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有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應用
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廠家：有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應用 日期：：2020-01-24 瀏覽次數： 108
簡述了中頻爐的基本結構及工作原理，從理論上分析其產生的諧波電流特性。利用PSIM仿真平臺分別搭建了6脈電流型和電壓型中頻爐仿真模型，并仿真分析其諧波電流特性；介紹了3種治理方案，選用有源濾波器(APF)對中頻爐的諧波進行補償．并在實際工程中采用APF對6脈中頻爐的電流諧波進行抑制，取得了較為理想的效果。
晶閘管中頻電源的應用是從1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺感應熔煉電源開始的．并得到了廣泛應用．遍及熔煉、透熱、種子處理、環保等多個領域…國內晶閘管中頻電源已發展成為電力系統中最重要的非線性負荷由于中頻電源裝置在實現功率控制和處理的同時．會不可避免地產生非正弦波形，向電力系統注入諧波電流．使公共聯結點(PPC)的電壓波形嚴重畸變．使電網電能質量嚴重下降．電能損耗顯著上升．被公認為電力系統的一大公害。諧波治理工作尤為重要E2]為減少中頻爐帶來的諧波污染，國內已采用多脈動整流技術研制出了多種中頻爐設備，包括6脈，l2脈，24脈中頻爐等，由于后兩者成本相對較高．因此大多煉鋼企業仍舊采用6脈動中頻爐進行金屬熔煉．其諧波污染問題仍不能忽視現階段對于中頻爐諧波的治理方法主要有2種方法：一種是補救性的治理方法．即為克服既存諧波問題所采用的方法：一種是避免中頻爐諧波出現的預防性的措施[3]。雖然第二種方法可以從根本上解決日益嚴重的諧波污染．但對于現已大量使用的中頻爐．則只有采用第一種方法補償其產生的諧波將結合中頻爐的工作原理及其諧波治理措施進行討論．提出利用有源濾波器(APF)對6脈中頻爐工作的不同階段產生的諧波進行補償與治理分析
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中頻爐是一種快速穩定的金屬加熱裝置．其核心設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頻率的限制．其電路如圖l所示
中頻電源注入電網的諧波主要是由整流裝置產生的．這里以三相6脈動全控橋式整流電路為例來分析其諧波含量忽略三相橋式晶閘管整流電路換相過程和電流脈動．假定交流側電抗為0．直流電感為無窮大，利用傅里葉分析方法，將電流負、正兩半波的中點作為時間零點，可推出交流側a相電流的表達式：
由式(1)可知．對于6脈動的中頻爐來說．它可產生大量的5次，7次，l1次，l3次，17次，19次等諧波，可歸納為6k_+l(為正整數)次諧波，各次諧波有效值與諧波次數成反比．且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數.
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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．其結構如圖2和圖3所示電流型中頻爐逆變側由4個晶閘管橋臂組成．電壓型中頻爐逆變側由4個IGBT組成將中頻爐加熱頻率設為1000Hz，中頻爐額定功率P為100kW．電源電壓為220V。根據所建仿真模型．得到中頻爐的輸人諧波特性：電流型中頻爐輸入側a相電網電流波形和頻譜如圖4所示．電壓型中頻爐輸人側a相電網電流波形和頻譜如圖5所示
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仿真分析結果驗證了理論上的諧波分析中頻爐采用6脈波整流電路，通過FFT分析得知輸入側電流中含有大量的6±1次諧波，其中5次諧波含量很大．
通過計算得出電流型諧波電流總畸變率為l9．71，電壓型諧波電流總諧波畸變率為19．26％．嚴重超過國家電能質量公用電網諧波標準。
為了使中頻爐產生的諧波對公共電網的影響符合設備使用地供電系統的要求．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／A接線方式對于大容量的中頻爐．其供電變壓器可以采用Y／Y／△接線方式．通過改變整流器交流側變壓器的接線形式來抵消較低次的特征諧波但成本較高。二是采用LC無源濾波器．主要結構是用電容器與電抗器串聯起來．組成LC串聯回路，并聯于系統中。這種方法比較傳統．既可補償諧波，又可補償無功功率．結構簡單，一直被廣泛使用。但補償特性受電網阻抗和運行狀態的影響。易和系統發生并聯諧振．且只能補償固定頻率的諧波．補償效果也不甚理想。三是采用APF，這是諧波抑制比較新的方法[7]。APF是一種動態諧波補償設備，具有高度可控性和快速響應性．能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償．動態特性好，且補償特性不受阻抗的影響，諧波補償效果最佳．因而受到廣泛重視。
