冶金企业电力系统谐波分析及治理.pdf

使用与维护 第3 l 卷2 0 1 3 年第2 期 总第 1 6 4 期 冶金企业电力系统谐波分析及治理 高辉 ’ 李国军 1 ．鞍钢工程技术有限公司 2 ．鞍钢集团鞍凌钢铁有限公司 鞍山 1 1 4 0 0 3 【 摘要】 对谐波源及谐波产生进行 了分析， 有针对性地装设滤波补偿装置， 对电网谐波进行综合治理， 以 确保供 电系统 电能质量 。 【 关键词】 冶金电力 谐波分析 治理 An a l y s i s a n d Tr e a t me n t o f P o we r S y s t e m Ha r mo n i c s i n M e t al l ur g i c a l Ent e r pr i s e s G AO Hu i 。 ， L I G u o - j u n 1 ．An s t e e l En g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， 2 ． A n - L i n g I r o nS t e e l C o ． ， Ltd ． o f A n s t e e l G r o u p ， A n s h a n 1 1 4 0 0 3 【 A b s t r a c t 】 A n a ly z e t h e h a r m o n i c s o u r c e a n d g e n e r a t i o n ． T h e h a rmo n i c c o m p e n s a ti o n d e v ic e i s e q ui p p e d s p e c i fic a l l y i n o r d e r t o c o mp r e he ns i v e l y t r e a t h a r m o n i c s o f t h e e l e c t r i c ne t wo r k a n d e n s u r e t he p o we r qu a l i t y o f t he p o we r s u p p l y s y s t e m． 【 K e y w o r d s ] M e t a l l u r g y a n d e l e c t r ic p o w e r ， h a r m o n i c a n a l y s i s ， t r e a t m e n t 1 引言 理想的电力系统是单一恒定的频率与规定幅 值的稳定 电压 的供电系统 。近年来随着科学技术 的不断发展 ， 在冶金企业电力系统中大功率整流设 备和调压装置的使用 、 大量非线性负荷的出现 以及 供电系统本身存在的非线性元件等， 使系统的电压 闪变 、 电压波形畸变 、 电压不平衡越来越严重 ， 对电 力系统造成了很大的危害， 如供 电系统中的元件损 耗增大、 降低用电设备的使用寿命 、 干扰通信系统 等； 严重时甚至还能使设备损坏， 自动控制失灵， 继 电保护误动作， 因而造成停电事故等及其他问题。 因此， 要对电网谐波等进行综合治理， 采取相应的措 施 限制和消除谐波 ， 从而改善供 电系统供电质量和 确保系统的安全经济运行 。 2 谐 波 源 1 系统中的各种非线性用电设备 如整流设 备 、 调压装置 、 调速控 制装 置 、 变频器 、 电弧炉 、 荧 光灯 、 电焊机以及各种电子节能控制设备等 是 电 力系统谐波的主要来源。即使供给这些设备理想 的正弦波电压 ， 产生的电流也是非线性 的 ， 即有谐 波电流存在， 使系统各处电压产生谐波分量。 2 供电系统本身存在的非线性元件是谐波 的又一来源。这些非线性元件主要有变压器激磁 支路 、 交直流变流站的可控硅控制元件、 可控硅控 制的电容器电抗器组等。 