只二次線圈，一只接成三角形，而另一只接成三相星形），使這兩類主變壓器的一次電流間（或兩只二次線圈間）的相移角為30°，這樣就可以使整流站的供電線路形成等效多相制。這個(gè)方法可以單獨(dú)應(yīng)用，也可以和上述方法聯(lián)合應(yīng)用。

d.將主變壓器的二次線圈接成曲折形，使二次相電壓的相位有的向前移動(dòng)，有的向后移動(dòng)，形成等效多相制。

在等效多相制的情況下，并聯(lián)運(yùn)行的整流器組之間將有平衡電流通過，這是因?yàn)檫@些整流器組的整流電壓曲線并不重合，它們的脈振在時(shí)間上是不一致的。平衡電流的頻率等于這些脈振的頻率，當(dāng)它與整流臂工作電流疊加在一起時(shí)，可使整流臂的負(fù)擔(dān)加強(qiáng)，并會(huì)產(chǎn)生額外的功率損失，所以必須設(shè)法限制它。最有效的辦法是采用平衡電抗器或陰極電抗器。但當(dāng)使用大容量三線圈整流變壓器（二次為△、Y雙繞組）時(shí)，只要△與Y繞組間的漏抗設(shè)計(jì)得足夠大，就可省去平衡電抗器，效果同樣能達(dá)到。endprint

（2）給主傳動(dòng)供電的35kV電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償裝置，采用動(dòng)補(bǔ)加濾波方式，使35kV電網(wǎng)達(dá)到國家使用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)熱軋負(fù)載為感性的主要特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償采用SVC（靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置）無功補(bǔ)償方案，選用可靠、先進(jìn)、實(shí)用的TCR型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，全數(shù)字控制系統(tǒng)。

此套濾波裝置包括4只濾波器，其中主要是奇次單調(diào)諧固定式濾波器。主要將3、5、7、11諧波進(jìn)行濾波處理，在此套系統(tǒng)中如果出現(xiàn)偶次諧波電流，只要數(shù)量不大，奇次濾波器就可對其起到濾波作用，并將其調(diào)諧至特定諧波。

高通濾波器主要濾除高次諧波（例如17、19、23、25、……次），這些諧波幅值較小。在公司此套系統(tǒng)中未使用。

（3）將電源短路容量加大

減少電網(wǎng)污染最為有效的方法是增加電網(wǎng)短路容量與整流裝置網(wǎng)側(cè)視在功率之比。升高整流裝置電源電壓也有一定效果。

（4）補(bǔ)償磁通

即補(bǔ)償鐵芯中的諧波磁通，用以抵消諧波電流，方法是將一電流互感器接入變壓器二次側(cè)，將處理后的諧波電流經(jīng)過放大后，送往整流變壓器，使其產(chǎn)生反向諧波電流。

此方法優(yōu)點(diǎn)在于如補(bǔ)償完全的情況下，可抵消掉全部諧波電流，還可抵消部分非特征諧波。補(bǔ)償裝置中需要配大功率放大器是其最大缺陷。

此法在自飽和靜止無功補(bǔ)償裝置上應(yīng)用較多，也應(yīng)用在部分小容量整流設(shè)備中，在其整流裝置中加入濾波裝置將取得更好的效果。

（5）加入諧波

在整流電路中加入新的諧波電流，使其波形發(fā)生變化，進(jìn)而起到治理諧波的作用。諧波因平波電抗器的作用不會(huì)講諧波引入負(fù)荷回路中。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮系統(tǒng)阻抗，缺點(diǎn)在于加入的諧波必須與電力系統(tǒng)同步，并且必須可以自動(dòng)調(diào)節(jié)加入諧波電流的相位及幅值等。這種方法缺點(diǎn)明顯，因此應(yīng)用并不廣泛。

（6）回送諧波

即使變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)與整流電路中的正、負(fù)極之間形成三脈波整流電壓，這就要求整流變壓器的一次側(cè)必須是角接，二次側(cè)必須是星接。這樣在三脈波整流電壓中就含有三次諧波，并且這些諧波將附加于變壓器一次線圈上。變壓器二次線圈與整流器組成三倍全波整流器，交流輸出端電流即為三次回送諧波電流，呈現(xiàn)為矩形三倍頻波形，輸入端與六脈整流電路串聯(lián)。

此法應(yīng)用交廣。因其諧波源與供電電源可自然同步，多應(yīng)用于整理器和逆變器，也可用于大、中容量變流設(shè)備上。

（7）安裝有源濾波器

有源濾波器：如ALF有源濾波器，其工作方式為用二個(gè)電流/電壓互感器得到的電子設(shè)備記錄獲得了實(shí)際的電流曲線。其采樣頻率以平均10kHz頻率來采樣。依據(jù)采樣值的大小，通過IGBT橋式電路和注入線圈將一移相180°的電流注入電網(wǎng)，即一個(gè)正值被一個(gè)負(fù)值抵消掉了，一般有源濾波器連在諧波發(fā)生源附近。從有源濾波器連接點(diǎn)處至電網(wǎng)的源頭部分的諧波分量便被消除了。

有源濾波的優(yōu)點(diǎn)：

a.諧波電流的三相補(bǔ)償

b.對存在的電容或電感無諧振發(fā)生

c.對載波控制系統(tǒng)無沖擊

d.良好的濾波效果

但其最大的缺點(diǎn)：

a.高技術(shù)水平高造價(jià)高投入費(fèi)用。

b.對功率因素補(bǔ)償無效

（8）安裝無源濾波器

無源濾波器：通常用LC串聯(lián)諧振電路組成濾波器，主要利用串聯(lián)諧振針對某次諧波頻率對應(yīng)阻抗降至極小（其大小和LC回路的品質(zhì)因素及諧振點(diǎn)有關(guān)），從而把對應(yīng)諧波電流引入回路而最大限度減小了對電網(wǎng)的污染。

考慮到某些設(shè)備投入或切出時(shí)無功電流的巨大變化，無源濾波中又有動(dòng)態(tài)靜止型補(bǔ)償裝置，就像SVC補(bǔ)償裝置，它能在20ms內(nèi)迅速作出響應(yīng)，改變無功量，保證受電設(shè)備處電網(wǎng)功率因素穩(wěn)定及電壓的穩(wěn)定，這對由于大負(fù)荷變化形成的電網(wǎng)電壓不穩(wěn)及閃爍現(xiàn)象起了根本性的改善作用。絕大多數(shù)軋鋼廠廣泛使用無源非動(dòng)態(tài)靜止型濾波補(bǔ)償裝置，它也是采用LC濾波，是較早出現(xiàn)的一種較為成熟的抑制供電系統(tǒng)中諧波的濾波技術(shù)。其結(jié)構(gòu)較簡單，設(shè)備投入少，運(yùn)行可靠性高，運(yùn)行費(fèi)用低。

3 結(jié)束語

經(jīng)長期測量及專家建議，我公司最終確立了明確的治理方案。

（1）改變整流變壓器的接線方式，再用裝置對其整流。

（2）對35kV電網(wǎng)采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償加濾波方式，使35kV電網(wǎng)達(dá)到國家使用標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在國家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)向電網(wǎng)注入系統(tǒng)的諧波電流，使電氣設(shè)備能夠運(yùn)行可靠。

以上方式的應(yīng)用，可使有限的投入產(chǎn)生較為滿意的效果，電網(wǎng)的質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

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