有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應(yīng)用

錢長(zhǎng)遠(yuǎn),汪良坤，趙 燕，連 濤，王寶安

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096)

晶閘管中頻電源的應(yīng)用是從1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺(tái)感應(yīng)熔煉電源開始的，并得到了廣泛應(yīng)用，遍及熔煉、透熱、種子處理、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域[1]。國(guó)內(nèi)晶閘管中頻電源已發(fā)展成為電力系統(tǒng)中最重要的非線性負(fù)荷。由于中頻電源裝置在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)，會(huì)不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，向電力系統(tǒng)注入諧波電流，使公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)（PPC）的電壓波形嚴(yán)重畸變，使電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，電能損耗顯著上升，被公認(rèn)為電力系統(tǒng)的一大公害，諧波治理工作尤為重要[2]。為減少中頻爐帶來(lái)的諧波污染，國(guó)內(nèi)已采用多脈動(dòng)整流技術(shù)研制出了多種中頻爐設(shè)備，包括6脈，12脈，24脈中頻爐等，由于后兩者成本相對(duì)較高，因此大多煉鋼企業(yè)仍舊采用6脈動(dòng)中頻爐進(jìn)行金屬熔煉，其諧波污染問(wèn)題仍不能忽視。現(xiàn)階段對(duì)于中頻爐諧波的治理方法主要有2種方法：一種是補(bǔ)救性的治理方法，即為克服既存諧波問(wèn)題所采用的方法；一種是避免中頻爐諧波出現(xiàn)的預(yù)防性的措施[3]。雖然第二種方法可以從根本上解決日益嚴(yán)重的諧波污染，但對(duì)于現(xiàn)已大量使用的中頻爐，則只有采用第一種方法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波。將結(jié)合中頻爐的工作原理及其諧波治理措施進(jìn)行討論，提出利用有源濾波器（APF）對(duì)6脈中頻爐工作的不同階段產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償與治理分析。

1中頻爐工作原理

1.1中頻爐電氣原理

中頻爐是一種快速穩(wěn)定的金屬加熱裝置，其核心設(shè)備是中頻電源。中頻爐的電源通常采用AC-DC-AC變換方式，將輸入的工頻交流電輸出為中頻交流電，且頻率變化不受電網(wǎng)頻率的限制，其電路如圖1所示[4]。

1.2諧波分析

圖1中頻電源電路框圖

中頻電源注入電網(wǎng)的諧波主要是由整流裝置產(chǎn)生的，這里以三相6脈動(dòng)全控橋式整流電路為例來(lái)分析其諧波含量。忽略三相橋式晶閘管整流電路換相過(guò)程和電流脈動(dòng)，假定交流側(cè)電抗為0，直流電感為無(wú)窮大，利用傅里葉分析方法，將電流負(fù)、正兩半波的中點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，可推出交流側(cè)a相電流的表達(dá)式：

式中：Id為整流電路直流側(cè)電流的平均值。

由式（1）可知，對(duì)于6脈動(dòng)的中頻爐來(lái)說(shuō)，它可產(chǎn)生大量的5次，7次，11次，13次，17次，19次等諧波，可歸納為6k±1（k為正整數(shù)）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)[5]。

2 6脈中頻爐的建模仿真

利用PSIM軟件分別建立電流型中頻爐和電壓型中頻爐的仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。電流型中頻爐逆變側(cè)由4個(gè)晶閘管橋臂組成，電壓型中頻爐逆變側(cè)由4個(gè)IGBT組成。將中頻爐加熱頻率設(shè)為1 000 Hz，中頻爐額定功率P為100 kW，電源電壓U為220 V。根據(jù)所建仿真模型，得到中頻爐的輸入諧波特性：電流型中頻爐輸入側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖4所示，電壓型中頻爐輸入側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖5所示。

仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了理論上的諧波分析。中頻爐采用6脈波整流電路，通過(guò)FFT分析得知輸入側(cè)電流中含有大量的6k±1次諧波，其中5次諧波含量很大，

圖2電流型中頻爐結(jié)構(gòu)

圖3電壓型中頻爐結(jié)構(gòu)

圖4電流型中頻爐輸入側(cè)電流波形和頻譜

圖5電壓型中頻爐輸入側(cè)電流波形和頻譜

通過(guò)計(jì)算得出電流型諧波電流總畸變率為19.71%，電壓型諧波電流總諧波畸變率為19.26%，嚴(yán)重超過(guò)國(guó)家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。

3諧波治理措施

3.1治理方案

為了使中頻爐產(chǎn)生的諧波對(duì)公共電網(wǎng)的影響符合設(shè)備使用地供電系統(tǒng)的要求，可采取積極有效的治理措施以消除諧波污染，具體治理措施如下[6]：

一是變壓器采用Y/Y/Δ接線方式。對(duì)于大容量的中頻爐，其供電變壓器可以采用Y/Y/Δ接線方式，通過(guò)改變整流器交流側(cè)變壓器的接線形式來(lái)抵消較低次的特征諧波。但成本較高。

