錢長遠,汪良坤,趙 燕,連 濤,王寶安
(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇南京210096)
晶閘管中頻電源的應(yīng)用是從1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺感應(yīng)熔煉電源開始的,并得到了廣泛應(yīng)用,遍及熔煉、透熱、種子處理、環(huán)保等多個領(lǐng)域[1]。國內(nèi)晶閘管中頻電源已發(fā)展成為電力系統(tǒng)中最重要的非線性負荷。由于中頻電源裝置在實現(xiàn)功率控制和處理的同時,會不可避免地產(chǎn)生非正弦波形,向電力系統(tǒng)注入諧波電流,使公共聯(lián)結(jié)點(PPC)的電壓波形嚴(yán)重畸變,使電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重下降,電能損耗顯著上升,被公認(rèn)為電力系統(tǒng)的一大公害,諧波治理工作尤為重要[2]。為減少中頻爐帶來的諧波污染,國內(nèi)已采用多脈動整流技術(shù)研制出了多種中頻爐設(shè)備,包括6脈,12脈,24脈中頻爐等,由于后兩者成本相對較高,因此大多煉鋼企業(yè)仍舊采用6脈動中頻爐進行金屬熔煉,其諧波污染問題仍不能忽視?,F(xiàn)階段對于中頻爐諧波的治理方法主要有2種方法:一種是補救性的治理方法,即為克服既存諧波問題所采用的方法;一種是避免中頻爐諧波出現(xiàn)的預(yù)防性的措施[3]。雖然第二種方法可以從根本上解決日益嚴(yán)重的諧波污染,但對于現(xiàn)已大量使用的中頻爐,則只有采用第一種方法補償其產(chǎn)生的諧波。將結(jié)合中頻爐的工作原理及其諧波治理措施進行討論,提出利用有源濾波器(APF)對6脈中頻爐工作的不同階段產(chǎn)生的諧波進行補償與治理分析。
中頻爐是一種快速穩(wěn)定的金屬加熱裝置,其核心設(shè)備是中頻電源。中頻爐的電源通常采用AC-DC-AC變換方式,將輸入的工頻交流電輸出為中頻交流電,且頻率變化不受電網(wǎng)頻率的限制,其電路如圖1所示[4]。
圖1中頻電源電路框圖
中頻電源注入電網(wǎng)的諧波主要是由整流裝置產(chǎn)生的,這里以三相6脈動全控橋式整流電路為例來分析其諧波含量。忽略三相橋式晶閘管整流電路換相過程和電流脈動,假定交流側(cè)電抗為0,直流電感為無窮大,利用傅里葉分析方法,將電流負、正兩半波的中點作為時間零點,可推出交流側(cè)a相電流的表達式:
式中:Id為整流電路直流側(cè)電流的平均值。
由式(1)可知,對于6脈動的中頻爐來說,它可產(chǎn)生大量的5次,7次,11次,13次,17次,19次等諧波,可歸納為6k±1(k為正整數(shù))次諧波,各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比,且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)[5]。
利用PSIM軟件分別建立電流型中頻爐和電壓型中頻爐的仿真模型,其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。電流型中頻爐逆變側(cè)由4個晶閘管橋臂組成,電壓型中頻爐逆變側(cè)由4個IGBT組成。將中頻爐加熱頻率設(shè)為1 000 Hz,中頻爐額定功率P為100 kW,電源電壓U為220 V。根據(jù)所建仿真模型,得到中頻爐的輸入諧波特性:電流型中頻爐輸入側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖4所示,電壓型中頻爐輸入側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖5所示。
仿真分析結(jié)果驗證了理論上的諧波分析。中頻爐采用6脈波整流電路,通過FFT分析得知輸入側(cè)電流中含有大量的6k±1次諧波,其中5次諧波含量很大,
圖2電流型中頻爐結(jié)構(gòu)
圖3電壓型中頻爐結(jié)構(gòu)
圖4電流型中頻爐輸入側(cè)電流波形和頻譜
圖5電壓型中頻爐輸入側(cè)電流波形和頻譜
通過計算得出電流型諧波電流總畸變率為19.71%,電壓型諧波電流總諧波畸變率為19.26%,嚴(yán)重超過國家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。
為了使中頻爐產(chǎn)生的諧波對公共電網(wǎng)的影響符合設(shè)備使用地供電系統(tǒng)的要求,可采取積極有效的治理措施以消除諧波污染,具體治理措施如下[6]:
一是變壓器采用Y/Y/Δ接線方式。對于大容量的中頻爐,其供電變壓器可以采用Y/Y/Δ接線方式,通過改變整流器交流側(cè)變壓器的接線形式來抵消較低次的特征諧波。但成本較高。
