李迎春¹ 常帥²  趙軍³劉建春⁴ 洪文瓞⁵  季曉春⁶

（1. 中汽車工業(yè)工程有限公司 天津 300113）

（2.安科瑞電氣股份有限公司 上海 201801）

摘要：針對中頻爐電能質(zhì)量的特點，基于電力系統(tǒng)綜合計算分析軟件（ETAP）進行建模，搭建系統(tǒng)單線圖，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)錄入模型進行潮流計算和諧波仿真分析。提出采用化的無源濾波治理方案，并進     行仿真驗證和現(xiàn)場運行檢驗，通過與治理實測值的比較，驗證了本文所采用的負荷建模、仿真方法的有效性，對有中頻爐的廠礦企業(yè)進行電能質(zhì)量治理有定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： ETAP；中頻爐；無源濾波；諧波治理

 0、引言

  在我冶金行業(yè)中，中頻爐因具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫碳少、節(jié)省材料與成本、加熱均勻、芯表溫差小、溫控精度高等特點而得到了廣泛應(yīng)用。但是，中頻爐是由系列整流逆變裝置組成，相對于供電電源可看作是個典型的非線性負載，含有大量的諧波成分，且功耗大、功率因數(shù)低。由于它產(chǎn)生的大量諧波以及消耗的無功功率會引起電能質(zhì)量劣化，而各種敏感負載對電網(wǎng)的供電質(zhì)量又提出了更高的要求，因此對中頻爐進行諧波治理已刻不容緩。

  目，針對于般的諧波危害，有諧波源治理、安裝濾波補償裝置及其他治理方法，而主要采用的是安裝濾波補償裝置。本文以某鋼鐵廠為例，基于電力系統(tǒng)綜合計算分析軟件（ETAP）分析負荷中頻爐對電網(wǎng)的影響，并設(shè)計出合理的諧波治理方案。

 1、中頻爐諧波分析的理論方法

  中頻爐電源整流環(huán)節(jié)有六脈沖、十二脈沖和二十四脈沖等整流電路。每種整流電路的特征諧波的含量和次數(shù)都不同，需進行特別處理。單組全橋六脈沖整流電路以其工藝成熟、成本低的特點成為工礦企業(yè)普遍使用的類型^[3,4]。

  六脈沖整流電路忽略換相過程和電流脈動，交流側(cè)各相電流在理想條件下可近似地用方波來表示，考慮到電路阻抗壓降，電機的輸入電壓發(fā)生畸變。利用傅立葉變換分解諧波電流：

    （1）

  ——整流電路直流側(cè)電流的平均值。

  從（1）式可知，電流中除基波外只含有（為正整數(shù)）次諧波，即 5、7、11等各次諧波，這些諧波電流為三相6脈沖橋式整流電路的特征諧波，各次諧波電流有效值與基波有效值的比率為諧波次數(shù)的倒數(shù)^[5]。

2、案例分析

2.1 ETAP 軟件簡介及建模

  ETAP（Electrical Transient Analysis Program）是由美OTI公司（Operation Technology Inc）開發(fā)的全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真分析計算軟件。在仿真分析方面，該軟件集成了潮流分析、短路計算、暫態(tài)穩(wěn)定分析、諧波分析、可靠性分析等模塊，并提供了簡便快捷的電力系統(tǒng)模型搭建方式，所有的電力系統(tǒng)參數(shù)輸入和連線圖操作都可以直接在圖形界面上完成，顯示結(jié)果目了然^[6]。

  本文利用ETAP中潮流分析和諧波分析模塊對鋼鐵廠容量為1000kVA變壓器所帶中頻爐進行仿真，建立起諧波負荷模型^[7]，如圖1、圖2所示。由于中頻爐負荷的不平衡性，母線2的三相諧波電流幅值也將不相等，考慮zui嚴(yán)重的情況，取對應(yīng)次諧波電流幅值zui大的相作為三相諧波電流輸入。