二是采用LC無(wú)源濾波器，主要結(jié)構(gòu)是用電容器與電抗器串聯(lián)起來(lái)，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中。這種方法比較傳統(tǒng)，既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。但補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，且只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。

三是采用APF，這是諧波抑制比較新的方法[7]。APF是一種動(dòng)態(tài)諧波補(bǔ)償設(shè)備，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)特性好，且補(bǔ)償特性不受阻抗的影響，諧波補(bǔ)償效果最佳，因而受到廣泛重視。

3.2 APF工作原理

采用并聯(lián)型APF，其主電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，出口處采用LCL濾波器連接電網(wǎng)，用于濾除開關(guān)次諧波。采用一種新型的基于直流側(cè)電容電壓控制和電流閉環(huán)反饋控制的算法[8]，從瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無(wú)功能量在系統(tǒng)中傳遞的角度出發(fā)，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)有功能量為主要目標(biāo)來(lái)對(duì)輸入的電流進(jìn)行控制。

圖6 APF主電路結(jié)構(gòu)

APF的工作原理如圖7所示。指令電流運(yùn)算電路，一方面為達(dá)到消除諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率的目的，將負(fù)載電流iL中的諧波電流iLh和無(wú)功電流iLq分離出來(lái)，產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)i*c1；另一方面為保持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定，采用PI調(diào)節(jié)控制法：將檢測(cè)到的電容電壓實(shí)際值與給定的參考電壓值相減之差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號(hào)i*c2，并將i*c2作為實(shí)際的補(bǔ)償電流指令值疊加到i*c1上，即：

作為補(bǔ)償電流ic的調(diào)制波信號(hào)。通過(guò)正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)產(chǎn)生輸出觸發(fā)脈沖，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)主電路的功率開關(guān)，使其創(chuàng)建出補(bǔ)償電流ic來(lái)跟蹤指令電流，故ic≈因此電源電流is為：

即電源電流is中只含有基波有功分量iLP。

圖7 APF工作原理

4 APF應(yīng)用于6脈中頻爐的諧波治理效果

APF研制成功后，在蘇州振吳電爐有限公司投入運(yùn)行。該公司裝有1臺(tái)1 600 kV·A主變，在該公司380 V母線上，安裝了1臺(tái)100 kW的中頻爐，及其他無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。380 V/220 kV·A的APF安裝在變壓器低壓側(cè)，即中頻爐的接入點(diǎn)。針對(duì)6脈中頻爐不同階段的波形進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到補(bǔ)償前后的電流波形（波形由恒河DL750錄波儀測(cè)得）；將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行FFT分析，得到補(bǔ)償前后電源側(cè)電流對(duì)應(yīng)的頻譜分析圖，如圖（8—13）所示。

圖8中頻爐空載時(shí)負(fù)載側(cè)和電源側(cè)電流波形

對(duì)6脈中頻爐在空載、50%負(fù)載、滿載3種不同階段的電源側(cè)電流波形及頻譜分析可知，在未使用APF進(jìn)行諧波治理前，中頻爐投入運(yùn)行時(shí)，電源側(cè)電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，諧波電流組成主要為5次，7次，11次，13次諧波電流，諧波畸變率較大。針對(duì)中頻爐滿載的典型情況，補(bǔ)償前系統(tǒng)電流的5次，7次，11次，13次諧波含有率明顯超高，尤其5次諧波含有率達(dá)到21.49%，7次諧波電流達(dá)11．77%。諧波畸變率THD高達(dá)27.9%。投入APF進(jìn)行諧波治理后，5次，7次，11次，13次諧波諧波含有率迅速下降，電流波形接近于正弦波，電能質(zhì)量得到顯著改善。針對(duì)中頻爐滿載的典型情況，補(bǔ)償后諧波畸變率THD下降到3.8%，符合國(guó)家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)償效果良好。

圖9 中頻爐空載時(shí)負(fù)載側(cè)（THD＝110%）和電源側(cè)電流頻譜（THD＝10.3%）

圖10中頻爐50%負(fù)載時(shí)負(fù)載側(cè)和電源側(cè)電流波形

圖11 中頻爐50%負(fù)載時(shí)負(fù)載側(cè)（THD＝34.3%）和電源側(cè)電流頻譜（THD＝5.4%）

圖12中頻爐滿載時(shí)負(fù)載側(cè)和電源側(cè)電流波形

圖13 中頻爐滿載時(shí)負(fù)載側(cè)（THD＝27.9%）和電源側(cè)電流頻譜（THD＝3.8%）

5結(jié)束語(yǔ)

將APF應(yīng)用于6脈中頻爐的諧波治理中，通過(guò)對(duì)補(bǔ)償前后的諧波情況進(jìn)行對(duì)比與分析，可知電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了顯著改善，其電流畸變率迅速下降，從而降低了中頻爐對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，并改善了其他用電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，為企業(yè)節(jié)約大量電能。因此，APF將在6脈中頻爐的諧波治理上得到廣泛的應(yīng)用。

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