一种新型的谐波抑制及无功补偿方法

吕春美，张周麟，刘健犇，陈乔夫

（1.丽水电业局，浙江 丽水 323000；2.华中科技大学，武汉 430074）

一种新型的谐波抑制及无功补偿方法

吕春美1，张周麟1，刘健犇2，陈乔夫2

（1.丽水电业局，浙江 丽水 323000；2.华中科技大学，武汉 430074）

分析某钢铁厂用户设备由于采用相控整流电路后带来的谐波问题，设计一种新型无源滤波器进行谐波抑制及无功补偿方案，实践表明该方案的滤波及无功补偿效果良好。

谐波抑制；无功补偿；无源滤波器；中频炉

随着现代科学技术的发展，电力电子装置得到广泛应用，从而也给电网带来了严重的谐波污染。谐波电流会增加功率损耗，影响用户自身用电设备和电网设备的正常运行，严重时会引发系统谐振和电力系统事故。某钢厂用户由于谐波污染严重，导致4台中频炉变压器（简称炉变）烧损，经济损失惨重。通过调查分析，综合考虑各种因素，设计一种新型谐波抑制装置：在炉变低压侧装设无源滤波器，在高压侧串联电抗器，充分考虑装置绝缘距离以及谐波电流较大情况下消谐装置的保护问题，取得了预期效果。

1 谐波分析

某钢厂有4条钢铁生产流水线，每条生产线均通过1台Δ/Δ/Y连接的主变压器将35 kV母线电压降至950 V，经12脉波整流后再进行单相逆变，最终把50 Hz电网电压变为300 Hz中频电压。

每台炉变参数是35 kV/950 V/950 V，6 300 kVA。12脉波整流如图1所示，包括两个6脉波整流器，输入电压有30°的相移。假设3个绕组的匝比为可以保证变压器的电压变比为1∶1∶1，使变压器只改变相角，不改变电压的大小。

三绕组变压器相当于两台独立的变压器，一台的连接组号是Dd0，另一台是Dy11。所以，一次侧绕组电流可以等效为两个二次侧绕组折算到一次侧的电流之和：iA=iA1+iA2。

图1 12脉波整流电路示意图

Dd0连接的等效变压器的一次侧电流和二次侧电流相等。Dy11连接的等效变压器一次侧线电流的基波和正序次谐波滞后对应的二次侧线电流30°，一次侧线电流的负序次谐波超前对应的二次侧线电流30°。可得一次侧的线电流iA为：

其中k=1、2、3……。从上式可看出，一次侧线电流中不含有5次和7次谐波。

滤波前35 kV侧电压电流波形和谐波含量见图2和表1。

图2 滤波前的实际电压、电流波形

2 一种新型的谐波抑制方法

目前，电力系统用户谐波治理采取的方法是“谁污染谁治理”，即在用户侧就地治理。如果在35 kV高压侧治理，对消谐设备的绝缘性能要求较高，同时流过消谐设备的电流较大，要求消谐装置的安装容量也很大，造成消谐成本增加。若消谐设备出现故障，会改变供电系统电感电容参数，在一定条件下易引发系统谐振，危及电网安全。有用户曾在35 kV用户变母线侧装设无功补偿装置SVC，因晶闸管水冷却系统断电后引起爆炸，最终引起系统故障，造成大面积停电，两个小时后才恢复供电，事故造成很大的经济损失和社会影响。因此，在多谐波源供电区域，从供电安全性角度考虑，对中频炉用户不宜在用户变高压侧安装消谐装置。

鉴于此，本文提出了一种新型的基于低压侧谐波抑制及无功补偿的方法，即：将无源滤波器设置在低压侧，为避免不同谐振点的消谐支路互相影响，只设置11次单调谐消谐支路，同时削弱13次谐波电流。为提高消谐效果，同时在高压侧设置串联电抗器。

3 串联电抗器的作用分析

（1）高压侧设置串联电抗器后，会引起无功功率的损耗，因此选择电抗率为3%～15%。若实际电抗率选6%，工厂电源设备容量为50 MVA，则系统的额定相电流为：

若设计串联电抗器的电感值为4.75 mH，当4个炼钢炉同时工作时，总电流将达到500 A以上，因此由于串联电抗器带来的无功功率损耗将达到：

Qloss=3ωLI2=3×314×4.75×10-3×5002=1 118.6 kvar

功率因数会降低1个百分点，实际的功率因数为0.92，和仿真结果相似。

（2）串联电抗器能增加系统的阻抗，迫使更多的谐波电流流入无源滤波器中，增强滤波效果，原理如图3所示。

在图3中，LS为系统内阻抗电感值，LS1为串联电抗器的电感，L和C是无源滤波器的电感和电容值。XS，XS1，XL和XC分别表示系统内阻抗、串联电抗、滤波支路电抗器和电容器的基波阻抗值。IL为负载电流，IS为流入系统的电流，IC为流入无源滤波支路的电流，上标（n）表示电流中的n次谐波。

