王栩生，王耿芳

（1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201900；2.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215000）

1 引言

隨著集成門極換流晶閘管IGCT（intergrated gate commutated thyristors）的技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，近年中壓交-直-交、電壓源型變頻調(diào)速裝置在冶金行業(yè)大功率傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸成為目前中大容量（2 000～10 000 kW）軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)主流。

IGCT是在GTO器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有開關(guān)頻率高、阻斷電壓高以及導(dǎo)通損耗低的特點(diǎn)。使用IGCT器件制造的中壓變頻裝置可以全功率4 象限運(yùn)行，并且輸出功率大、控制精度高、結(jié)構(gòu)緊湊。但I(xiàn)GCT變頻器產(chǎn)生的高次諧波在特定頻率下可能與電網(wǎng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使得諧波電壓數(shù)值超標(biāo)。

2 高次諧波影響

IGCT器件的開關(guān)頻率較高，一般可以達(dá)到2kHz。此時(shí)，變頻裝置的功率因數(shù)可以達(dá)到0.97以上，相對(duì)于傳統(tǒng)交-交變頻裝置，IGCT變頻裝置較大幅度地減少了無功沖擊和5，7，11，13等低次諧波的發(fā)生，很多場(chǎng)合甚至無需設(shè)置SVC或?yàn)V波裝置。

但調(diào)制頻率高也會(huì)帶來一定的問題，在某些供電系統(tǒng)中，電纜線路的充電電容與系統(tǒng)阻抗會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振，變頻裝置產(chǎn)生的高次諧波經(jīng)系統(tǒng)放大，最終導(dǎo)致多次諧波電壓和總電壓畸變指標(biāo)超標(biāo)，影響系統(tǒng)內(nèi)電氣及控制設(shè)備的正常運(yùn)行。此時(shí)必須采取針對(duì)性的諧波治理手段，減小諧波阻抗、消除諧振點(diǎn)，使諧波電壓數(shù)值滿足限值要求。

本文針對(duì)某鋼鐵廠熱軋35 kV供電系統(tǒng)出現(xiàn)并聯(lián)諧振，多次諧波電壓和總電壓畸變率超標(biāo)的實(shí)際案例進(jìn)行深入分析，通過建模計(jì)算和原因分析，采取高次諧波濾波措施，有效抑制了系統(tǒng)對(duì)高次諧波的放大作用，改善了電網(wǎng)電能質(zhì)量，取得了較好的效果。

3 諧波計(jì)算分析

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某熱軋廠為35 kV 單母線分段接線，兩段母線分別為粗軋機(jī)、立輥軋機(jī)和精軋機(jī)、卷取機(jī)的35/3.16 kV整流變壓器供電，2路35 kV電源引自上級(jí)35 kV總降變電所，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)見圖1。

圖1 熱軋35 kV供電系統(tǒng)單線圖Fig.1 The diagram of hot-mill 35 kV power system

3.2 初始諧波發(fā)生量

項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期，根據(jù)變頻裝置3.16 kV側(cè)諧波電壓發(fā)生量進(jìn)行計(jì)算（見表1），認(rèn)為變頻裝置的功率因數(shù)和各次諧波含量均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，無需裝設(shè)濾波裝置。以35 kV一段母線為例，計(jì)算過程如下。

表1 變頻裝置1～100次諧波電壓發(fā)生量UhTab.1 1～100 th order harmonic voltages of frequency converter

3.3 諧波電流計(jì)算

變壓器阻抗：

式中：ZT為變壓器阻抗；UK%為變壓器短路阻抗。3.16 kV側(cè)諧波電流：

式中：Uh為3.16 kV側(cè)諧波電壓；h為諧波次數(shù)；ZT為折算到3.16 kV側(cè)變壓器阻抗。

計(jì)算出3.16 kV 側(cè)各次諧波電流后，根據(jù)國標(biāo)GB/T14549—1993 按照如下公式，將2 個(gè)諧波源的同次諧波電流進(jìn)行迭加計(jì)算：

(4)煤泥回收能力偏低，嚴(yán)重制約重介質(zhì)選煤生產(chǎn)。主要表現(xiàn)在脫水設(shè)備老化，不能及時(shí)有效回收浮選精礦，從而制約浮選正常生產(chǎn)，并且由于浮選精煤水分偏高對(duì)外銷造成了不利影響；尾煤泥不能有效回收，導(dǎo)致循環(huán)水濃度增高，從而影響整個(gè)洗煤生產(chǎn)。

式中：Ih1為諧波源1的第h次諧波電流；Ih2為諧波源2的第h次諧波電流；Kh為系數(shù)，按照表2選取。

表2 Kh取值表Tab.2 The values of Kh

將3.16 kV側(cè)各次諧波電流折算到35 kV側(cè)，如表3 所示。Ih'=Ih×3.16/35（Ih'為35 kV 側(cè)諧波電流，Ih為3.16 kV側(cè)諧波電流）。