3 如荧光灯等的单个容量不大， 但数量很大 且散布于各处 ， 所 以这些设备 的电流谐波含量过 大 ， 也会对电力系统造成严重影响。 3 谐波和无功功率的产生 在工业用电负载中， 阻感负载占有很大的比 例， 异步电动机 、 变压器、 荧光灯等都是典型的阻 感负载 。异步 电动机和变压器所消耗的无功功率 在电力系统所提供的无功功率中占有很大的比 例。电力系统 中的电抗器和架空线等也消耗一些 无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常 工作， 这是由其本身的性质所决定的。 近年来 ， 电力 电子装置的应用 日益广泛 ， 也使 得电力 电子装置成为最大的谐波源。在各种 电力 电子装置中 ， 整流装置所 占的 比例最大。 目前 ， 常 用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或 二极管整流电路 ， 其中以三相桥式和单相桥式整 流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的 谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。而直 流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的 一 5 一 第3 l 卷2 0 1 3 年第2 期 总第 1 6 4 期 使用与维护 谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位 与电源电压相位大体相同， 因而基波功率因数接 近 1 。但其输入电流的谐波分量却很大， 而这些谐 波电流 不但给 电网造成严重污染 ， 还要消耗大量 的无功功率 ， 使得系统总的功率因数很低 。另外 ， 采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器 等电力 电子装置也会在输入侧产生大量 的谐波电 流 ， 因此 ， 也消耗一定的无功功率” 。 4 谐波抑制 为解决 电力 电子装置和其他谐波源 的谐波污 染问题 ， 基本思路有两条 一条是装设谐波抑制与 滤波装置， 这对各种谐波源都是适用的； 另一条是 对电力电子装置本身进行改造， 使其不产生谐波， 并且使功率因数 达到 0 ． 9 6以上 ， 但这只能适用于 作为主要谐波源的电力电子装置。 装设谐波抑制装置的传统方法就是采用无源 调谐滤波器 简称L c ， 这种方法既可抑制谐波， 又 可补偿无功功率 ， 而且结构简单 ， 一直被广泛使 用。这种方法 的主要缺点是补偿特性受 电网阻抗 和运行状态影响 ， 易和系统发生并联谐振 ， 导致谐 波放大， 使L C 过载甚至烧毁。此外 ， 它只能补偿 固定频率的谐波 ， 补偿效果也不甚理想 。随着科 技 的发展 ， 新 型调谐 的谐波吸收器 和非调谐 的谐 波吸收器弥补了传统滤波器的不足。 调谐 的谐波吸收器是 由一个扼流线圈和一个 电容器串联组成的谐振电路， 调谐后对谐波电流 具有极小的阻抗。该调谐 的谐振 电路用于精确地 清除配电网络中的主要谐波成分。 非调谐 的谐波吸收器是 由一个扼流线圈和一 个电容器串联组成的谐振电路， 调谐为低于最低 次谐波的频率 ， 以防止谐振 。 5 无功 补偿 人们对有功功率的理解非常容 易 ， 而要深刻 认识无功功率却并不是轻而易举 的。在正弦电路 中， 无功功率的概念是清楚的， 而在含有谐波时， 至今尚无公认的无功功率定义。但是， 对无功功 率这一概念的重要性以及对无功补偿重要性的认 识， 却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功 率补偿和对谐波无功功率的补偿。 