冶炼企业的谐波影响及解决方法研究
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摘 要： 针对某水电厂周围冶炼厂直接供电时配电网谐波源的多样性，不确定性等特点，提出采用把混合有源电力器与谐波抑制变压器相结合的综合谐波抑制策略。混合有源电力滤波器具有良好的谐波抑制和无功补偿功能，谐波抑制整流变压器从根本上解决了谐波和无功对整流变压器的影响。仿真结果表明整流变压器网侧绕组电流中谐波含量大大降低；系统谐波和无功损耗大大降低，提高了系统供电效率，实现了节能降耗；同时明显降低谐波在整流变压器中引起的振动和噪音。
关键字： 谐波源； 混合有源电力滤波器； 谐波抑制整流变压器； 综合谐波抑制
中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）07?0141?03
0 引 言
由于现代电力电子技术的快速发展，在化工电解领域越来越多的使用大型整流装置。但是整流系统中的大功率变流装置具有非线性特点，造成整个工业供电系统中谐波含量大，无功损耗严重和运行效率较低。因此，减少谐波和提高功率因素一直是大功率电力电子装置亟需解决的关键问题。目前广泛应用的谐波抑制和无功补偿的方案是安装无源滤波器和无功补偿装置，但是这种方案可能会引起谐振，造成电容器组的损坏；当变流器产生的谐波和无功电流流过变压器时，变压器就承受全部的谐波和无功分量，造成变压器的损耗增加和寿命缩短。
为充分利用水力资源，提高经济效益，一些中小型水电站以低电价供电给金属冶炼和化工为主的高耗能企业，以消耗丰水季节的剩余电能。但由于这些高耗能企业中的电弧炉和大功率电力电子变换装置在生产过程中所产生的谐波给水电站安全运行带来了严重影响。谐波功率不仅会消耗系统和设备本身的无功功率储备，影响到配电网和电气设备的安全、经济运行，还会危及广大用户的正常用电和生产。
针对水电厂周围直接供电的高耗能企业存在的谐波问题，本文提出一种基于有源电力滤波装置的综合谐波抑制策略。该策略利用新型混合有源电力滤波器的准确动态监控及快速补偿，有效抑制谐波和补偿无功电流，从而大大减轻变压器的负担。有源滤波装置把串联谐振注入型有源滤波器和并联型有源滤波器结合在一起，综合这两种有源滤波器的优点，又互相弥补了各自的缺点，使得有源滤波器兼具一定容量的无功静补能力和较小的逆变器容量。本文对该综合谐波抑制策略进行了系统仿真，仿真结果验证了该方案的可行性和有效性。
1 水电厂直接供电周边冶炼厂时谐波的特点及
危害
由于水电厂周围直接供电的高耗能企业很少有对谐波进行处理的装置，这些企业以冶炼厂为主，所以大量的谐波都是由电弧炉和大功率整流装置产生，比如电弧炉产生变化很不规则的谐波。这些谐波对变压器的危害非常严重，如果变压器采用中性点接地的星型接法时，当电网中装有中性点接地的并联电容器组时，可能引起谐波谐振，增加变压器的损耗和降低可靠性；谐波还会使变压器产生振动和噪声增大，长时间运行会给变压器带来严重损耗；另外，谐波电流和谐波电压引起的铜损、杂散损失和铁损增加也不可忽视；谐波还会产生谐波过电压，给变压器的绝缘设备带来损坏；谐波引起的额外损失将导致变压器的基波负载容量下降；这些都将影响到变压器的使用效率和寿命。
电气设备的绝缘等级是由设备采用的绝缘材料中耐热等级最低的材料决定的，电网中的谐波可能会使得各种电器设备的发热严重超过预计水平，使得绝缘材料的寿命大大降低，也就缩短电器设备的使用寿命。
绝缘材料的使用寿命与使用温度的关系式如下：
[t=Ce-αθ]
式中：[C]和[α]为实验决定的常数，[C]=2.717。
上式表明绝缘材料使用寿命随着温度按指数函数下降，如果按试验数据[α]=0.090计算，温度每增高8 ℃，绝缘寿命就将近缩短一半，可知温度对绝缘寿命的影响很大。
系统中谐波电流和谐波电压的出现，还会给系统中的一次和二次设备带来危害，并且干扰设备的正常工作。例如谐波会改变继电保护设备的工作特性，导致继电保护设备的误动作或拒动。此外，谐波还会影响电力系统检测和测量装置的精确度，如电压互感器、电流互感器、电能计量装置等的测量。谐波对继电保护和测量装置的危害严重威胁着电网的安全与经济运行，由谐波引发的事故所造成的损失有时是不可估量的。
2 综合谐波抑制策略研究
目前谐波抑制方法有两种，第一种是对一些大的谐波源进行就地处理，设法减少其谐波输出；第二种是在系统中谐波含量比较大的地方，根据谐波特点，安装有源和无源滤波器。从源头上减少谐波源，比如增加换流装置的相数，换流装置是供电系统主要谐波源之一。理论分析已表明，当脉冲数由P=6增加到P=12时，其特质谐波次数为可以有效的清除幅值较大的低频项，从而大大的降低了谐波电流的有效值。
本文提出在微网中采用把谐波源改造和滤波器特性相结合的策略抑制谐波，在实现谐波抑制的同时获得更好的经济性。
谐波抑制的重点是从谐波源出发，通过科学合理地采用不同材料，选择合适参数，对电力设备进行合理的设计，并提高工艺质量等方法改造产生谐波的谐波源，尽量使其不产生谐波或少产生谐波，同时提高功率因数。
尽量在谐波源附近防止谐波电流的产生，从而有效降低谐波电压和谐波电流。首先根据各谐波源输出谐波的特点，在谐波源附近安装无源滤波器，就地滤除一些频率低，危害大的谐波。然后再在系统中谐波含量大且成分复杂地区安装有源电力滤波器。采取该策略可以大量减少电网谐波，继电保护和自动装置误动和拒动次数大大减少，增强系统的稳定性和安全性。
滤波装置系统如图1 所示，其结构简化图
有源滤波装置的结构简化图
3 仿真与测试结果分析
通过对某水电站运行现场的调研与分析，发现该站变压器线圈异常脆化，机组功率因数低，有套管炸裂事故发生，同时其电能计量装置测量存在不准确等现象，经分析，以上情况为谐波含量超标所引起的。
在某厂直接给周围冶炼厂供电环境下，通过在变压器输出侧安装混合型有源滤波器，把冶炼厂的整流变压器换成谐波抑制变压器后，现场测试结果表明，该策略可以有效抑制谐波和补偿无功功率，提高系统功率因数，降低供电系统损耗；同时降低变压器的振动和噪音，有利于变压器的安全稳定运行和使用寿命的延长；继电保护设备误动大大减小。为了验证所提谐波抑制策略的效果，采用Matlab/Simulink仿真软件进行仿真研究，其电流波形如图3所示。
4 结 语
运用本文所提到的混合型有源电力滤波器可以准确、实时的对谐波和无功功率进行补偿，减少电流中谐波；通过将冶炼厂的变压器更换为谐波抑制的变压器，从源头上消除大量谐波。该方案能有效改善波形，提高电能质量并具有乐观的经济效益，符合配电网实际运行状况，适合实际工程应用。
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