采用并聯型APF。其主電路結構如圖6所示，出口處采用LCL濾波器連接電網，用于濾除開關次諧波。采用一種新型的基于直流側電容電壓控制和電流閉環反饋控制的算法[，從瞬時有功和瞬時無功能量在系統中傳遞的角度出發，以調節電網有功能量為主要目標來對輸入的電流進行控制。
APF的工作原理如圖7所示。指令電流運算電路，一方面為達到消除諧波和補償無功功率的目的，將負載電流，中的諧波電流和無功電流分離出來，產生調節信號；另一方面為保持直流側電容電壓穩定．采用PI調節控制法：將檢測到的電容電壓實際值與給定的參考電壓值相減之差通過PI調節器得到調節信號，并將作為實際的補償電流指令值疊加到i。上，即：
主即sP為電電w路流源補M償的電)技功流，電故術率流i。產開中一。囊生關只的=含輸，。調，L有使因+出制。其此基觸波一創波電發信I建有源_+脈號功出沖。分補流，通償i量【JP過為電i正驅流：。弦動。脈
APF研制成功后．在蘇州振吳電爐有限公司投入運行該公司裝有l臺1600kV．A主變，在該公司380V母線上．安裝了l臺100kW的中頻爐，及其他無功補償設備380V／220kV．A的APF安裝在變壓器低壓側．即中頻爐的接入點針對6脈中頻爐不同階段的波形進行實測．得到補償前后的電流波形(波形由恒河DL750錄波儀測得)：將波形數據導人MATLAB中進行FFT分析．得到補償前后電源側電流對應的頻譜分析圖．如圖(8一l3)所示
對6脈中頻爐在空載、5O％負載、滿載3種不同階段的電源側電流波形及頻譜分析可知．在未使用APF進行諧波治理前．中頻爐投入運行時．電源側電流波形出現嚴重畸變，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中頻爐滿載的典型情況，補償前系統電流的5次，7次，11次，13次諧波含有率明顯超高．尤其5次諧波含有率達到21．49，7次諧波電流達l1．77％諧波畸變率THD高達27．9％。投入APF進行諧波治理后，5次，7次，11次，l3次諧波諧波含有率迅速下降，電流波形接近于正弦波，電能質量得到顯著改善。針對中頻爐滿載的典型情況，補償后諧波畸變率THD下降到3．8％，符合國家電能質量公用電網諧波標準，補償效果良好。
將APF應用于6脈中頻爐的諧波治理中．通過對補償前后的諧波情況進行對比與分析．可知電網的電能質量得到了顯著改善．其電流畸變率迅速下降．從而降低了中頻爐對電網的諧波污染．并改善了其他用電設備的運行環境，為企業節約大量電能因此．APF將在6脈中頻爐的諧波治理上得到廣泛的應用.
晶閘管中頻電源的應用是從1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺感應熔煉電源開始的．并得到了廣泛應用．遍及熔煉、透熱、種子處理、環保等多個領域…國內晶閘管中頻電源已發展成為電力系統中最重要的非線性負荷由于中頻電源裝置在實現功率控制和處理的同時．會不可避免地產生非正弦波形，向電力系統注入諧波電流．使公共聯結點(PPC)的電壓波形嚴重畸變．使電網電能質量嚴重下降．電能損耗顯著上升．被公認為電力系統的一大公害。諧波治理工作尤為重要E2]為減少中頻爐帶來的諧波污染，國內已采用多脈動整流技術研制出了多種中頻爐設備，包括6脈，l2脈，24脈中頻爐等，由于后兩者成本相對較高．因此大多煉鋼企業仍舊采用6脈動中頻爐進行金屬熔煉．其諧波污染問題仍不能忽視現階段對于中頻爐諧波的治理方法主要有2種方法：一種是補救性的治理方法．即為克服既存諧波問題所采用的方法：一種是避免中頻爐諧波出現的預防性的措施[3]。雖然第二種方法可以從根本上解決日益嚴重的諧波污染．但對于現已大量使用的中頻爐．則只有采用第一種方法補償其產生的諧波將結合中頻爐的工作原理及其諧波治理措施進行討論．提出利用有源濾波器(APF)對6脈中頻爐工作的不同階段產生的諧波進行補償與治理分析
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中頻爐是一種快速穩定的金屬加熱裝置．其核心設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頻率的限制．其電路如圖l所示
中頻電源注入電網的諧波主要是由整流裝置產生的．這里以三相6脈動全控橋式整流電路為例來分析其諧波含量忽略三相橋式晶閘管整流電路換相過程和電流脈動．假定交流側電抗為0．直流電感為無窮大，利用傅里葉分析方法，將電流負、正兩半波的中點作為時間零點，可推出交流側a相電流的表達式：
由式(1)可知．對于6脈動的中頻爐來說．它可產生大量的5次，7次，l1次，l3次，17次，19次等諧波，可歸納為6k_+l(為正整數)次諧波，各次諧波有效值與諧波次數成反比．且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數.
