一種新型的諧波抑制及無功補償方法

呂春美，張周麟，劉健犇，陳喬夫

（1.麗水電業局，浙江 麗水 323000；2.華中科技大學，武漢 430074）

一種新型的諧波抑制及無功補償方法

呂春美1，張周麟1，劉健犇2，陳喬夫2

（1.麗水電業局，浙江 麗水 323000；2.華中科技大學，武漢 430074）

分析某鋼鐵廠用戶設備由于采用相控整流電路后帶來的諧波問題，設計一種新型無源濾波器進行諧波抑制及無功補償方案，實踐表明該方案的濾波及無功補償效果良好。

諧波抑制；無功補償；無源濾波器；中頻爐

隨著現代科學技術的發展，電力電子裝置得到廣泛應用，從而也給電網帶來了嚴重的諧波污染。諧波電流會增加功率損耗，影響用戶自身用電設備和電網設備的正常運行，嚴重時會引發系統諧振和電力系統事故。某鋼廠用戶由于諧波污染嚴重，導致4臺中頻爐變壓器（簡稱爐變）燒損，經濟損失慘重。通過調查分析，綜合考慮各種因素，設計一種新型諧波抑制裝置：在爐變低壓側裝設無源濾波器，在高壓側串聯電抗器，充分考慮裝置絕緣距離以及諧波電流較大情況下消諧裝置的保護問題，取得了預期效果。

1 諧波分析

某鋼廠有4條鋼鐵生產流水線，每條生產線均通過1臺Δ/Δ/Y連接的主變壓器將35 kV母線電壓降至950 V，經12脈波整流后再進行單相逆變，最終把50 Hz電網電壓變為300 Hz中頻電壓。

每臺爐變參數是35 kV/950 V/950 V，6 300 kVA。12脈波整流如圖1所示，包括兩個6脈波整流器，輸入電壓有30°的相移。假設3個繞組的匝比為可以保證變壓器的電壓變比為1∶1∶1，使變壓器只改變相角，不改變電壓的大小。

三繞組變壓器相當于兩臺獨立的變壓器，一臺的連接組號是Dd0，另一臺是Dy11。所以，一次側繞組電流可以等效為兩個二次側繞組折算到一次側的電流之和：iA=iA1+iA2。

圖1 12脈波整流電路示意圖

Dd0連接的等效變壓器的一次側電流和二次側電流相等。Dy11連接的等效變壓器一次側線電流的基波和正序次諧波滯后對應的二次側線電流30°，一次側線電流的負序次諧波超前對應的二次側線電流30°。可得一次側的線電流iA為：

其中k=1、2、3……。從上式可看出，一次側線電流中不含有5次和7次諧波。

濾波前35 kV側電壓電流波形和諧波含量見圖2和表1。

圖2 濾波前的實際電壓、電流波形

2 一種新型的諧波抑制方法

目前，電力系統用戶諧波治理采取的方法是“誰污染誰治理”，即在用戶側就地治理。如果在35 kV高壓側治理，對消諧設備的絕緣性能要求較高，同時流過消諧設備的電流較大，要求消諧裝置的安裝容量也很大，造成消諧成本增加。若消諧設備出現故障，會改變供電系統電感電容參數，在一定條件下易引發系統諧振，危及電網安全。有用戶曾在35 kV用戶變母線側裝設無功補償裝置SVC，因晶閘管水冷卻系統斷電后引起爆炸，最終引起系統故障，造成大面積停電，兩個小時后才恢復供電，事故造成很大的經濟損失和社會影響。因此，在多諧波源供電區域，從供電安全性角度考慮，對中頻爐用戶不宜在用戶變高壓側安裝消諧裝置。

鑒于此，本文提出了一種新型的基于低壓側諧波抑制及無功補償的方法，即：將無源濾波器設置在低壓側，為避免不同諧振點的消諧支路互相影響，只設置11次單調諧消諧支路，同時削弱13次諧波電流。為提高消諧效果，同時在高壓側設置串聯電抗器。

3 串聯電抗器的作用分析

（1）高壓側設置串聯電抗器后，會引起無功功率的損耗，因此選擇電抗率為3%～15%。若實際電抗率選6%，工廠電源設備容量為50 MVA，則系統的額定相電流為：

若設計串聯電抗器的電感值為4.75 mH，當4個煉鋼爐同時工作時，總電流將達到500 A以上，因此由于串聯電抗器帶來的無功功率損耗將達到：

Qloss=3ωLI2=3×314×4.75×10-3×5002=1 118.6 kvar

功率因數會降低1個百分點，實際的功率因數為0.92，和仿真結果相似。

（2）串聯電抗器能增加系統的阻抗，迫使更多的諧波電流流入無源濾波器中，增強濾波效果，原理如圖3所示。

在圖3中，LS為系統內阻抗電感值，LS1為串聯電抗器的電感，L和C是無源濾波器的電感和電容值。XS，XS1，XL和XC分別表示系統內阻抗、串聯電抗、濾波支路電抗器和電容器的基波阻抗值。IL為負載電流，IS為流入系統的電流，IC為流入無源濾波支路的電流，上標（n）表示電流中的n次諧波。

