基于ETAP的中頻爐諧波治理應(yīng)用研究

1、基于etap的中頻爐諧波治理應(yīng)用研究摘要：針對(duì)中頻爐屯能質(zhì)戢的特點(diǎn)，基于電力系統(tǒng)綜合計(jì)算分析軟件(etap)進(jìn)行建模，搭建系統(tǒng)單 線圖，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)錄入模型進(jìn)行潮流計(jì)算和諧波仿真分析。提出采用優(yōu)化的無源濾波治理方案， 并進(jìn)行仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)，通過與治理前實(shí)測(cè)值的比較，驗(yàn)證了本文所采用的負(fù)荷建模、仿真方法的有效性，對(duì)有屮頻爐的廠礦企業(yè)進(jìn)行電能質(zhì)量治理有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：etap；中頻爐；無源濾波；諧波治理0、引言在我國(guó)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(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。但是，中頻爐是由一系列整流

2、逆變裝置 組成，相對(duì)于供電電源可看作是一個(gè)典型的非線性負(fù)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)生的大星諧波以及消耗的無功功率會(huì)引起電能質(zhì)量劣化，而各種敬感負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的供電 質(zhì)量又提出了更高的要求，因此對(duì)中頻爐進(jìn)行諧波治理己刻不容緩目前，針對(duì)于一般的諧波危害，有諧波源治理、安裝濾波補(bǔ)償裝置及其他治理方法，而主要采用 的是安裝濾波補(bǔ)償裝置。本文以某鋼鐵廠為例，基于電力系統(tǒng)綜合計(jì)算分析軟件(etap)分析負(fù)荷中 頻爐對(duì)電網(wǎng)的影響，并設(shè)計(jì)出合理高效的諧波治理方案。1、中頻爐諧波分析的理論方法中頻爐電源整流環(huán)節(jié)冇六脈沖、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

3、數(shù)都不同，需進(jìn)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(diǎn)成為工 礦企業(yè)普遍使用的類型-六脈沖整流電路忽略換相過程和電流脈動(dòng)，交流側(cè)各相電流在理想條件卞可近似地用方波來表 示，考慮到電路阻抗壓降，電機(jī)的輸入電壓發(fā)生畸變c利用傅立葉變換分解諧波電流：ia = 2x xz，x(sin 一丄sin 5of - - sin 7©+丄sin wat 4-sin 13e-)* x ' '571113'(1)厶一一整流電路直流側(cè)電流的平均值。從(1)式可知，電流中除基波外只含有6力±1 (| |為正整數(shù))次諧波，即5、7、11等各 次諧波，這些諧波

4、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)方的倒數(shù)72、案例分析2.1 etap軟件簡(jiǎn)介及建模etap (electrical transient analysis program)是由美國(guó) 0t1 公司(operation technology inc)開發(fā)的全圖形界血的電力系統(tǒng)仿真分析計(jì)算軟件。在仿真分析方血, 該軟件集成了潮流分析、短路計(jì)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(jiǎn)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而上完成， 顯示結(jié)果一目了然。本文利用etap屮潮流分析和諧波分析模

5、塊對(duì)鋼鐵廠容杲為loookva變壓器所帶屮頻爐進(jìn)行仿真, 建立起諧波負(fù)荷模型，如圖1、圖2所示。由于中頻爐負(fù)荷的不平衡性，母線2的三相諧波電流幅 值也將不相等，考慮最嚴(yán)重的情況，取對(duì)應(yīng)必次諧波電流幅值最大的一相作為三相諧波電流輸入。母線110 kv電網(wǎng)ft e 1000 kva母線2j0.4 kvi):r中頻爐833 kva圖1中頻爐負(fù)荷模型fig 1 load model of mcdium-frcqucncy furnaccinfo loading | cabl«/vd | cable a*p | marmonic | reliability | remarks | coment

6、 |1700 kw 452 kvtr 0.4 kvcable info not availableratingsx pfgroundingloadinglo&dfeeder lossloading categoryloadngkvar陽(yáng)1kvar11design100700452002normal100too4520|bt3winter load0b .0004summer load0 00005cbackupcl 1 a0n0n01 pvn0n0 -ynoperating load： |0 kwj |0 kv»rt勺 undo fxnd| hdp| ok | ctncd|圖

7、2中頻爐參數(shù)fig .2 parameters of med i um-frequency furnace2. 2案例背景該鋼鐵廠所使用的中頻爐是一種嚴(yán)重的諧波源，其對(duì)無功功率的需求拉低了電網(wǎng)功率因數(shù)，己嚴(yán) 巫影響了工廠電網(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(jìn)線經(jīng)一臺(tái)容 量為1000rva.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“ = 10°"", 實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平均功率功率因數(shù)cos7=0.84,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(yàn)測(cè)量點(diǎn)為變壓器二次側(cè)母線，采

8、集若干個(gè)測(cè)量時(shí)間的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，選取諧波最嚴(yán)重 的某一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。建立鋼鐵廠供電系統(tǒng)一次接線單線圖（如圖1所示），并錄入設(shè)備所需參數(shù)進(jìn)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諧波電圧畸變率（2遼5次）fig .3 harmonic voltage distortion rate（225）諧波次數(shù)圖4 一個(gè)周期的相電壓曲線fig .4 a periodic curve of phase voltage表1諧波電流值(2遼5次)tab 1 harmonic current values (225)213 次2345

9、j678910111213電流值（a）1.9130.9197.10.5117.21.11.1|o.964.2”.642.01425 次141516171819202122232425電流值（a）0.71.00.736.01.427.21.20.50.525.4匕318.8從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，屮頻爐運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)為0. 84,所需無功功率為452 kvaro設(shè)冃標(biāo)功率因索 為0. 98,則實(shí)際所需無功補(bǔ)償容彊 q =卩如® 一阪）-308kvar （ p為實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平均功 率；®為實(shí)際功率因數(shù)角；為h標(biāo)功率因數(shù)角）。為保證電容器組長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，其額定電壓可選母線額定電圧 的1.

