鍛造企業群聚式中頻爐對電網電能質量影響分析

周計晨，王海群，馮 歡

（1.國網上海市電力公司市南供電公司，上海 201199；2.國網上海市電力公司客戶服務中心，上海 200031；3.國網上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122）

0 引言

隨著節能減排和環境要求的不斷提高，以電力為能源的晶閘管中頻感應加熱設備在我國鍛造企業開始被大量使用。晶閘管中頻感應加熱裝置的工作原理為：經晶閘管橋式整流，把三相交流電變為直流電.再經晶閘管逆變為單相中頻電源。在由交流電變為直流電的過程中，由于晶閘管器件的半控型造成了功率因數低；而晶閘管的非線性的特點，則造成電源側大量的諧波產生［1－3］。

諧波電流的產生會引起無功功率增加、功率因數降低，使電網中的變壓器、交流電動機等設備的損耗加大，導致設備的絕緣老化加速，從而引起用電設備的噪聲及振動增加、電容器過流，對通信儀表造成干擾，甚至引起繼電保護誤動作的發生。因此在中頻爐等諧波污染源接入電網前，需要進行仿真計算和評估［4－5］。

由于規模較大的鍛造企業生產需求較高，其配備的中頻裝置往往不止一臺甚至不止一個種類，這些不同的中頻裝置之間相互影響程度，在進行評估計算時往往至關重要。

本文以某具有群聚式中頻爐鍛造公司為例，基于該鍛造公司的供電模式和內部用電資料，對其對電網的電能質量影響進行評估計算，并針對評估結果提出有益建議。

1 群聚式中頻爐負荷資料

某鍛造公司供電一次接線示意圖如圖1所示。由圖1可知，一路35 k V為常用電源，2臺變壓器容量為12500 k VA。

35 k V供電線路來自220 k V變電站的35 k V一段母線，在廠內，35 k V母線經過兩臺12500 k VA變壓器變到10 k V，主要負荷為中頻爐和其壓機沖床設備等。在10 k V母線上，分別帶有電容器。

中頻爐整流單元參數如表1和表2所示，正常功率是指變頻器同行運行的功率。

圖1 某鍛造公司供電一次接線示意圖

表1 中頻爐整流變壓器參數

表2 整流器參數

大規模的中頻爐整流裝置，一般均帶有自身的諧波治理裝置，該鍛造公司的部分中頻整流設備自帶的濾波設備，參數如表3所示。

該公司目前采用的濾波器主要針對5、7次諧波，除2號2500T外，其他中頻爐均配置了5次濾波器。

表3 濾波器參數

2 中頻爐諧波模型的建立

首先計算一個6脈沖單元整流器諧波特性的理論值，整流器采用晶閘管的三相全橋可控整流結構。通常，整流器通過定電流調節器實現定功率控制模式，改變點火角實現整流器的功率調節。

可控整流器的運行狀態量，需要在建立變頻器的一套線性化方程組的基礎上，通過迭代求解得到。為簡化計算，本文在近似認為變頻器直流電壓保持不變下，直接計算近似得到其它各運行參量。

當第i臺整流器直流功率為Pd，電流調節器的整定值Id為：

點火角與直流電壓關系可通過下式計算得到：

疊弧角γ的理論值為：

整流器交流側第n次諧波電流In的計算公式為：

式中：Ia為整流器交流側基波電流有效值，Ia＝0.78Id。

按照鍛造公司的資料信息，根據變頻器參數進行計算，該鍛造公司各中頻爐的各6脈沖支路的典型諧波特性理論計算值如表4所示。

表4 中頻爐整流單元的諧波發射特性 電流／A

3 國家標準規定的限值

國家標準GB／T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》對用戶注入電網的諧波限值的計算方法進行了規定，用戶限值與公共連接點（PCC）的最小短路容量、供電容量以及用戶的協議容量有關。

根據該鍛造公司的供電方式及供電線路，在評價諧波發射水平時，選取220 k V變電站35 k V母線作為公共連接點（PCC）。該公共連接點的最小短路容量為888 MVA，供電容量選取主變容量，為160 MVA，用戶協議容量25 MVA。經計算，該用戶通過35 k V線路注入PCC點的諧波電流限值如表5所示。

表5 該公司注入PCC點諧波電流限值 電流／A

4 仿真計算

4.1 仿真網絡的搭建

仿真網絡的搭建，利用加拿大CYME公司的商用軟件PSAF電力系統計算程序的子模塊CYMEHarmo，該模塊可以與PSAF中的潮流計算程序接口，在此基礎上對多種網絡元件和諧波源元件進行模擬計算。

本文所研究的用戶主要用電負荷為中頻爐，具有12脈沖和6脈沖兩種變頻方式。本文仿真的基本單元為6脈動單元，12脈動整流單元通過兩個6脈動單元連接到不同接線形式的變壓器低壓側實現。