圖1 中頻爐負荷模型

Fig.1 Load model of medium-frequency furnace  

 圖2 中頻爐參數(shù)

  Fig.2 Parameters of medium-frequency furnace

2.2案例背景

  該鋼鐵廠所使用的中頻爐是種嚴(yán)重的諧波源，其對無功功率的需求拉低了電網(wǎng)功率因數(shù)，已嚴(yán)重影響了工廠電網(wǎng)中其它電器設(shè)備的正常工作。該鋼鐵廠各中頻爐均由單回10KV電源進線經(jīng)臺容量為1000kVA、變比為10/0.4kV的變壓器供電。中頻爐為六脈沖整流裝置，額定功率，實際運行時的平均功率，功率因數(shù)，主要是5、7、11等次諧波。

2.3諧波分析及其治理方案

2.3.1諧波分析

  試驗測量點為變壓器二次側(cè)母線，采集若干個測量時間的測量值進行對比分析，選取諧波zui嚴(yán)重的某時間點的數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)。

  建立鋼鐵廠供電系統(tǒng)次接線單線圖（如圖１所示），并錄入設(shè)備所需參數(shù)進行仿真分析。該鋼鐵廠變壓器二次側(cè)母線諧波電壓畸變率和電壓曲線如圖3、圖4所示，諧波電流值見表1。

圖3諧波電壓畸變率(2~25次)

Fig.3 Harmonic voltage distortion rate(2~25)

     圖4 個周期的相電壓曲線

 Fig.4 A periodic curve of phase voltage

表1諧波電流值(2~25次)

Tab.1 Harmonic current values(2~25)

  從實測數(shù)據(jù)可知，中頻爐運行時功率因數(shù)為0.84，所需無功功率為452 kvar。設(shè)目標(biāo)功率因素為0.98，則實際所需無功補償容量^＝308kvar（為實際運行時的平均功率；為實際功率因數(shù)角；為目標(biāo)功率因數(shù)角）。為保證電容器組長時間穩(wěn)定工作，其額定電壓可選母線額定電壓的1.3倍以上，同時電容器組電壓和容量的選取又同與之串聯(lián)的電抗器有關(guān)系。

為避免諧波放大，串聯(lián)電抗器的電感量應(yīng)滿足下式關(guān)系：

  由圖3可知，該中頻爐所產(chǎn)生的5次、7次、11次的諧波電流值分別為197.1A、117.2A、64.2A；總的電壓畸變率達到8.97%，電流畸變率達到19.7%；功率因數(shù)為0.84。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定了各電壓等級電網(wǎng)諧波電壓限值及諧波電流允許值（見表2、表3），當(dāng)電網(wǎng)公共連接點的zui小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量（表3）時，需相應(yīng)修正諧波電流允許值。由于該鋼鐵廠的諧波電壓畸變率和諧波電流含量已嚴(yán)重超出了家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，因此必須對其進行治理。

表2 公用電網(wǎng)諧波電壓限值（相值）

Tab.2 The harmonic standard of public power network(phase value)

表3 注入公共連接點的諧波電流允許值

Tab.3 The allowable value of the harmonic currents injected into the common connection point

  綜上分析可知，該鋼鐵廠的諧波電壓畸變率和諧波電流含量已嚴(yán)重超出了家規(guī)定的限值，必須對其進行治理。

2.3.2諧波治理

  進行諧波處理的方法和設(shè)備很多。傳統(tǒng)的無源濾波器如各類調(diào)諧濾波器等，其技術(shù)比較成熟，成本也較低，但只能濾除特定次數(shù)的諧波，并且可能引起系統(tǒng)諧波放大，在生產(chǎn)比較穩(wěn)定時能取得很好的濾波效果。有源濾波器是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理設(shè)備，可對任意頻率（2~50Hz）實現(xiàn)動態(tài)補償，既濾除諧波又補償無功，但穩(wěn)定性差、造價高、功率和容量小、維修困難等^[8]。