10、3倍以上，同時(shí)電容器組電壓利容量的選取又同與之串聯(lián)的電抗器有關(guān)系。為避免諧波放人，串聯(lián)電抗器的電感量l應(yīng)滿足下式關(guān)系：厶一bac>0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(dá)到& 97%,電流畸變率達(dá)到19.7%；功率因數(shù)為0.84o gb/t 14549-1993電能質(zhì) m 公用電網(wǎng)諧波規(guī)定了各電壓等級(jí)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(diǎn)的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量(表3)時(shí)，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己嚴(yán)重超出了國(guó)家

11、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，因此必須對(duì)其進(jìn)行治 理。表2公用電網(wǎng)諧波電壓限值(和值)tab.2 the harmonic standard of public power network(phase value)電網(wǎng)標(biāo)稱電壓(kv)電壓總諧波畸變率(%)各次諧波電壓含冇率(%) j奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610表3注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值tab .3 the al lowtible value of the harm onic curre nts injected into the comm onconnection point標(biāo)準(zhǔn) 電壓 (kv)g準(zhǔn)短 合容量mva)諧

12、波次數(shù)及諧波電流允許值(a)2345678910111213141516 17181910 21 22 23 24 250.381078 6243 343962 2644191628132411-9.7 18 札6167.8 8.9(7.1 14 6.5 12610021341424-118.5 1671136.85.3 104.794.3 p.9 3.9 7.43.6 6.81010026201320 8.5 15 6.86.4 5.1 9.343 |7.9 3.7(4.13.2 6285.4 2.6 2.9 2.3(4.5 2.1 4.1綜匕分析可知，該鋼鐵廠的諧波電壓畸變率和諧波電流含量

13、己嚴(yán)重超出了國(guó)家規(guī)定的限值，必須 對(duì)其進(jìn)行治理。2. 3. 2諧波治理進(jìn)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 木也較低，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(shí)能取得很好 的濾波效果。冇源濾波器是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速dsp器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新 型電力諧波治理專用設(shè)備，可對(duì)任意頻率(2迄ollz)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，既濾除諧波乂補(bǔ)償無功，但穩(wěn)定 性差、造價(jià)高、功率和容量小、維修困難等。該鋼鐵廠負(fù)荷并不大，諧波含杲較穩(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(jì)目標(biāo)，擬采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的無源濾波

14、器，既可濾除諧波，又可適當(dāng)補(bǔ)償無功功率，提高功率 因數(shù)代該諧波源是電流型，可在變壓器二次側(cè)母線處采取就地并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?。因此每組串聯(lián)電抗器等效基波電抗比為：考慮到電抗器和電容器的制造誤差，通常取:諧波次數(shù);串聯(lián)電抗器的電抗率。根據(jù)該鋼鐵廠的諧波悄況，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(yàn)證可知，5次濾波支路每組實(shí)際補(bǔ)償容量q為:x 占 xtwhar(7)3組補(bǔ)償容杲約為232kvar<>同理，7次濾波

15、支路實(shí)際補(bǔ)償容量°為75kvar,則5次、7次總補(bǔ)償容僮為：307 kvar,與實(shí)際所需無功補(bǔ)償容量相當(dāng)。5次電容器組等效基波容抗竝為:qc0.57上廠150var= 2.1660因此，電抗器等效基波電抗血為:血=血=5% x 2.166c « 0.108q同理，7次濾波支路電抗器等效基波電抗0 0540 o至此，無源濾波器的主要參數(shù)已基本確定，0 h o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。2.521.510.50123456789 1011 12 13 14 15 16 17 18 192021 22 23

16、24 25諧液次數(shù)圖5諧波電壓畸變率(225次)fig 5 harmonic voltage distortion rate(225)圖6 個(gè)周期的相電壓illi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，諧波電流含杲大幅降低。總的電壓畸變率為4.9%,已達(dá)到國(guó)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)境己大幅改善。因此，優(yōu)化的無源濾波器治 理方案是有效的。3、結(jié)束語(yǔ)本文使用etap軟件對(duì)鋼鐵廠負(fù)荷中頻爐進(jìn)行建模仿真分

17、析，設(shè)計(jì)出諧波治理方案，并通過仿真 驗(yàn)證了該方案的有效性。該方案實(shí)施后，解決了開啟中頻爐而無法帶其它負(fù)荷和原有無功補(bǔ)償柜的問 題，提高了中頻爐及全部電網(wǎng)的整體性能，對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義。文章來源：電工技術(shù)2017年7期。參考文獻(xiàn)1李冊(cè).無功補(bǔ)償兼濾波裝置在中頻感應(yīng)爐的應(yīng)用電氣傳動(dòng).2014,44(3):42-44,58.2魏偉，許勝輝，孫劍波.一種無源濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法j.電力白動(dòng)化設(shè)備.2012,32(1):62-66.3張力，陳喬夫，劉健輯，等.基于測(cè)量值的無源濾波器設(shè)計(jì)新方法及其應(yīng)用j.電力自動(dòng)化設(shè)備.2011.31:69-744吳文宣, 技術(shù)學(xué)報(bào).2010,5李徳武,術(shù).2010,(6)吳丹岳，林?jǐn)?，?電流型變頻器的間諧波分析及應(yīng)用模型構(gòu)建j電工 25(2):163-176.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16-20,30.6鄭杰，林濤，畢圳，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(yuǎn)東計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司.etap電力及電氣系統(tǒng)