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有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應用
您的位置： 中頻爐|感應加熱|熔鋼爐|熔鋁爐|熔銅爐|熔鉛爐|洛陽(yáng)萬(wàn)峰工業(yè)爐有限公司-技術(shù)支持有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應用
廠(chǎng)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(jiǎn)述了中頻爐的基本結構及工作原理，從理論上分析其產(chǎn)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(jìn)行補償．并在實(shí)際工程中采用APF對6脈中頻爐的電流諧波進(jìn)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(kāi)始的．并得到了廣泛應用．遍及熔煉、透熱、種子處理、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域…國內晶閘管中頻電源已發(fā)展成為電力系統中最重要的非線(xiàn)性負荷由于中頻電源裝置在實(shí)現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，向電力系統注入諧波電流．使公共聯(lián)結點(diǎn)(PPC)的電壓波形嚴重畸變．使電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴重下降．電能損耗顯著(zhù)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(lái)的諧波污染，國內已采用多脈動(dòng)整流技術(shù)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(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(wèn)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(chǎn)生的諧波將結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6脈中頻爐工作的不同階段產(chǎn)生的諧波進(jìn)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(wǎng)頻率的限制．其電路如圖l所示
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、正兩半波的中點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，可推出交流側a相電流的表達式：
由式(1)可知．對于6脈動(dòng)的中頻爐來(lái)說(shuō)．它可產(chǎn)生大量的5次，7次，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(gè)晶閘管橋臂組成．電壓型中頻爐逆變側由4個(gè)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(wǎng)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(wǎng)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(guò)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(guò)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(guò)國家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標準。
為了使中頻爐產(chǎn)生的諧波對公共電網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)方式．通過(guò)改變整流器交流側變壓器的接線(xiàn)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．主要結構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)于系統中。這種方法比較傳統．既可補償諧波，又可補償無(wú)功功率．結構簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。但補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響。易和系統發(fā)生并聯(lián)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(dòng)態(tài)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(jìn)行跟蹤補償．動(dòng)態(tài)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(lián)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(wǎng)，用于濾除開(kāi)關(guān)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(huán)反饋控制的算法[，從瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無(wú)功能量在系統中傳遞的角度出發(fā)，以調節電網(wǎng)有功能量為主要目標來(lái)對輸入的電流進(jìn)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(wú)功功率的目的，將負載電流，中的諧波電流和無(wú)功電流分離出來(lái)，產(chǎn)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(shí)際值與給定的參考電壓值相減之差通過(guò)PI調節器得到調節信號，并將作為實(shí)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(shù)率流i。產(chǎn)開(kāi)中一。囊生關(guān)只的=含輸，。調，L有使因+出制。其此基觸波一創(chuàng )波電發(fā)信I建有源_+脈號功出沖。分補流，通償i量【JP過(guò)為電i正驅流：。弦動(dòng)。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(xiàn)上．安裝了l臺100kW的中頻爐，及其他無(wú)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(diǎn)針對6脈中頻爐不同階段的波形進(jìn)行實(shí)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(jìn)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(mǎn)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(jìn)行諧波治理前．中頻爐投入運行時(shí)．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(mǎn)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(jìn)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(zhì)量得到顯著(zhù)改善。針對中頻爐滿(mǎn)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(zhì)量公用電網(wǎng)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(guò)對補償前后的諧波情況進(jìn)行對比與分析．可知電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了顯著(zhù)改善．其電流畸變率迅速下降．從而降低了中頻爐對電網(wǎng)的諧波污染．并改善了其他用電設備的運行環(huán)境，為企業(yè)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(kāi)始的．并得到了廣泛應用．遍及熔煉、透熱、種子處理、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域…國內晶閘管中頻電源已發(fā)展成為電力系統中最重要的非線(xiàn)性負荷由于中頻電源裝置在實(shí)現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，向電力系統注入諧波電流．使公共聯(lián)結點(diǎn)(PPC)的電壓波形嚴重畸變．使電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴重下降．電能損耗顯著(zhù)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(lái)的諧波污染，國內已采用多脈動(dòng)整流技術(shù)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(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(wèn)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(chǎn)生的諧波將結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6脈中頻爐工作的不同階段產(chǎn)生的諧波進(jìn)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(wǎng)頻率的限制．其電路如圖l所示
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、正兩半波的中點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，可推出交流側a相電流的表達式：
由式(1)可知．對于6脈動(dòng)的中頻爐來(lái)說(shuō)．它可產(chǎn)生大量的5次，7次，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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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(guò)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(guò)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(guò)國家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標準。
為了使中頻爐產(chǎn)生的諧波對公共電網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)方式．通過(guò)改變整流器交流側變壓器的接線(xiàn)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．主要結構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)于系統中。這種方法比較傳統．既可補償諧波，又可補償無(wú)功功率．結構簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。但補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響。易和系統發(fā)生并聯(lián)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(dòng)態(tài)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(jìn)行跟蹤補償．動(dòng)態(tài)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(lián)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(wǎng)，用于濾除開(kāi)關(guān)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(huán)反饋控制的算法[，從瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無(wú)功能量在系統中傳遞的角度出發(fā)，以調節電網(wǎng)有功能量為主要目標來(lái)對輸入的電流進(jìn)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(wú)功功率的目的，將負載電流，中的諧波電流和無(wú)功電流分離出來(lái)，產(chǎn)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(shí)際值與給定的參考電壓值相減之差通過(guò)PI調節器得到調節信號，并將作為實(shí)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(shù)率流i。產(chǎn)開(kāi)中一。囊生關(guān)只的=含輸，。調，L有使因+出制。其此基觸波一創(chuàng )波電發(fā)信I建有源_+脈號功出沖。分補流，通償i量【JP過(guò)為電i正驅流：。弦動(dòng)。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(xiàn)上．安裝了l臺100kW的中頻爐，及其他無(wú)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(diǎn)針對6脈中頻爐不同階段的波形進(jìn)行實(shí)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(jìn)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(mǎn)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(jìn)行諧波治理前．中頻爐投入運行時(shí)．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(mǎn)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(jìn)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(zhì)量得到顯著(zhù)改善。針對中頻爐滿(mǎn)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(zhì)量公用電網(wǎng)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(guò)對補償前后的諧波情況進(jìn)行對比與分析．可知電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了顯著(zhù)改善．其電流畸變率迅速下降．從而降低了中頻爐對電網(wǎng)的諧波污染．并改善了其他用電設備的運行環(huán)境，為企業(yè)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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