  該鋼鐵廠負荷并不大，諧波含量較穩(wěn)定，成本較低，考慮到工程總投資、諧波抑制和無功功率利用率等設(shè)計目標(biāo)，擬采用化設(shè)計的無源濾波器，既可濾除諧波，又可適當(dāng)補償無功功率，提高功率因數(shù)^[9]。該諧波源是電流型，可在變壓器二次側(cè)母線處采取就地并聯(lián)補償?shù)姆绞健?/p>

  因此每組串聯(lián)電抗器等效基波電抗為：

  考慮到電抗器和電容器的制造誤差，通常?。?/p>

  或                               

   ——諧波次數(shù)；

  ——串聯(lián)電抗器的電抗率。

  根據(jù)該鋼鐵廠的諧波情況，經(jīng)仿真分析確定5次濾波支路為3組，每組電容容量為150kvar，電壓為0.57kV，串聯(lián)電抗率為5%；7次濾波支路為1組，電容容量為150kvar，電壓為0.57kV，串聯(lián)電抗率為2.5%。驗證可知，5次濾波支路每組實際補償容量為：

               （7）

  3組補償容量約為232kvar。

  同理，7次濾波支路實際補償容量為75kvar，則5次、7次總補償容量為：307 kvar，與實際所需無功補償容量相當(dāng)。

  5次電容器組等效基波容抗為：

  因此，電抗器等效基波電抗為：

  同理，7次濾波支路電抗器等效基波電抗。

  至此，無源濾波器的主要參數(shù)已基本確定^[10,11]。將相關(guān)參數(shù)帶入單線圖仿真，可得修正后的變壓器二次側(cè)母線諧波電壓畸變率和電壓曲線，如圖5、圖6所示。

圖5諧波電壓畸變率(2~25次)

          Fig.5 Harmonic voltage distortion rate(2~25)       

圖6 個周期的相電壓曲線

 Fig.6 A periodic curve of phase voltage

  由圖5、圖6可知，安裝了無源濾波器后，變壓器二次側(cè)母線諧波電壓畸變率均減小了，電壓曲線變平滑，諧波電流含量大幅降低?？偟碾妷夯兟蕿?.9%，已達到家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電流畸變率為10.41%，功率因數(shù)也提高到0.98，系統(tǒng)的諧波和無功環(huán)境已大幅改善。因此，化的無源濾波器治理方案是有效的。

3、結(jié)束語

  本文使用ETAP軟件對鋼鐵廠負荷中頻爐進行建模仿真分析，設(shè)計出諧波治理方案，并通過仿真驗證了該方案的有效性。該方案實施后，解決了開啟中頻爐而無法帶其它負荷和原有無功補償柜的問題，提高了中頻爐及全部電網(wǎng)的整體性能，對實際工程有定的指導(dǎo)意義。

  文章來源：《電工技術(shù)》2017年7期。

參考文獻 

  [1] 李朋. 無功補償兼濾波裝置在中頻感應(yīng)爐的應(yīng)用[J]. 電氣傳動. 2014, 44(3):42-44, 58.

  [2] 魏偉, 許勝輝, 孫劍波.種無源濾波器的化設(shè)計方法[J]. 電力自動化設(shè)備. 2012, 32(1):62-66.

  [3] 張力, 陳喬夫, 劉健犇, 等.基于測量值的無源濾波器設(shè)計新方法及其應(yīng)用[J]. 電力自動化設(shè)備. 2011. 31(9):69-74.

  [4] 吳文宣, 吳丹岳, 林焱, 等. 電流型變頻器的間諧波分析及應(yīng)用模型構(gòu)建[J]. 電工技術(shù)學(xué)報. 2010, 25(2):163-176.

  [5] 李德武, 齊延章. 中頻感應(yīng)電爐產(chǎn)生的諧波及諧波治理[J]. 華北電力技術(shù). 2010, (6) : 16-20, 30.

  [6] 鄭杰, 林濤, 畢玥, 等. 基于電力系統(tǒng)分析軟件ETAP的電網(wǎng)諧波分析[J]. 電網(wǎng)與清潔能源. 2011, 27(7):7-12.

