有源電力濾波器在中頻爐諧波治理中的應(yīng)用分析

昌鋒

(安徽賽沃電氣科技股份有限公司,安徽 宿州 234000)

中頻爐在冶金行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛。然而中頻爐在使用的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生大量的電流諧波,同時(shí)引起較高的電壓諧波。這些諧波對(duì)電網(wǎng)的危害非常大,這是中頻爐這類負(fù)載產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),產(chǎn)生的負(fù)面危害。根據(jù)中頻爐諧波的特點(diǎn),中頻爐產(chǎn)生的諧波電流比較大,電壓的THD 也較高；中頻爐實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的諧波次數(shù)分布廣泛,具有產(chǎn)生高次諧波的特點(diǎn)；所以中頻爐的使用對(duì)電力系統(tǒng)危害較大,比較難治理的特點(diǎn)。諧波治理還沒有引起電力用戶足夠的重視,大部分用戶沒有治理諧波；還有一部分利用無(wú)源濾波器進(jìn)行諧波治理,具有不穩(wěn)定的特點(diǎn)。需要選擇合適的設(shè)備,設(shè)計(jì)合理的治理方案,才能高效的濾除中頻爐產(chǎn)生的諧波。

1 中頻爐諧波的危害

對(duì)電力系統(tǒng)的危害：首先,諧波會(huì)產(chǎn)生線路的集膚效應(yīng),增加變壓器銅損、鐵損,增加電能損耗；其次,可以使局部的電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振,燒壞電纜,母排等設(shè)備造成巨大損失；最后,對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害,變壓器的溫度升高,減少變壓器的使用壽命[1]。諧波還可以使變壓器、電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng),導(dǎo)致噪聲增大[3],影響行車的使用,干擾行車的相序保護(hù),影響行車安全運(yùn)行。諧波危害之大,要從根源上進(jìn)行治理。

2 中頻爐諧波治理方案分析

2.1 治理策略分析

諧波的來(lái)源是電力用戶側(cè)的用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流。中頻爐是負(fù)載側(cè)產(chǎn)生諧波的重要設(shè)備。諧波的治理方式,分為集中治理和分散治理。針對(duì)諧波含量較低的設(shè)備,分布比較分散,而且單個(gè)功率比較小的設(shè)備,適合在用戶側(cè)配電總線處集中治理。針對(duì)中頻爐諧波的治理,因?yàn)橹蓄l爐單體功率比較大,諧波含量比較高,適合針對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行分散就地治理。

2.2 治理設(shè)備選擇

2.2.1 無(wú)源電力濾波器

中頻爐一般呈現(xiàn)6K±1 次的諧波規(guī)律,對(duì)于部分中頻爐經(jīng)常出現(xiàn)高次諧波,而且單次諧波含量不是很大,諧波次數(shù)分布比較廣泛。針對(duì)這部分中頻爐,不適合使用無(wú)源濾波器,無(wú)源濾波只能針對(duì)固定次數(shù)諧波進(jìn)行調(diào)諧濾波。無(wú)法治理諧波含量比較分散的設(shè)備。

2.2.2 有源電力濾波器

2.2.2.1 有源電力濾波器工作原理。有源電力濾波器能實(shí)時(shí)采集負(fù)載電流,把各次諧波電流檢測(cè)出來(lái),再逆變出與負(fù)載諧波幅值相等相位相反的諧波,來(lái)抵消負(fù)載諧波,達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)濾除諧波的目的。如圖1 所示。

圖1 有源電力濾波器工作原理圖

2.2.2.2 有源電力濾波器的軟硬件組成。有源電力濾波器采用DSP 芯片智能控制,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括采用IGBT功率模塊和穩(wěn)壓電容的逆變結(jié)構(gòu)、LCL 濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軟起動(dòng)結(jié)構(gòu)等主電路；控制電路包括信號(hào)采樣板、DSP 控制板、IGBT驅(qū)動(dòng)板,如圖2 所示。軟件部分,諧波的檢測(cè)采用瞬時(shí)無(wú)功電流算法或傅里葉分解算法,可以高效將負(fù)載各次諧波電流準(zhǔn)確的檢測(cè)出來(lái); 逆變部分采用PWM技術(shù)；濾波部分采用有效防止諧振的控制策略。

圖2 有源電力濾波器拓?fù)鋱D

有源電力濾波器具有濾波范圍寬、損耗小、受負(fù)載變化影響小、受系統(tǒng)阻抗影響小的優(yōu)勢(shì)[2]；但造價(jià)較高,如表1 所示。所以有源電力濾波器是治理中頻爐諧波含量比較分散的優(yōu)選設(shè)備。