二是采用LC無源濾波器,主要結(jié)構(gòu)是用電容器與電抗器串聯(lián)起來,組成LC串聯(lián)回路,并聯(lián)于系統(tǒng)中。這種方法比較傳統(tǒng),既可補償諧波,又可補償無功功率,結(jié)構(gòu)簡單,一直被廣泛使用。但補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,且只能補償固定頻率的諧波,補償效果也不甚理想。
三是采用APF,這是諧波抑制比較新的方法[7]。APF是一種動態(tài)諧波補償設(shè)備,具有高度可控性和快速響應(yīng)性,能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償,動態(tài)特性好,且補償特性不受阻抗的影響,諧波補償效果最佳,因而受到廣泛重視。
采用并聯(lián)型APF,其主電路結(jié)構(gòu)如圖6所示,出口處采用LCL濾波器連接電網(wǎng),用于濾除開關(guān)次諧波。采用一種新型的基于直流側(cè)電容電壓控制和電流閉環(huán)反饋控制的算法[8],從瞬時有功和瞬時無功能量在系統(tǒng)中傳遞的角度出發(fā),以調(diào)節(jié)電網(wǎng)有功能量為主要目標(biāo)來對輸入的電流進行控制。
圖6 APF主電路結(jié)構(gòu)
APF的工作原理如圖7所示。指令電流運算電路,一方面為達到消除諧波和補償無功功率的目的,將負載電流iL中的諧波電流iLh和無功電流iLq分離出來,產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號i*c1;另一方面為保持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,采用PI調(diào)節(jié)控制法:將檢測到的電容電壓實際值與給定的參考電壓值相減之差通過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號i*c2,并將i*c2作為實際的補償電流指令值疊加到i*c1上,即:
作為補償電流ic的調(diào)制波信號。通過正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)產(chǎn)生輸出觸發(fā)脈沖,通過驅(qū)動電路驅(qū)動主電路的功率開關(guān),使其創(chuàng)建出補償電流ic來跟蹤指令電流,故ic≈因此電源電流is為:
即電源電流is中只含有基波有功分量iLP。
圖7 APF工作原理
APF研制成功后,在蘇州振吳電爐有限公司投入運行。該公司裝有1臺1 600 kV·A主變,在該公司380 V母線上,安裝了1臺100 kW的中頻爐,及其他無功補償設(shè)備。380 V/220 kV·A的APF安裝在變壓器低壓側(cè),即中頻爐的接入點。針對6脈中頻爐不同階段的波形進行實測,得到補償前后的電流波形(波形由恒河DL750錄波儀測得);將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進行FFT分析,得到補償前后電源側(cè)電流對應(yīng)的頻譜分析圖,如圖(8—13)所示。
圖8中頻爐空載時負載側(cè)和電源側(cè)電流波形
對6脈中頻爐在空載、50%負載、滿載3種不同階段的電源側(cè)電流波形及頻譜分析可知,在未使用APF進行諧波治理前,中頻爐投入運行時,電源側(cè)電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變,諧波電流組成主要為5次,7次,11次,13次諧波電流,諧波畸變率較大。針對中頻爐滿載的典型情況,補償前系統(tǒng)電流的5次,7次,11次,13次諧波含有率明顯超高,尤其5次諧波含有率達到21.49%,7次諧波電流達11.77%。諧波畸變率THD高達27.9%。投入APF進行諧波治理后,5次,7次,11次,13次諧波諧波含有率迅速下降,電流波形接近于正弦波,電能質(zhì)量得到顯著改善。針對中頻爐滿載的典型情況,補償后諧波畸變率THD下降到3.8%,符合國家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn),補償效果良好。
圖9 中頻爐空載時負載側(cè)(THD=110%)和電源側(cè)電流頻譜(THD=10.3%)
圖10中頻爐50%負載時負載側(cè)和電源側(cè)電流波形
圖11 中頻爐50%負載時負載側(cè)(THD=34.3%)和電源側(cè)電流頻譜(THD=5.4%)
圖12中頻爐滿載時負載側(cè)和電源側(cè)電流波形
圖13 中頻爐滿載時負載側(cè)(THD=27.9%)和電源側(cè)電流頻譜(THD=3.8%)
將APF應(yīng)用于6脈中頻爐的諧波治理中,通過對補償前后的諧波情況進行對比與分析,可知電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了顯著改善,其電流畸變率迅速下降,從而降低了中頻爐對電網(wǎng)的諧波污染,并改善了其他用電設(shè)備的運行環(huán)境,為企業(yè)節(jié)約大量電能。因此,APF將在6脈中頻爐的諧波治理上得到廣泛的應(yīng)用。
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