无功功率对供电系统和负荷的运行是十分重 要 的 。电力 系统 网络元件 的阻抗 主要 是 电感性 的， 而电力系统中大多数负载也主要是 电感性的 ， 一 6 一 这些电感性元件和负载在运行过程中需要消耗大 量的无功功率 ， 而这些无功功率必须从网络中某 个地方获得 。从整个供 电系统角度讲输送有功功 率要求送 电端 和受 电端的电压有一相位差 ， 这在 相 当宽 的范围内就可 以实现 ； 而输送无功功率则 要求两端电压有一幅值差， 这只能在很窄的范围 内实现。并且这些无功功率如果都要 由发电机提 供 ， 并且经过长距离线路输送是不经济的， 通常也 是不允许的。因此 ， 合理的方法应是在需要消耗 无功功率的地方产生无功功率 ， 这就是无功补 偿。无功补偿的作用主要有以下几点 1 提高供用电系统及负载的功率 因数 ， 降低 设备容量 ， 减少功率损耗。 2 稳 定受 电端及 电网的 电压 ， 提 高供 电质 量 。在长距离输电线 中的合适地点设置动态无功 补偿装置还可以改善输电系统的稳定性， 提高输 电能力。 6 谐波治理 6 ． 1 谐 波治理标 准 国家标准对不 同电压等级 的各次谐波允许注 入值都作了具体规定 ， 规定了公用电网谐波电压 相 电压 的限值i3 j 。 6 ． 2 谐 波治理 6 ． 2 ． 1 滤波器 的种类 谐波治理就是在谐 波源处安装滤波器 ， 就近 吸收谐波源产生 的谐波 电流 ， 现在广泛采用的滤 波器为无源滤波器。另外还有利用时域补偿原理 的有源滤波器， 这种滤波器的优点是能做到适时 补偿 ， 且不增加电网的容性元件 ， 但造价较高 。无 源滤波装置 ， 吸收高次谐波 ， 而所有滤波支路对基 波呈现容性 ， 正好满足无功补偿要求 ， 不必另装并 联电容器补偿装置， 这种方法经济简便 ， 国内外广 泛采用。 滤波器大致可分为以下六种类型 I 1 单调谐滤波器 单调谐滤波器通频带窄 ， 滤波效果好 ， 损耗小 ， 调谐容易 ， 是使用最多的一 种类型。 2 双调谐滤波器 双调谐滤波器可替代两个 单调谐滤波器， 只有一个电抗器 L 1 承受全部冲 击 电压 ， 但接线复杂 ， 调谐 困难 ， 仅在超高压系统 中使用 。 3 一阶高通滤波器 一阶高通滤波器因基波 损耗大， 一般不采用。 使用与维护 第3 1 卷2 0 1 3 年第2 期 总第 1 6 4 期 4 二阶高通滤波器 二阶高通滤波器通频带 很宽 ， 滤波效果好 ， 既可调谐振点 ， 又可调谐 曲线 锐度 ， 并 可防意外共振 与放大 ， 因此 ， 也有 以二 阶 宽通带做低次滤波器。 5 三阶高通滤波器 三阶高通滤波器一般用 电弧炉滤波。 6 “ C ” 式高通滤波器 “ C ” 式高通滤波器 ， 用 于电弧炉滤波 ， 对二次谐波特别有效。 6 ． 2 ． 2有 源滤 波和无 源 滤 波比较 目前 国内对谐波污染治理常用无源滤波和有 源滤波 。下面就谈谈 这二种方法的优缺点 、 市场 前景及其经济效益 。 1 有源谐波滤除装置 有源谐 波滤除装置是 在无源滤波的基 础上发展起来 的 ， 它的滤波效果 好 ， 在其额定的无功功率范围内， 滤波效果达9 8 ％ 以上。它主要是由电力电子元件组成电路 ， 使之 产生一个和系统谐波同频率、 同幅值但相位相反 的谐波电流 ， 与系统中的谐波 电流抵 消。但 由于 受到电力电子元件耐压 、 额定 电流发展 的限制 ， 成 本极高， 其制作也较之无源滤波装置复杂得多， 成 本 也就高得多了。其主要 的应用范围是计算机控 制 的供 电系统 ， 尤其是写字楼 的供 电系统 、 工厂的 计 算机控制供 电系统 。对单台的装置而言 ， 其利 润是可观的， 但用户一般不愿意用有源滤波， 认为 谐波量能不危害其他用 电器也就可以了。 但在钢铁企业 中 ， 尤其是 电弧炉 和连轧整 流 机组， 谐波分量非常大时常造成电压波动， 使部分 电气设备保护动作跳闸， 造成停产事故 。