  [7] 歐特艾遠東計算機技術(shù)有限公司. ETAP電力及電氣系統(tǒng)綜合分析計算軟件 應(yīng)用培訓(xùn)例題使用手冊[M/CD]. 南京：歐特艾遠東（南京）計算機技術(shù)有限公司, 2010.

  [8] 鄭建勇, 張愉, 丁祖軍. 并聯(lián)電感型混合有源濾波器及其控制策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù). 2010, 34(1):90-97.

  [9] 汪力, 程劍兵, 王顯強, 等. 基于多目標(biāo)粒子群算法的無源電力濾波器化設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2011, 39(8):51-55.

  [10] 湯繼東. 中低壓電氣設(shè)計與電氣設(shè)備成套技術(shù)[M]. 北京:中電力出版社. 2010:390-407.

  [11] 余健明, 同向, 蘇文成. 供電技術(shù)[M]. 四版. 北京:機械工業(yè)出版社. 2008:171-185.

基于ETAP的中頻爐諧波治理應(yīng)用研究

  李迎春¹ 常帥²  趙軍³劉建春⁴ 洪文瓞⁵  季曉春⁶

（1. 中汽車工業(yè)工程有限公司 天津 300113）

（2.安科瑞電氣股份有限公司 上海 201801）

摘要：針對中頻爐電能質(zhì)量的特點，基于電力系統(tǒng)綜合計算分析軟件（ETAP）進行建模，搭建系統(tǒng)單線圖，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)錄入模型進行潮流計算和諧波仿真分析。提出采用化的無源濾波治理方案，并進     行仿真驗證和現(xiàn)場運行檢驗，通過與治理實測值的比較，驗證了本文所采用的負荷建模、仿真方法的有效性，對有中頻爐的廠礦企業(yè)進行電能質(zhì)量治理有定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： ETAP；中頻爐；無源濾波；諧波治理

 0、引言

  在我冶金行業(yè)中，中頻爐因具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫碳少、節(jié)省材料與成本、加熱均勻、芯表溫差小、溫控精度高等特點而得到了廣泛應(yīng)用。但是，中頻爐是由系列整流逆變裝置組成，相對于供電電源可看作是個典型的非線性負載，含有大量的諧波成分，且功耗大、功率因數(shù)低。由于它產(chǎn)生的大量諧波以及消耗的無功功率會引起電能質(zhì)量劣化，而各種敏感負載對電網(wǎng)的供電質(zhì)量又提出了更高的要求，因此對中頻爐進行諧波治理已刻不容緩。

  目，針對于般的諧波危害，有諧波源治理、安裝濾波補償裝置及其他治理方法，而主要采用的是安裝濾波補償裝置。本文以某鋼鐵廠為例，基于電力系統(tǒng)綜合計算分析軟件（ETAP）分析負荷中頻爐對電網(wǎng)的影響，并設(shè)計出合理的諧波治理方案。

 1、中頻爐諧波分析的理論方法

  中頻爐電源整流環(huán)節(jié)有六脈沖、十二脈沖和二十四脈沖等整流電路。每種整流電路的特征諧波的含量和次數(shù)都不同，需進行特別處理。單組全橋六脈沖整流電路以其工藝成熟、成本低的特點成為工礦企業(yè)普遍使用的類型^[3,4]。

  六脈沖整流電路忽略換相過程和電流脈動，交流側(cè)各相電流在理想條件下可近似地用方波來表示，考慮到電路阻抗壓降，電機的輸入電壓發(fā)生畸變。利用傅立葉變換分解諧波電流：

    （1）

  ——整流電路直流側(cè)電流的平均值。

  從（1）式可知，電流中除基波外只含有（為正整數(shù)）次諧波，即 5、7、11等各次諧波，這些諧波電流為三相6脈沖橋式整流電路的特征諧波，各次諧波電流有效值與基波有效值的比率為諧波次數(shù)的倒數(shù)^[5]。