在其兩段10 k V母線上，各有一組無功補償裝置，容量為3 Mvar；除中頻爐外的其他負荷負載率約為50%，使用阻抗型負荷模擬，功率因數為0.92。

4.2 無治理措施下的諧波發射水平

不考慮中頻爐自帶的濾波設備，也不考慮高壓母線上的無功補償因素，仿真計算整流單元發射諧波的情況。選取中頻爐正常負載和滿載兩種方式，計算其通過35 k V線路注入電網的諧波電流如表6所示。

表6 無治理措施下的諧波發射水平 電流／A

由于大部分用電負荷為產生諧波的中頻爐，其中6脈動5臺，額定功率共約3.2 MW，12脈動4臺，額定功率共約11 MW，6 k±1次諧波均為典型次諧波，在沒有治理措施的情況下，典型次諧波遠遠超出國家標準規定的限值。

4.3 低壓側治理下的諧波發射水平

僅考慮中頻爐自帶的濾波設備，不考慮高壓母線上的無功補償。

同樣選取中頻爐正常負載和滿載兩種方式，計算注入電網的諧波電流如表7所示。

表7 自帶治理措施下的諧波發射水平 電流／A

對中頻爐自帶的濾波器參數分析，可知大部分的濾波器為5、7次濾波器，11次濾波器較少。該公司目前采用的濾波器主要針對5、7次諧波，除2號2500T外，其他中頻爐均配置了5次濾波器，占總容量的97%，而配置11次濾波器的中頻爐僅有1號5000T、2號5000T、3號5000T，僅占總容量的40%。

因此，注入PCC點的諧波電流中，5次和7次諧波大量減少，而11次和13次等12 k±1次的諧波仍超出了國標規定的限值。

4.4 高壓母線采取的改善措施

在該公司中頻爐采用低壓濾波設備后，各次諧波出現明顯下降，但仍不能滿足國家標準要求，12 k±1次諧波出現超標現象，作為補充可以在高壓母線針對12 k±1次諧波特性采取改善措施。

常見的濾波辦法是在無功補償電容器上串聯一定的電抗形成濾波裝置，應用較為廣泛。該公司10 k V高壓母線上已經配置一定容量無功補償裝量。本文設計三種串聯電抗率：電容器不串聯電抗器、串聯1%的電抗器、和混合配置，分別針對不同負荷率進行仿真計算。

該公司兩段10 k V母線的無功補償容量均為3 Mvar，在不串聯電抗器的情況下，中頻爐正常負載和滿載情況下，計算注入電網的諧波電流如表8所示。

表8 純電容補償的諧波發射水平 電流／A

由表8可知，純電容模式不串聯電抗器時，雖然高次諧波得到了抑制，但是低次諧波如5、7、11次諧波反而被放大。

在不串聯1%電抗器的情況下，中頻爐正常負載和滿載情況下，計算注入電網的諧波電流如表9所示。

表9 串抗率1%補償的諧波發射水平 電流／A

由表9可知，串聯1%電抗器時，雖然11、13次諧波得到了抑制，但是7次諧波得到了放大，其中滿負荷運行和正常負荷運行時7次諧波均超出了國標規定的限值。

高壓側無功補償容易出現諧波放大的現象，針對多種典型次諧波的治理，本文推薦采用組合方式，設計每段母線的3 Mvar無功補償中，1.2 Mvar串聯1%電抗率，1.8 Mvar串聯6%電抗率，針對中頻爐額定功率運行（即滿負荷運行）和正常功率運行兩種方式進行仿真計算。注入電網的諧波電流如表10所示。

表10 組合電抗率情況下的諧波發射水平 電流／A

由表10可知，同單純串聯一種電抗率相比，這種方式對11次和13次諧波起到了抑制作用，又防止了對低次諧波的放大作用，效果較為明顯，各次諧波均在國家標準規定的限值以下。

5 結語

根據“誰污染、誰治理”的電能質量管理原則，在污染性用戶接入電網前，需要對其發射水平進行評估。隨著節能減排的要求，鍛造企業新增或改造熔爐較多采用電力中頻爐，隨著規模需求的增長，群聚式中頻爐負荷是十分典型的用電負荷。

本文以某鍛造企業為實例，對其中頻爐負荷進行電能質量建模，針對不同治理措施和運行方式進行仿真計算，依據國家標準對其發射水平進行評價。結果表明，鍛造企業群聚式中頻爐接入電網前必須進行諧波治理，否則諧波將遠超國家標準規定的水平；企業所采取中頻爐自帶濾波裝置進行治理后，仍有可能超出國標規定的水平；采取電容器串聯電抗進行濾波治理時，應對其串抗率進行校核，以免發生諧波放大現象。仿真計算表明，多層次的治理措施對諧波抑制起到了明顯的作用，本文所提出和校核的措施，將對類似用戶的接入起到現實指導作用。

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