因此 ， 必 须采用有源滤波装置， 目前在市场上有源谐波滤 装置一般采用A S V G 动态补偿及滤波装置 ／ A P F 有源滤波器 。 由于A S V G ／ A P F 采用 了有源的方案 ， 不再需要 电容作为补偿使用， 而且开关元件均为可关断高 频开关器件， 如可关断可控硅G T O、 大功率变频开 关 I GC T 等。所 以A S V G ／ A P F的方案具有设备体积 小 、 响应速度快 、 无谐波污染 、 对电 网呈现电流源 特性 电网电压对设备容量， 尤其是无功容量的影 响呈线性关系 等优点， 是当今最先进的无功补偿 与谐波治理装置。但是由于设备复杂程度高 、 稳 定性差， 开关器件可靠性低 、 价格昂贵等原因， 并 且这种方案性能价格 比较低 ， 基 本上不具备工业 现场运行的条件 。因此 ， 有 源谐 波滤除在工业 现 场应用 ， 其性能还有待于进一步提高u 。 2 无源谐波滤除装置 无源滤波的主要结构 是用电抗器与电容器串联组成 L c串联 回路 ， 并联 于系统中 ， L C回路 的谐振频率要设定在需要滤除 的谐波频率上， 例如3 ， 5 ， 7 ， 1 1 次谐振点上， 以达到 滤除这几种谐波的 目的。这种 滤波装置成本低 ， 滤波效果不理想， 如果谐振频率设定得不好， 会与 系统产生谐振。不过 ， 目前市场上采用滤波方法 较多的通常就是这一种 ， 虽滤波的效果较差 ， 但只 要满足 国家对谐波的限制标准和电力部门对无功 补偿 的要求就行 了。 由于其低成本 ， 用户容易接 受， 所以市场的需求量也就大。一般而言， 1 0 k V及 以下电压等级系统几乎都是采用这种方式对谐波 进行治理-s ， 。特别是在中小型私有企业 ， 业主对谐 波的危害认识不 足 ， 一般不愿意拿 出大量的经费 来 治理谐波 ， 而有的企业 由于谐波的含量高 ， 无功 消耗太大 ， 常规的无功补偿不能凑效 ， 但电力部门 又对力率 功率因数 的要求十分严格 ， 达不到就 采用罚款的方式制裁 ， 业 主不得不安装滤波装置 进行无功补偿， 因此， 其市场的前景可观。 为 了解决钢铁企业 中电弧炉和连轧整流机组 等产生谐波分量大而造成 的停产事故 ， 目前常采 用无源谐波滤 除装置 S V C和新型 S V C这两种方法 进行无功补偿和滤波。 单纯无功 的补偿是很容易通过并联电容器实 现 的 ， 而在需要治理 谐波 时 ， 还需要投入滤 波装 置 ， 而在实际中真 正实用 的滤波方案还是无源滤 波 ， 因此 ， 在 同时需要这两种功能的场合 ， 它们被 合二为一组成 V C 滤波器 网络。而电压闪变 、 无 功变化动态补偿以及不对称治理也都需要通过动 态无功补偿装置来实现。 6 ． 2 - 3 传 统 S V C的 固有缺 点 传统 S V C 经过长足的发展 ， 成为了主要的动 态无功补偿装置 ， 解决了大量 的动态无功补偿问 题 。它响应速 度快 、 技术 相对成熟 、 高压 S C R器 件可靠性高于G T O、 I G C T ， 但是 ， 即使是经过了2 0 来年 的发展 ， 还是无法克服装置本身所 固有 的缺 点 1 硅塔 可靠性低 。由于硅塔 由单 只 S C R串 联而成 ， 任何一只S C R 损坏都会造成硅塔整体损 坏， 因此， 传统S V C的可靠性等级始终无法达到理 想的水平。 2 谐波污染大。传统的S V C 装置带给系统 的另外一个问题就是 引入 了大量的谐波 ， 因此 ， 即 使系统自身不存在谐波， 也需要安装滤波装置， 增 加了造价与占地面积。 一7一 第3 1 卷2 0 1 3 年第2 期 总第 1 6 4 期 3 体积庞大。