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1、电力系统及其自动化 641 电力系统中小型钢铁企业的谐波及其治理 刘庆珍 徐育福 蔡金锭 福州大学电气工程与自动化学院 福建 福州 350002 【摘 要】 分析了电力系统中钢铁企业谐波产生的特点及其危害，根据钢铁企业谐波源的特点，提出 了有效的适合该类谐波的治理方法；以宁德电网建顺钢业谐波源为例，重点论述了中频炉 谐波源的谐波治理，根据对电网的谐波实测数据进行分析，提出了无源滤波的治理方案， 并在此基础上进行了谐波仿真，仿真结果表明所提出的治理方案是合理的，效果是明显 的。最后对福安建顺有限公司的 35 kV 母线谐波电压以及康西线的谐波电流，分别在系统 全部退出滤波装置和全部投入滤波装置两
2、种工况下进行实际测试，测试结果表明了所提出 的中小型钢铁企业谐波治理方法的有效性。 【关键词】 电力系统 中小型钢铁企业 无源滤波 谐波治理 The Harmonic Elimination of Steel Enterprises Harmonic Wave in Power System Liu Qingzhen Xu Yufu Cai Jinding College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350002，Fujian，China Abstract：The paper analyze
3、s the features and harm of harmonic wave produced from moderate or small steel enterprises in the power system，and proposes the elimination method suitable to this type of harmonic wave according to its features，then taking JianShun Steel Enterprise Harmonic Wave as example，puts forward passive filt
4、ering scheme on the basis of analyzing the practical data. It makes simulation based on measured data of medium frequency furnace.The simulation results show that the control scheme is reasonable. The final practical test is on the bus voltage an Kangxi line current under the two conditions that all
5、 the filtering devices are put into system and all the filtering devices are not put into system. The test results prove the efficiency of the control method. Key words：Power System；Harm of harmonic wave；Passive filtering；Harmonic control 中小型钢铁企业中使用的中频炉、电弧炉等设备是电力系统中的重要谐波源之一。这些设备在运 行过程中产生大量的谐波注入电网，对电
6、网造成严重的谐波污染。随着科技和经济的发展，用户对电 网供电可靠性和电能质量有了更高的要求，因此对电力系统谐波污染的治理已成为电工学科技术所必 须解决的问题。在中小型钢铁企业较多的地区，电网电能质量还有待通过谐波治理来进一步得到提 高。因此深入研究钢铁企业的谐波治理方法和技术在工程中具有重要的现实意义1。 1 中小型钢铁企业谐波源的特点与危害 电力系统中谐波的一个重要来源是用电设备中的变频装置，钢铁企业中的中频炉就是其典型代 基金项目：福建省教育厅科技基金资助（JB05014） 作者简介：刘庆珍（1971） ，女，讲师，博士研究生，研究方向为电力系统无功优化。电话：18559018225，E-
7、mail：lqz515 通信作者：蔡金锭（1954） ，男，博士，教授，研究方向为电气设备智能化故障诊断。电话：13799409062，E-mail：cjd 642 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 表。由于采用了相位控制，谐波成分很复杂，除了含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置 的功率一般较大，随着变频调速的发展，产生的谐波也越来越多。另外，钢铁企业中的电弧炉、电石 炉也是电网中谐波的重要来源。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使 得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。在一 些地区性的中小型钢铁企业中，这
8、种谐波源对电网的影响尤为明显。 谐波对各种电力设备、通信设备及线路都会产生有害的影响，严重时会造成设备的损坏和电力系 统事故。高次谐波对公用电网和其他系统的危害主要有以下几方面：影响供配电系统的运行；增加供 配电系统的附加损失；影响供配电系统设备和用电设备的正常工作；影响电力测量和电能计量的准确 性；对自动控制系统等其他系统的干扰与危害等。 随着现代工业的发展，越来越多的大型钢铁厂企业、矿业、加工业的中频炉和电弧炉的使用以及 大功率电力电子的使用，成为电网的主要谐波源，给电网带来了严重的污染和巨大谐波，并对电力部 门及用户的电能计量产生了影响。 2 电力系统中小型钢铁企业谐波的治理 2.1 相
9、关的技术管理标准 国家对谐波治理已制定了有关技术标准和管理标准，如，GB/T1454993电能质量公用电网谐 波 、GB1232690电能质量电压运行波动和闪变 、 全国供用电规则等。其中电能质量公用电 网谐波规定公用电网谐波电压限值，如表 1 所示，公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分 量有效值不应超过表 2 中规定的允许值2。 表 1 公用电网谐波电压限值 Tab.1 The limit of harmonic voltages for public network 各次谐波电压含有率（%） 标称电压 （kV） 电压总谐波畸变率（%） 奇次 偶次 0.38 5.0 4.0 2.0 1
10、0（6） 4.0 3.2 1.6 35（66） 3.0 2.4 1.2 110 2.0 1.6 0.8 表 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 Tab.2 The injected harmonic current limit of the point of common coupling 谐波次数及谐波电流允许值（A） 标准电压 （kV） 基准短路容量 （MVA） 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0.38 10 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 11 12 9.7 18 8.6 16 7.