表1 35 kV侧电压电流谐波含量报表

图3 主回路串联电感示意图

由图3可知，流入系统的谐波电流和流入滤波器的谐波电流分别为：

经过串联电抗器之后，系统和滤波器之间的并联谐振点为：

系统的等效阻抗增加，消谐效果更好，并联谐振点将向更低频带移动。

该35 kV系统的最大短路容量SN为218.8 MVA，系统阻抗大约10 mH，由变压器的铭牌可知：Uσ1=3%，Uσ2=1.5%。

无串联电抗器时系统的等效阻抗为图3中的XS，等于35 kV系统内阻抗、变压器一次侧漏抗和变压器二次侧漏抗之和。将参数折算到二次侧，有：

上式中，U1N=35 kV，U2N=0.95 kV，分别为变压器一次侧和二次侧的额定电压。

加串联电抗器后，系统的等效阻抗为：

设置串联电抗器前后，流入系统的谐波电流与负载谐波电流之比IS/IC如图4所示。从图4可以看到，设置串联电抗器后，流入系统的高次谐波减少了。因此在系统中主要谐波11次和13次谐波电流消除的情况下，串联电抗器极大提高了谐波抑制的效果。

图4 流入系统的谐波电流（谐波阶次）

同样可以从图4看到，串联电抗器会增大低次谐波的放大系数。但是5次和7次谐波电流在主变的一次侧抵消，因此实际的放大系数并不大。除此之外，串联电抗器在故障发生时还起到限流电抗器的作用，增强系统的稳定性。

4 消谐效果分析

滤波前的图形如图2所示，滤波器的设计参数为35 kV侧串联电抗器4.75 mH，无源滤波支路中电抗器和电容器参数分别为17.7μH和620 μH。

对照国际标准可知，经过治理之后，用户变35 kV母线电压总畸变率从9.543%降至2.51%，进线电流总畸变率从14%降至2.67%，治理后的实际电压、电流波形和谐波含量分别如图5和表2所示。

表2 35 kV侧电压电流谐波含量报表

图5 滤波后实际的电压波形和电流波形

5 结语

实践证明，上述新型谐波抑制及无功补偿方法对特种12脉波整流电路和中频炉谐波源抑制效果显著，与传统的消谐装置相比，投资少，运行稳定，拓扑结构简单，效果好，为35 kV 12脉中频炼钢炉的谐波抑制提供了很多有用的实践经验。

（1）低压侧的控制能够达到更好的效果和可靠性。

（2）空心电抗器的电感值恒定，更适用于谐波抑制的领域。

（3）中频感应电炉有其特殊性，在大多数工作时段内的功率因数较高，仅在钢水流出的时候较低。因此，在钢材熔化的时候应该补偿功率因数以确保平均功率因数足够高。没有必要设置很多的谐波抑制支路。

（4）采用该滤波方案时，当整流回路发生触发不均等不对称性故障时有激发谐振的危险，应予以注意。

该方案先后在数家同类型用户中实际应用，取得良好的治理效果，对相同性质的中频炉谐波治理具有较好的推广意义。

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（本文编辑：龚 皓）

A New Approach to Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation

LV Chun-mei1，ZHANG Zhou-lin1，LIU Jian-ben2，CHEN Qiao-fu2
（1.Lishui Electric Power Bureau,Lishui Zhejiang 323000,China；2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

Through the analysis of the harmonic problem resulted from adopting phase-controlled rectifying circuit for the user equipment in a steel plant,a new type of passive filter is designed for harmonic suppression and reactive power compensation.The practice indicates that itachieves desirable effects of filtration and reactive power compensation.

harmonic suppression；reactive power compensation；passive filter；medum-frequency furnace

TM761+.12

：A

：1007-1881（2010）12-0028-04

2010-09-14

吕春美（1967-），女，浙江松阳人，高级工程师，从事无功电压、电能质量技术管理工作。