由于采用的是空心电抗器 ， 而 且滤波装置容量大， 硅塔的安装需要专门的厂房 ， 而且硅塔需要水冷装置 ， 诸 多原 因导致传统 S V C 的占地面积非常庞大⋯ 。 6 ． 2 ． 4新 型S V C的特 点 随着控制技术的不断发展 和对电抗器工艺与 结构的突破性改进 ， 在克服了传统饱和电抗器响 应速度慢 、 损耗大 、 噪音大 、 谐波大等缺点之后 ， 一 种基于磁 阀式饱和电抗器的新型S V C 装置在具备 了响应速度快特点的同时 ， 克服 了传统 S V C的诸 多缺 陷 ， 成 了传统 S VC的替代产品。与传统 S V C 相 比 ， 这种新型 S V C最 主要 的特征就是 S C R安装 在控制 回路而不直接安装在主回路中， S C R所需要 承受 的电压仅为主 回路的 l ％左右 ， 正因如此 ， 新 型S V C具有极高的可靠性。归结起来 ， 新型的 S V C 装置具有以下显著特点 1 极高的可靠性。 2 较低 的谐 波含量 ， 三相 角接系统 的 电流 T HD小于5 ％， 符合国家规定 的相关标准。 3 体积 小 ， 可调 电抗器部 分体积仅 为传统 T C R 无功补偿 的 1 ／ 5 左右。 4 响应速度快 ， 可 以达到2 0 m s 左右。 常好 ， 是无功补偿和谐波治理的首选 。 使用与维护 7 结束语 随着非线性 电力设备 的广泛应用 ， 电力 系统 中谐波问题越来越严重 ， 一方面造成了电力设备 的损坏 ， 加速 绝缘老化 ， 另一方 面也影 响 了计算 机 、 电视系统等电子设备正常工作 。因此 ， 谐波问 题不但涉及供电部门、 电力用户， 而且对设备制造 商也提 出了更高 的要求 ， 谐波 问题 已引起了人们 的高度重视 。应合理规划电网， 电力电子设备 特 别一次设备 在制造时应考虑如何抑制谐波 ， 电子 设备、 电子仪器应满足电磁兼容性要求。 参考文献 『 1 1 耿 毅． 工业企 业供 电． 北京 冶金 工业 出版社 ， 1 9 9 1 30 2-32 6． 【 2 】 刘介才． 实用供配电技术手册． 北京 中国水利水电 出版社 ． 2 0 0 2 1 2 -1 6 ． 『 3 ] G B ／ T 1 4 5 4 9 9 3 电能质量． 公用电网谐 波 [ 4 】 叶青， 徐政． 电力系统间谐波及其检测方法综合分 析， 浙江大学电机系， 2 0 0 7 ． [ 5 l 中国 自动化 网， 电力 系统谐波分析 ， h t t p ／ ／ ww w． c a 8 00 ． om， 2 0 07． 从 目前应用看 ， 新 型S V C在冶金企业前景非 2 0 1 2 0 8 - 1 4 收稿 { 靖 菏 蠕 ＼ 矗 ＼ 蛞、 、 _ 、 ；＼ 、 呤 ＼ 、 、 、 ＼ 、 、 一 、 [ 上接第4页] 力的上下限范围 ， 当初冷器前吸力低于下限时 ， 令 MV P RV A， A的取值大于0 ．5 ％， 使鼓风机直接 升速进行吸力调整。等待一段时间后 ， 如果吸力 已升到规定范围内， 则转入 P I D自动调节 ， 如果吸 力仍然低于下限 ， 则继续以上调节 。反之 ， 如果初 冷器前的吸力高于上限 ， 应用同样 的方法进行调 节 。 4 应用效果 上述控制方案实施后 ， 再结合鼓风司机适时 地调节循 环管阀门 ， 基本上能适应焦炉集气管的 一 8 一 调节 ， 取得了一定的经济和社会效益。 参考文献 ⋯ 1张继青． 焦炉集气管压力自动调节系统的应用． 山西 焦煤科技 ， 2 0 0 4 ． f 2 1 杨祥生． 液力耦合器在煤气鼓风机上的应用． 中国设 备 管理 ， 1 9 9 7 ． 『 3 1 李利兵， 阎以生， 高永俊． 鼓风机液力耦合器的控制策 略． 包钢科技 ， 2 0 0 5 ． 【 4 1 高忠仁． 焦炉集气管压力与鼓风机综合控制系统． 冶 金 自动化 ． 2 0 0 9 ． 2 0 1 2 - 1 2 - 1 1 收稿