表3 變頻裝置1～100次諧波電流ⅠhTab.3 The 1～100 th order harmonic currents of frequency converter

3.4 諧波電壓計(jì)算

35 kV側(cè)第h次諧波電壓為

式中：ZS為35 kV系統(tǒng)阻抗。

35 kV側(cè)第h次諧波電壓含有率：

電壓總諧波畸變率：

表4 35 kV側(cè)各次諧波電壓和限值Tab.4 The harmonic voltage and limitation value of 35 kV power system

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果認(rèn)為中壓變頻裝置產(chǎn)生的各次諧波電流、諧波電壓指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求。

3.5 仿真計(jì)算

在項(xiàng)目安裝調(diào)試階段，專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)35 kV系統(tǒng)多次諧波電壓和總電壓畸變率超標(biāo)，與前期計(jì)算結(jié)果有較大差異。

為找出本項(xiàng)目35 kV系統(tǒng)中多項(xiàng)高次諧波超標(biāo)的原因，利用Matlab軟件進(jìn)行建模仿真計(jì)算，在前次計(jì)算的基礎(chǔ)上增加考慮了35 kV進(jìn)線電纜和上級(jí)總降變電所的電容補(bǔ)償裝置。35 kV 3次、5次電容器按實(shí)際配置參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，長度為1.6 km的35 kV電纜的充電電容按照0.8 μF（1.6 km，0.5 μF/km）設(shè)置。

Matlab計(jì)算模型見圖2。

通過建模仿真計(jì)算，在相同的諧波源發(fā)生情況下，考慮進(jìn)線電纜和上級(jí)變電所電容補(bǔ)償裝置后，總降變電所35 kV 1 段的多項(xiàng)諧波電壓和總諧波電壓含有率超出國標(biāo)限值。諧波電壓仿真計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖2 熱軋35 kV供電系統(tǒng)建模Fig.2 The modelling of hot-mill 35 kV power system

從表5可以看出，總降變電所35 kV 1段母線55次、59次、61次諧波電壓含有率及電壓諧波總畸變率均超出國標(biāo)要求，與現(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量諧波測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合。

為進(jìn)一步分析高次諧波電壓超標(biāo)的原因，我們對(duì)1～100 次頻率下的35 kV 系統(tǒng)阻抗進(jìn)行了計(jì)算，阻抗特性（1）見圖3。

圖3 系統(tǒng)阻抗—頻率曲線圖（1）Fig.3 The diagram of impedance—frequency characteristic（1）

分析系統(tǒng)阻抗—頻率曲線可以發(fā)現(xiàn)，總降35 kV系統(tǒng)在57.16次出現(xiàn)并聯(lián)諧振點(diǎn)，系統(tǒng)阻抗激增至49 584 Ω，并聯(lián)諧振點(diǎn)附近次數(shù)的諧波電流在35 kV 母線上產(chǎn)生了較大的諧波電壓，最終造成35 kV 系統(tǒng)的55，59，61 次諧波電壓和電壓總諧波畸變率超標(biāo)。

4 解決辦法和措施

找出35 kV系統(tǒng)高次諧波電壓超標(biāo)問題的原因后，嘗試采用常規(guī)的諧波治理手段，消除系統(tǒng)在50 次左右的并聯(lián)諧振點(diǎn)，以改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，保證系統(tǒng)及設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行?？紤]到35 kV系統(tǒng)已有針對(duì)低次諧波的電容補(bǔ)償兼濾波裝置，在熱軋廠35 kV 母線上各增設(shè)一組容量為3.6 Mvar的17次兼高通濾波器，并重新進(jìn)行了仿真計(jì)算，阻抗特性（2）見圖4。

圖4 系統(tǒng)阻抗—頻率曲線圖（2）Fig.4 The diagram of impedance—frequency characteristic（2）

通過阻抗—頻率曲線可以看出，增加17次高通濾波器后，消除了系統(tǒng)在50 次左右的并聯(lián)諧振，35 kV 系統(tǒng)最大阻抗出現(xiàn)在69.52 次，阻抗值減小到178 Ω，大大改善了系統(tǒng)的阻抗特性。增設(shè)高通濾波裝置后，35 kV母線的各次諧波電流、諧波電壓及電壓諧波總畸變率均滿足國標(biāo)要求。

5 結(jié)論

在電纜較長的供電系統(tǒng)，電纜充電電容與系統(tǒng)阻抗可能會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振，中壓變頻裝置產(chǎn)生高次諧波會(huì)被放大，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。

對(duì)于發(fā)生并聯(lián)諧振的情況，針對(duì)諧振點(diǎn)次數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的高次濾波裝置，可以有效地消除諧振點(diǎn)，降低系統(tǒng)高次阻抗，保證各次諧波電流和電壓畸變率滿足國標(biāo)要求。

［1］范承志，孫盾，童梅.電路原理［M］.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］于群，曹娜.MATLAB/Simulink 電力系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］GB/T 14549—1993.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波［S］.國家技術(shù)監(jiān)督局.1993.