2、案例分析

2.1 ETAP 軟件簡介及建模

  ETAP（Electrical Transient Analysis Program）是由美OTI公司（Operation Technology Inc）開發(fā)的全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真分析計算軟件。在仿真分析方面，該軟件集成了潮流分析、短路計算、暫態(tài)穩(wěn)定分析、諧波分析、可靠性分析等模塊，并提供了簡便快捷的電力系統(tǒng)模型搭建方式，所有的電力系統(tǒng)參數(shù)輸入和連線圖操作都可以直接在圖形界面上完成，顯示結(jié)果目了然^[6]。

  本文利用ETAP中潮流分析和諧波分析模塊對鋼鐵廠容量為1000kVA變壓器所帶中頻爐進行仿真，建立起諧波負荷模型^[7]，如圖1、圖2所示。由于中頻爐負荷的不平衡性，母線2的三相諧波電流幅值也將不相等，考慮zui嚴(yán)重的情況，取對應(yīng)次諧波電流幅值zui大的相作為三相諧波電流輸入。

圖1 中頻爐負荷模型

Fig.1 Load model of medium-frequency furnace  

 圖2 中頻爐參數(shù)

  Fig.2 Parameters of medium-frequency furnace

2.2案例背景

  該鋼鐵廠所使用的中頻爐是種嚴(yán)重的諧波源，其對無功功率的需求拉低了電網(wǎng)功率因數(shù)，已嚴(yán)重影響了工廠電網(wǎng)中其它電器設(shè)備的正常工作。該鋼鐵廠各中頻爐均由單回10KV電源進線經(jīng)臺容量為1000kVA、變比為10/0.4kV的變壓器供電。中頻爐為六脈沖整流裝置，額定功率，實際運行時的平均功率，功率因數(shù)，主要是5、7、11等次諧波。

2.3諧波分析及其治理方案

2.3.1諧波分析

  試驗測量點為變壓器二次側(cè)母線，采集若干個測量時間的測量值進行對比分析，選取諧波zui嚴(yán)重的某時間點的數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)。

  建立鋼鐵廠供電系統(tǒng)次接線單線圖（如圖１所示），并錄入設(shè)備所需參數(shù)進行仿真分析。該鋼鐵廠變壓器二次側(cè)母線諧波電壓畸變率和電壓曲線如圖3、圖4所示，諧波電流值見表1。

圖3諧波電壓畸變率(2~25次)

Fig.3 Harmonic voltage distortion rate(2~25)

     圖4 個周期的相電壓曲線

 Fig.4 A periodic curve of phase voltage

表1諧波電流值(2~25次)

Tab.1 Harmonic current values(2~25)

  從實測數(shù)據(jù)可知，中頻爐運行時功率因數(shù)為0.84，所需無功功率為452 kvar。設(shè)目標(biāo)功率因素為0.98，則實際所需無功補償容量^＝308kvar（為實際運行時的平均功率；為實際功率因數(shù)角；為目標(biāo)功率因數(shù)角）。為保證電容器組長時間穩(wěn)定工作，其額定電壓可選母線額定電壓的1.3倍以上，同時電容器組電壓和容量的選取又同與之串聯(lián)的電抗器有關(guān)系。

為避免諧波放大，串聯(lián)電抗器的電感量應(yīng)滿足下式關(guān)系：

  由圖3可知，該中頻爐所產(chǎn)生的5次、7次、11次的諧波電流值分別為197.1A、117.2A、64.2A；總的電壓畸變率達到8.97%，電流畸變率達到19.7%；功率因數(shù)為0.84。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定了各電壓等級電網(wǎng)諧波電壓限值及諧波電流允許值（見表2、表3），當(dāng)電網(wǎng)公共連接點的zui小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量（表3）時，需相應(yīng)修正諧波電流允許值。由于該鋼鐵廠的諧波電壓畸變率和諧波電流含量已嚴(yán)重超出了家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，因此必須對其進行治理。