3 以A銅工藝制造企業(yè)中頻爐諧波治理為例分析具體治理效果

3.1 項(xiàng)目信息簡(jiǎn)介

A 銅工藝制造企業(yè)有三臺(tái)功率分別是1T(350KW),0.4T(160KW),0.1T(50KW)的中頻爐,用于冶煉銅水,采用失蠟法鑄造銅工藝品。如圖3 可以看出,這三臺(tái)中頻爐由一路電源供電,由一臺(tái)動(dòng)力柜的三個(gè)分支開關(guān)控制。

表1 有源電力濾波器與無(wú)源電力濾波器對(duì)比優(yōu)勢(shì)

圖3 APF 安裝示意圖

中頻爐使用引起的電能質(zhì)量問(wèn)題,中頻爐開啟后,諧波電流THD達(dá)到29.8%,諧波電壓THD達(dá)到10.6%。電流電壓波形畸變嚴(yán)重。諧波引起車間照明等閃爍,影響車間照明質(zhì)量；行車使用過(guò)程中出現(xiàn)間歇性停頓,給生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。

3.2 中頻爐諧波治理方案

3.2.1 治理方案設(shè)計(jì)

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中,三臺(tái)中頻爐不同時(shí)使用,每次根據(jù)銅水的生產(chǎn)需求量,選擇一臺(tái)合適的中頻爐使用；所以可以選擇三臺(tái)中頻爐母線側(cè)就近治理、屬于負(fù)載側(cè)分散治理[4]。一臺(tái)有源電力濾波器可以治理三臺(tái)不同的中頻爐,減少設(shè)備的投入成本。設(shè)備采用集中式三相三線制有源電力濾波器,該類有源電力濾波器具有更好的治理效果,能抗擊負(fù)載大電流沖擊,電流互感器采取負(fù)載側(cè)采樣的安裝方式更科學(xué),安裝示意圖如圖3 所示。

圖4 治理前電流諧波柱狀圖

圖5 治理后電流柱狀圖

3.2.2 中頻爐諧波治理效果分析

以最大的1T 中頻爐治理效果為例進(jìn)行分析,利用FULUKE435 電能質(zhì)量分析儀分別對(duì)治理前后進(jìn)行檢測(cè),治理前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由圖4 可知,治理前電流THD為29.8%,各次諧波分布比較分散,適合使用有源電力濾波器進(jìn)行治理；由圖5 可知,經(jīng)過(guò)有源電力濾波器治理后降低到6.8%。

圖6 治理前電壓諧波柱狀圖

圖7 治理后電壓諧波柱狀圖

由圖6 可知,治理前電壓THD為10.6%,電壓各次諧波比較分散,且高次含量較多,適合使用有源電力濾波器進(jìn)行治理；由圖7 可知,經(jīng)有源電力濾波器對(duì)諧波電流進(jìn)行治理后,電壓諧波THD 降低到4.8%。

通過(guò)治理前后數(shù)據(jù)檢測(cè)對(duì)比,可以得出治理結(jié)論：1T中頻爐經(jīng)過(guò)有源濾波器治理后達(dá)到了較好的治理效果,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電壓、電流諧波含量均符合國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。車間燈光閃爍,行車間歇性停頓現(xiàn)象消失,達(dá)到治理的目的。

4 結(jié)論

中頻爐是工業(yè)領(lǐng)域中產(chǎn)生諧波的重要用電設(shè)備,不治理會(huì)導(dǎo)致大量的諧波注入電網(wǎng)。諧波會(huì)給電力系統(tǒng)造成很大的危害,上網(wǎng)的諧波越少越好。針對(duì)中頻爐帶來(lái)的諧波,最好的治理方法,就是從每個(gè)用戶側(cè)進(jìn)行治理,保證有中頻爐設(shè)備的電力用戶沒有諧波流入電網(wǎng),從根源上治理,諧波問(wèn)題才能得到徹底解決。呼吁用戶側(cè)提高諧波檢測(cè)和治理的意識(shí),保證用戶側(cè)就地濾除諧波,這樣才能保證電網(wǎng)的純凈。本文闡述了中頻爐諧波產(chǎn)生的原因、諧波的危害以及諧波治理方案和治理設(shè)備的選擇。最后以具體的案例,分析有源電力濾波器治理中頻爐諧波成功的經(jīng)驗(yàn)。