表1 35 kV側電壓電流諧波含量報表

圖3 主回路串聯電感示意圖

由圖3可知，流入系統的諧波電流和流入濾波器的諧波電流分別為：

經過串聯電抗器之后，系統和濾波器之間的并聯諧振點為：

系統的等效阻抗增加，消諧效果更好，并聯諧振點將向更低頻帶移動。

該35 kV系統的最大短路容量SN為218.8 MVA，系統阻抗大約10 mH，由變壓器的銘牌可知：Uσ1=3%，Uσ2=1.5%。

無串聯電抗器時系統的等效阻抗為圖3中的XS，等于35 kV系統內阻抗、變壓器一次側漏抗和變壓器二次側漏抗之和。將參數折算到二次側，有：

上式中，U1N=35 kV，U2N=0.95 kV，分別為變壓器一次側和二次側的額定電壓。

加串聯電抗器后，系統的等效阻抗為：

設置串聯電抗器前后，流入系統的諧波電流與負載諧波電流之比IS/IC如圖4所示。從圖4可以看到，設置串聯電抗器后，流入系統的高次諧波減少了。因此在系統中主要諧波11次和13次諧波電流消除的情況下，串聯電抗器極大提高了諧波抑制的效果。

圖4 流入系統的諧波電流（諧波階次）

同樣可以從圖4看到，串聯電抗器會增大低次諧波的放大系數。但是5次和7次諧波電流在主變的一次側抵消，因此實際的放大系數并不大。除此之外，串聯電抗器在故障發生時還起到限流電抗器的作用，增強系統的穩定性。

4 消諧效果分析

濾波前的圖形如圖2所示，濾波器的設計參數為35 kV側串聯電抗器4.75 mH，無源濾波支路中電抗器和電容器參數分別為17.7μH和620 μH。

對照國際標準可知，經過治理之后，用戶變35 kV母線電壓總畸變率從9.543%降至2.51%，進線電流總畸變率從14%降至2.67%，治理后的實際電壓、電流波形和諧波含量分別如圖5和表2所示。

表2 35 kV側電壓電流諧波含量報表

圖5 濾波后實際的電壓波形和電流波形

5 結語

實踐證明，上述新型諧波抑制及無功補償方法對特種12脈波整流電路和中頻爐諧波源抑制效果顯著，與傳統的消諧裝置相比，投資少，運行穩定，拓撲結構簡單，效果好，為35 kV 12脈中頻煉鋼爐的諧波抑制提供了很多有用的實踐經驗。

（1）低壓側的控制能夠達到更好的效果和可靠性。

（2）空心電抗器的電感值恒定，更適用于諧波抑制的領域。

（3）中頻感應電爐有其特殊性，在大多數工作時段內的功率因數較高，僅在鋼水流出的時候較低。因此，在鋼材熔化的時候應該補償功率因數以確保平均功率因數足夠高。沒有必要設置很多的諧波抑制支路。

（4）采用該濾波方案時，當整流回路發生觸發不均等不對稱性故障時有激發諧振的危險，應予以注意。

該方案先后在數家同類型用戶中實際應用，取得良好的治理效果，對相同性質的中頻爐諧波治理具有較好的推廣意義。

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（本文編輯：龔 皓）

A New Approach to Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation

LV Chun-mei1，ZHANG Zhou-lin1，LIU Jian-ben2，CHEN Qiao-fu2
（1.Lishui Electric Power Bureau,Lishui Zhejiang 323000,China；2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

Through the analysis of the harmonic problem resulted from adopting phase-controlled rectifying circuit for the user equipment in a steel plant,a new type of passive filter is designed for harmonic suppression and reactive power compensation.The practice indicates that itachieves desirable effects of filtration and reactive power compensation.

harmonic suppression；reactive power compensation；passive filter；medum-frequency furnace

TM761+.12

：A

：1007-1881（2010）12-0028-04

2010-09-14

呂春美（1967-），女，浙江松陽人，高級工程師，從事無功電壓、電能質量技術管理工作。