冶煉企業的諧波影響及解決方法研究

摘 要： 針對某水電廠周圍冶煉廠直接供電時配電網諧波源的多樣性，不確定性等特點，提出采用把混合有源電力器與諧波抑制變壓器相結合的綜合諧波抑制策略。混合有源電力濾波器具有良好的諧波抑制和無功補償功能，諧波抑制整流變壓器從根本上解決了諧波和無功對整流變壓器的影響。仿真結果表明整流變壓器網側繞組電流中諧波含量大大降低；系統諧波和無功損耗大大降低，提高了系統供電效率，實現了節能降耗；同時明顯降低諧波在整流變壓器中引起的振動和噪音。

關鍵字： 諧波源； 混合有源電力濾波器； 諧波抑制整流變壓器； 綜合諧波抑制

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0141?03

0 引 言

由于現代電力電子技術的快速發展，在化工電解領域越來越多的使用大型整流裝置。但是整流系統中的大功率變流裝置具有非線性特點，造成整個工業供電系統中諧波含量大，無功損耗嚴重和運行效率較低。因此，減少諧波和提高功率因素一直是大功率電力電子裝置亟需解決的關鍵問題。目前廣泛應用的諧波抑制和無功補償的方案是安裝無源濾波器和無功補償裝置，但是這種方案可能會引起諧振，造成電容器組的損壞；當變流器產生的諧波和無功電流流過變壓器時，變壓器就承受全部的諧波和無功分量，造成變壓器的損耗增加和壽命縮短。

為充分利用水力資源，提高經濟效益，一些中小型水電站以低電價供電給金屬冶煉和化工為主的高耗能企業，以消耗豐水季節的剩余電能。但由于這些高耗能企業中的電弧爐和大功率電力電子變換裝置在生產過程中所產生的諧波給水電站安全運行帶來了嚴重影響。諧波功率不僅會消耗系統和設備本身的無功功率儲備，影響到配電網和電氣設備的安全、經濟運行，還會危及廣大用戶的正常用電和生產。

針對水電廠周圍直接供電的高耗能企業存在的諧波問題，本文提出一種基于有源電力濾波裝置的綜合諧波抑制策略。該策略利用新型混合有源電力濾波器的準確動態監控及快速補償，有效抑制諧波和補償無功電流，從而大大減輕變壓器的負擔。有源濾波裝置把串聯諧振注入型有源濾波器和并聯型有源濾波器結合在一起，綜合這兩種有源濾波器的優點，又互相彌補了各自的缺點，使得有源濾波器兼具一定容量的無功靜補能力和較小的逆變器容量。本文對該綜合諧波抑制策略進行了系統仿真，仿真結果驗證了該方案的可行性和有效性。

1 水電廠直接供電周邊冶煉廠時諧波的特點及

危害

由于水電廠周圍直接供電的高耗能企業很少有對諧波進行處理的裝置，這些企業以冶煉廠為主，所以大量的諧波都是由電弧爐和大功率整流裝置產生，比如電弧爐產生變化很不規則的諧波。這些諧波對變壓器的危害非常嚴重，如果變壓器采用中性點接地的星型接法時，當電網中裝有中性點接地的并聯電容器組時，可能引起諧波諧振，增加變壓器的損耗和降低可靠性；諧波還會使變壓器產生振動和噪聲增大，長時間運行會給變壓器帶來嚴重損耗；另外，諧波電流和諧波電壓引起的銅損、雜散損失和鐵損增加也不可忽視；諧波還會產生諧波過電壓，給變壓器的絕緣設備帶來損壞；諧波引起的額外損失將導致變壓器的基波負載容量下降；這些都將影響到變壓器的使用效率和壽命。

電氣設備的絕緣等級是由設備采用的絕緣材料中耐熱等級最低的材料決定的，電網中的諧波可能會使得各種電器設備的發熱嚴重超過預計水平，使得絕緣材料的壽命大大降低，也就縮短電器設備的使用壽命。

絕緣材料的使用壽命與使用溫度的關系式如下：

[t=Ce-αθ]

式中：[C]和[α]為實驗決定的常數，[C]=2.717。

上式表明絕緣材料使用壽命隨著溫度按指數函數下降，如果按試驗數據[α]=0.090計算，溫度每增高8 ℃，絕緣壽命就將近縮短一半，可知溫度對絕緣壽命的影響很大。

系統中諧波電流和諧波電壓的出現，還會給系統中的一次和二次設備帶來危害，并且干擾設備的正常工作。例如諧波會改變繼電保護設備的工作特性，導致繼電保護設備的誤動作或拒動。此外，諧波還會影響電力系統檢測和測量裝置的精確度，如電壓互感器、電流互感器、電能計量裝置等的測量。諧波對繼電保護和測量裝置的危害嚴重威脅著電網的安全與經濟運行，由諧波引發的事故所造成的損失有時是不可估量的。

2 綜合諧波抑制策略研究

目前諧波抑制方法有兩種，第一種是對一些大的諧波源進行就地處理，設法減少其諧波輸出；第二種是在系統中諧波含量比較大的地方，根據諧波特點，安裝有源和無源濾波器。從源頭上減少諧波源，比如增加換流裝置的相數，換流裝置是供電系統主要諧波源之一。理論分析已表明，當脈沖數由P=6增加到P=12時，其特質諧波次數為可以有效的清除幅值較大的低頻項，從而大大的降低了諧波電流的有效值。

本文提出在微網中采用把諧波源改造和濾波器特性相結合的策略抑制諧波，在實現諧波抑制的同時獲得更好的經濟性。

諧波抑制的重點是從諧波源出發，通過科學合理地采用不同材料，選擇合適參數，對電力設備進行合理的設計，并提高工藝質量等方法改造產生諧波的諧波源，盡量使其不產生諧波或少產生諧波，同時提高功率因數。

盡量在諧波源附近防止諧波電流的產生，從而有效降低諧波電壓和諧波電流。首先根據各諧波源輸出諧波的特點，在諧波源附近安裝無源濾波器，就地濾除一些頻率低，危害大的諧波。然后再在系統中諧波含量大且成分復雜地區安裝有源電力濾波器。采取該策略可以大量減少電網諧波，繼電保護和自動裝置誤動和拒動次數大大減少，增強系統的穩定性和安全性。

濾波裝置系統如圖1 所示，其結構簡化圖

有源濾波裝置的結構簡化圖

3 仿真與測試結果分析

通過對某水電站運行現場的調研與分析，發現該站變壓器線圈異常脆化，機組功率因數低，有套管炸裂事故發生，同時其電能計量裝置測量存在不準確等現象，經分析，以上情況為諧波含量超標所引起的。

在某廠直接給周圍冶煉廠供電環境下，通過在變壓器輸出側安裝混合型有源濾波器，把冶煉廠的整流變壓器換成諧波抑制變壓器后，現場測試結果表明，該策略可以有效抑制諧波和補償無功功率，提高系統功率因數，降低供電系統損耗；同時降低變壓器的振動和噪音，有利于變壓器的安全穩定運行和使用壽命的延長；繼電保護設備誤動大大減小。為了驗證所提諧波抑制策略的效果，采用Matlab/Simulink仿真軟件進行仿真研究，其電流波形如圖3所示。

4 結 語

運用本文所提到的混合型有源電力濾波器可以準確、實時的對諧波和無功功率進行補償，減少電流中諧波；通過將冶煉廠的變壓器更換為諧波抑制的變壓器，從源頭上消除大量諧波。該方案能有效改善波形，提高電能質量并具有樂觀的經濟效益，符合配電網實際運行狀況，適合實際工程應用。

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