表2 公用電網(wǎng)諧波電壓限值（相值）

Tab.2 The harmonic standard of public power network(phase value)

表3 注入公共連接點的諧波電流允許值

Tab.3 The allowable value of the harmonic currents injected into the common connection point

  綜上分析可知，該鋼鐵廠的諧波電壓畸變率和諧波電流含量已嚴(yán)重超出了家規(guī)定的限值，必須對其進行治理。

2.3.2諧波治理

  進行諧波處理的方法和設(shè)備很多。傳統(tǒng)的無源濾波器如各類調(diào)諧濾波器等，其技術(shù)比較成熟，成本也較低，但只能濾除特定次數(shù)的諧波，并且可能引起系統(tǒng)諧波放大，在生產(chǎn)比較穩(wěn)定時能取得很好的濾波效果。有源濾波器是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理設(shè)備，可對任意頻率（2~50Hz）實現(xiàn)動態(tài)補償，既濾除諧波又補償無功，但穩(wěn)定性差、造價高、功率和容量小、維修困難等^[8]。

  該鋼鐵廠負荷并不大，諧波含量較穩(wěn)定，成本較低，考慮到工程總投資、諧波抑制和無功功率利用率等設(shè)計目標(biāo)，擬采用化設(shè)計的無源濾波器，既可濾除諧波，又可適當(dāng)補償無功功率，提高功率因數(shù)^[9]。該諧波源是電流型，可在變壓器二次側(cè)母線處采取就地并聯(lián)補償?shù)姆绞健?/p>

  因此每組串聯(lián)電抗器等效基波電抗為：

  考慮到電抗器和電容器的制造誤差，通常?。?/p>

  或                               

   ——諧波次數(shù)；

  ——串聯(lián)電抗器的電抗率。

  根據(jù)該鋼鐵廠的諧波情況，經(jīng)仿真分析確定5次濾波支路為3組，每組電容容量為150kvar，電壓為0.57kV，串聯(lián)電抗率為5%；7次濾波支路為1組，電容容量為150kvar，電壓為0.57kV，串聯(lián)電抗率為2.5%。驗證可知，5次濾波支路每組實際補償容量為：

               （7）

  3組補償容量約為232kvar。

  同理，7次濾波支路實際補償容量為75kvar，則5次、7次總補償容量為：307 kvar，與實際所需無功補償容量相當(dāng)。

  5次電容器組等效基波容抗為：

  因此，電抗器等效基波電抗為：

  同理，7次濾波支路電抗器等效基波電抗。

  至此，無源濾波器的主要參數(shù)已基本確定^[10,11]。將相關(guān)參數(shù)帶入單線圖仿真，可得修正后的變壓器二次側(cè)母線諧波電壓畸變率和電壓曲線，如圖5、圖6所示。

圖5諧波電壓畸變率(2~25次)

          Fig.5 Harmonic voltage distortion rate(2~25)       

圖6 個周期的相電壓曲線

 Fig.6 A periodic curve of phase voltage

  由圖5、圖6可知，安裝了無源濾波器后，變壓器二次側(cè)母線諧波電壓畸變率均減小了，電壓曲線變平滑，諧波電流含量大幅降低?？偟碾妷夯兟蕿?.9%，已達到家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電流畸變率為10.41%，功率因數(shù)也提高到0.98，系統(tǒng)的諧波和無功環(huán)境已大幅改善。因此，化的無源濾波器治理方案是有效的。

3、結(jié)束語

  本文使用ETAP軟件對鋼鐵廠負荷中頻爐進行建模仿真分析，設(shè)計出諧波治理方案，并通過仿真驗證了該方案的有效性。該方案實施后，解決了開啟中頻爐而無法帶其它負荷和原有無功補償柜的問題，提高了中頻爐及全部電網(wǎng)的整體性能，對實際工程有定的指導(dǎo)意義。

  文章來源：《電工技術(shù)》2017年7期。

參考文獻 

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