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?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．其結構如圖2和圖3所示電流型中頻爐逆變側由4個晶閘管橋臂組成．電壓型中頻爐逆變側由4個IGBT組成將中頻爐加熱頻率設為1000Hz，中頻爐額定功率P為100kW．電源電壓為220V。根據所建仿真模型．得到中頻爐的輸人諧波特性：電流型中頻爐輸入側a相電網電流波形和頻譜如圖4所示．電壓型中頻爐輸人側a相電網電流波形和頻譜如圖5所示
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仿真分析結果驗證了理論上的諧波分析中頻爐采用6脈波整流電路，通過FFT分析得知輸入側電流中含有大量的6±1次諧波，其中5次諧波含量很大．
通過計算得出電流型諧波電流總畸變率為l9．71，電壓型諧波電流總諧波畸變率為19．26％．嚴重超過國家電能質量公用電網諧波標準。
為了使中頻爐產生的諧波對公共電網的影響符合設備使用地供電系統的要求．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／A接線方式對于大容量的中頻爐．其供電變壓器可以采用Y／Y／△接線方式．通過改變整流器交流側變壓器的接線形式來抵消較低次的特征諧波但成本較高。二是采用LC無源濾波器．主要結構是用電容器與電抗器串聯起來．組成LC串聯回路，并聯于系統中。這種方法比較傳統．既可補償諧波，又可補償無功功率．結構簡單，一直被廣泛使用。但補償特性受電網阻抗和運行狀態的影響。易和系統發生并聯諧振．且只能補償固定頻率的諧波．補償效果也不甚理想。三是采用APF，這是諧波抑制比較新的方法[7]。APF是一種動態諧波補償設備，具有高度可控性和快速響應性．能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償．動態特性好，且補償特性不受阻抗的影響，諧波補償效果最佳．因而受到廣泛重視。
采用并聯型APF。其主電路結構如圖6所示，出口處采用LCL濾波器連接電網，用于濾除開關次諧波。采用一種新型的基于直流側電容電壓控制和電流閉環反饋控制的算法[，從瞬時有功和瞬時無功能量在系統中傳遞的角度出發，以調節電網有功能量為主要目標來對輸入的電流進行控制。
APF的工作原理如圖7所示。指令電流運算電路，一方面為達到消除諧波和補償無功功率的目的，將負載電流，中的諧波電流和無功電流分離出來，產生調節信號；另一方面為保持直流側電容電壓穩定．采用PI調節控制法：將檢測到的電容電壓實際值與給定的參考電壓值相減之差通過PI調節器得到調節信號，并將作為實際的補償電流指令值疊加到i。上，即：
主即sP為電電w路流源補M償的電)技功流，電故術率流i。產開中一。囊生關只的=含輸，。調，L有使因+出制。其此基觸波一創波電發信I建有源_+脈號功出沖。分補流，通償i量【JP過為電i正驅流：。弦動。脈
APF研制成功后．在蘇州振吳電爐有限公司投入運行該公司裝有l臺1600kV．A主變，在該公司380V母線上．安裝了l臺100kW的中頻爐，及其他無功補償設備380V／220kV．A的APF安裝在變壓器低壓側．即中頻爐的接入點針對6脈中頻爐不同階段的波形進行實測．得到補償前后的電流波形(波形由恒河DL750錄波儀測得)：將波形數據導人MATLAB中進行FFT分析．得到補償前后電源側電流對應的頻譜分析圖．如圖(8一l3)所示
對6脈中頻爐在空載、5O％負載、滿載3種不同階段的電源側電流波形及頻譜分析可知．在未使用APF進行諧波治理前．中頻爐投入運行時．電源側電流波形出現嚴重畸變，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中頻爐滿載的典型情況，補償前系統電流的5次，7次，11次，13次諧波含有率明顯超高．尤其5次諧波含有率達到21．49，7次諧波電流達l1．77％諧波畸變率THD高達27．9％。投入APF進行諧波治理后，5次，7次，11次，l3次諧波諧波含有率迅速下降，電流波形接近于正弦波，電能質量得到顯著改善。針對中頻爐滿載的典型情況，補償后諧波畸變率THD下降到3．8％，符合國家電能質量公用電網諧波標準，補償效果良好。
將APF應用于6脈中頻爐的諧波治理中．通過對補償前后的諧波情況進行對比與分析．可知電網的電能質量得到了顯著改善．其電流畸變率迅速下降．從而降低了中頻爐對電網的諧波污染．并改善了其他用電設備的運行環境，為企業節約大量電能因此．APF將在6脈中頻爐的諧波治理上得到廣泛的應用.
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