樊安國， 郭艷慶， 和安東

安陽鋼鐵股份有限公司（455004）

0 前言

安陽鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠共有3臺小方坯連鑄機，是一個年生產能力達到235萬噸，國內同口徑相比效率最高的煉鋼廠。由于連鑄機生產及工藝的需要，在低壓配電系統(tǒng)變壓器二次側的傳動設備主要是電動機,采用變頻器驅動的控制模式。在生產過程中無故出現(xiàn)斷路器跳閘、通訊中斷的現(xiàn)象，對生產造成較大影響，使管理陷入被動。經過數(shù)據(jù)測試、分析及判斷，最終問題的根源是由于諧波電流過大而產生的危害所致。通過采用有源電力濾波器對系統(tǒng)諧波進行治理，實踐證明，它能夠有效地濾除諧波電流，防止由于諧波電流引起的斷路器跳閘和通訊中斷。

1 原因分析

1.1APF投入前負載電流測試

圖1 投入前三相負荷的電流波形（左）圖2 投入前三相負荷電流各次諧波的畸變（THD）（右）

圖3 投入前三相負荷電流各次諧波含量圖（左）圖4 三相系統(tǒng)電壓諧波的畸變（THD）值（右）

三相負荷總電流的波形如圖1所示。電流諧波的畸變（THD）值詳細信息如圖2所示。三相負荷電流各次諧波含量圖如3所示。由此可以得知，三相負荷電流中以5、7次諧波為主，5次諧波畸變率 （THD）約35%，7次諧波畸變率（THD）約12.7%，總諧波畸變率約38%。

1.2APF投入前負荷電壓測試

APF投入運行前，三相系統(tǒng)電壓諧波的畸變（THD）值詳細信息如圖4所示。三相系統(tǒng)電壓的諧波含量總諧波畸變率約2.5%。

基于國標規(guī)范畸變率THD的臨界點為5%，當超過該值時將產生很大的危害。通過測試數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)的電流諧波畸變率已經遠遠超過了標準要求,其造成了電流波形的嚴重畸變，加速了電力設備絕緣老化的加劇，產生通訊干擾，造成繼電保護裝置拒動或誤動,引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，是直接導致斷路器跳閘和通訊中斷的根本原因。

2 治理方案

2.1 無源濾波器的應用

根據(jù)測試及供電情況，考慮到成本的因素，曾設計無源濾波器對諧波進行治理，但使用過程中發(fā)現(xiàn)，由于連鑄機系統(tǒng)負載電流變化快、諧波成分復雜，其不僅無法滿足濾除諧波的目的，而且在某頻段的諧波電流有所放大，不但沒有起到消諧作用，甚至起到了負作用。

2.2 諧波抑制

1）對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數(shù)可控制為1。由于該系統(tǒng)工藝和生產需求，傳動驅動設備基本以變頻器為主，而變頻器本身就是諧波源，因此要從裝置本身進行改造消除諧波，基本上是不可能的。

2）裝設諧波補償裝置來補償諧波—有源濾波器的應用與實踐。由于傳統(tǒng)的無源濾波器存在諸多弊端,不能滿足需求，經過信息搜集和調查研究,諧波抑制的一個重要趨勢是采用電力有源濾波器（ActivePowerFilter，縮寫為APF）。它的基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流,由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流,從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償,且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視,并且已在日本等國獲得廣泛應用。為此根據(jù)現(xiàn)場情況針對性的制定了相應解決方案如圖5所示。

圖5 APF系統(tǒng)治理示意圖

3 效果分析

由于系統(tǒng)中有類似移鋼車等不是連續(xù)工作制的負載，因此系統(tǒng)存在一定幅度的波動,以下是不同時段的數(shù)據(jù)檢測和結果分析。

1）使用APF后諧波電壓、諧波電流治理效果對比圖如圖 6、圖 7、圖 8、圖 9所示。

圖6 電壓電流波形投入有源電力濾波器前（左）圖7 電壓電流波形投入有源電力濾波器后（右）

圖8 電流畸變率投入有源電力濾波器前（左）圖9 電流畸變率投入有源電力濾波器后（右）

2）畸變率數(shù)值對比:

表1 畸變率數(shù)值對比

3）治理效果分析:

①投入濾波器前，電流波形失真非常嚴重，電流畸變率已經達到38%,主要以5、7次諧波電流為主；投入濾波器后，電流畸變率降為4.3%，主要諧波基本被濾除，諧波濾除率達到88%。

②通過檢測的圖6～圖9可知,產生畸變的為負載側諧波電流的波形，正弦波形為補償后電網側波形，由此圖形也可清晰看出負載電流變化之快。雖然負載電流變化快，但濾波器能夠迅速檢測到負載電流變化將補償電流反饋到電網，一方面說明了濾波器具有良好的響應時間和適應面廣的特性,另一方面反映出濾波器能夠迅速將諧波進行有效的消除。

③斷路器無故跳閘和通訊中斷的問題得到了有效的解決，沒有再發(fā)生類似的問題。

4 結語

安陽鋼鐵股份公司第二煉鋼廠連鑄機系統(tǒng)通過近3年的有源電力濾波器的應用，實踐證明，它能夠適用于變化較快的負載,對供電系統(tǒng)的非線性負載在工作過程中產生的諧波起到明顯的抑制作用，不但解決了存在的問題，而且電網質量得到明顯的改善，系統(tǒng)功率因數(shù)大于0.98，同時整個供電系統(tǒng)的電能質量得到了很大的改善,也有效地促進了生產在線設備安全可靠的運行。

[1]吳競昌,孫樹勤,宋文南,等.電力系統(tǒng)諧波[M].北京:水利電力出版社,1988.

[2]阿里拉加J,布萊德勒 DA,伯德格爾 PS.電力系統(tǒng)諧波.容建綱等譯.華中理工大學出版社,1994年第1版.

[3]GB/T14549-93,電能質量公用電網諧波[S].北京:中國標準出版社,1994.

[4]王兆安,李民,卓放.瞬時無功功率理論和功率有源濾波器[D].90年代電工科技進步與發(fā)展學術年會論文集,No.10,1991,7,北京.