11、8 6 100 43 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 7.1 13 6.1 6.8 5.3 10 4.7 9.0 4.3 10 100 26 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3 4.3 7.9 3.7 4.1 3.2 6.0 2.8 5.4 2.6 35 250 15 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8 4.1 3.1 5.6 2.6 4.7 2.2 2.5 1.9 3.6 1.7 3.2 1.5 66 500 16 13 8.1 13 5.4 9.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0 2.3 2.6 2.0 3.8 1
12、.8 3.4 1.6 110 750 12 9.6 6.0 9.6 4.0 6.8 3.0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7 1.7 1.9 1.5 2.8 1.3 2.5 1.2 2.2 谐波的抑制方法 限制谐波的基本原则是：限制谐波源注入电网的谐波电流，把电力系统中的谐波电压控制在允许 电力系统及其自动化 643 的范围内，保证电网供给合格的电能，使接入电网的各种用电设备免受谐波干扰以保证正常工作。 有源滤波器滤波3.4是近几年新兴起来的电力系统滤波技术，它可以为电网提供逆相位的高次谐 波，以抵消非线性负荷所产生的高次谐波。 针对中小型钢铁企业谐波的特点，即主要谐波源是电弧炉和中频炉
13、，该类谐波源通过设计 RLC 无 源滤波器就可以很好地解决。对于电力系统，在高次谐波时设置低阻抗的分流电路，常用无源滤波 器。无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由 L、C、R 元件构成谐振回路，当回路的谐振频率和 某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。常用的滤波电路有单调谐滤波器和高通 滤波器5-8。 3 谐波治理实例及仿真分析 福安建顺铁合金冶炼有限公司负荷主要以中频炉为主，下面就这种谐波源的谐波情况及其高压侧 的治理予以分析。 福安建顺钢铁厂共有 4 台中频炉，供电电源由交流三相电路经整流得到，这种整流在低压侧为 6 脉动，在高压侧为 12 脉动。交流电源经整流再变频为
14、 1 000kHz电源供给炼钢炉，即所谓的交-直-交 方式。低压侧6脉动整流主要产生大量6 1n次等次特征谐波和杂散谐波，12脉动整流主要产生大量 12 1n次等次特征谐波和杂散谐波，其中 n 为自然数。 3.1 谐波现状 谐波的测试在35 kV电源的进线侧进行。在负荷正常时测的电压为35 kV。按照标准，取95% 大 值各次谐波电压含有率（%） ，测试结果如表3所示，得到谐波电压总畸变率为4.8%。已经超过电能 质量公用电网谐波标准规定的35 kV系统电压总谐波畸变率3% 的限值。 表 3 各次谐波电压含有率（%）95% 大值 Tab.3 Each harmonic voltages dis
15、tortion（%）95% maximum value 次 数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 测量值 0.023 0.062 0.034 0.44 0.029 0.4 0.068 0.054 0.049 3.42 0.01 2.45 次 数 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 测量值 0.078 0.24 0.039 0.566 0.088 1.19 0.333 1.16 0.269 1.089 0.091 0.694 谐波电流测试：取95% 大值得到各次谐波电流值（A） ，其中基波电流217A，具体见表4，其中 打*的为超限谐波电
16、流。 表 4 各次谐波电流 95%大值（A） Tab.4 Each harmonic current 95% maximum value（A） 次 数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 测量值 0.6 0.93 0.38 3.95 0.22 2.58 0.38 0.27 0.22 14* 0.03 8.5* 次 数 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 测量值 0.25 0.72 0.11 1.5 0.22 2.82 0.75 2.5* 0.55 2.13 0.17 1.25 由此可见，福安建顺铁合金冶炼有限公司注入系统的谐波电流和35kV母线谐波电压均已超过国 家标准规定的要求。 644 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 3.2 滤波方案设计 以中频炉为主的建顺钢厂超限的谐波主要是5、7、11、13等低次奇次谐波，所以谐波治理方案采 用无源滤波器，通过加装R、L、C串联回路来滤除相应超限次数的谐波。无源加电抗器的滤波方案对 于功率因数比较
