李迎春¹ 常帅²  赵军³刘建春⁴ 洪文瓞⁵  季晓春⁶

（1. 中国汽车工业工程有限公司 天津 300113）

（2.安科瑞电气股份有限公司 上海 201801）

摘要：针对中频炉电能质量的特点，基于电力系统综合计算分析软件（ETAP）进行建模，搭建系统单线图，将现场实测数据录入模型进行潮流计算和谐波仿真分析。提出采用优化的无源滤波治理方案，并进     行仿真验证和现场运行检验，通过与治理前实测值的比较，验证了本文所采用的负荷建模、仿真方法的有效性，对有中频炉的厂矿企业进行电能质量治理有一定的现实指导意义。

关键词： ETAP；中频炉；无源滤波；谐波治理

 0、引言

  在我国冶金行业中，中频炉因具有加热速度快、生产效率高、氧化脱碳少、节省材料与成本、加热均匀、芯表温差小、温控精度高等特点而得到了广泛应用。但是，中频炉是由一系列整流逆变装置组成，相对于供电电源可看作是一个典型的非线性负载，含有大量的谐波成分，且功耗大、功率因数低。由于它产生的大量谐波以及消耗的无功功率会引起电能质量劣化，而各种敏感负载对电网的供电质量又提出了更高的要求，因此对中频炉进行谐波治理已刻不容缓。

  目前，针对于一般的谐波危害，有谐波源治理、安装滤波补偿装置及其他治理方法，而主要采用的是安装滤波补偿装置。本文以某钢铁厂为例，基于电力系统综合计算分析软件（ETAP）分析负荷中频炉对电网的影响，并设计出合理高效的谐波治理方案。

 1、中频炉谐波分析的理论方法

  中频炉电源整流环节有六脉冲、十二脉冲和二十四脉冲等整流电路。每种整流电路的特征谐波的含量和次数都不同，需进行特别处理。单组全桥六脉冲整流电路以其工艺成熟、成本低的特点成为工矿企业普遍使用的类型^[3,4]。

  六脉冲整流电路忽略换相过程和电流脉动，交流侧各相电流在理想条件下可近似地用方波来表示，考虑到电路阻抗压降，电机的输入电压发生畸变。利用傅立叶变换分解谐波电流：

    （1）

  ——整流电路直流侧电流的平均值。

  从（1）式可知，电流中除基波外只含有（为正整数）次谐波，即 5、7、11等各次谐波，这些谐波电流为三相6脉冲桥式整流电路的特征谐波，各次谐波电流有效值与基波有效值的比率为谐波次数的倒数^[5]。

2、案例分析

2.1 ETAP 软件简介及建模

  ETAP（Electrical Transient Analysis Program）是由美国OTI公司（Operation Technology Inc）开发的全图形界面的电力系统仿真分析计算软件。在仿真分析方面，该软件集成了潮流分析、短路计算、暂态稳定分析、谐波分析、可靠性分析等模块，并提供了简便快捷的电力系统模型搭建方式，所有的电力系统参数输入和连线图操作都可以直接在图形界面上完成，显示结果一目了然^[6]。

  本文利用ETAP中潮流分析和谐波分析模块对钢铁厂容量为1000kVA变压器所带中频炉进行仿真，建立起谐波负荷模型^[7]，如图1、图2所示。由于中频炉负荷的不平衡性，母线2的三相谐波电流幅值也将不相等，考虑最严重的情况，取对应次谐波电流幅值最大的一相作为三相谐波电流输入。

图1 中频炉负荷模型

Fig.1 Load model of medium-frequency furnace  

 图2 中频炉参数

  Fig.2 Parameters of medium-frequency furnace

2.2案例背景

  该钢铁厂所使用的中频炉是一种严重的谐波源，其对无功功率的需求拉低了电网功率因数，已严重影响了工厂电网中其它电器设备的正常工作。该钢铁厂各中频炉均由单回10KV电源进线经一台容量为1000kVA、变比为10/0.4kV的变压器供电。中频炉为六脉冲整流装置，额定功率，实际运行时的平均功率，功率因数，主要是5、7、11等次谐波。

2.3谐波分析及其治理方案

2.3.1谐波分析

  试验测量点为变压器二次侧母线，采集若干个测量时间的测量值进行对比分析，选取谐波最严重的某一时间点的数据作为试验数据。

  建立钢铁厂供电系统一次接线单线图（如图１所示），并录入设备所需参数进行仿真分析。该钢铁厂变压器二次侧母线谐波电压畸变率和电压曲线如图3、图4所示，谐波电流值见表1。

图3谐波电压畸变率(2~25次)

Fig.3 Harmonic voltage distortion rate(2~25)

     图4 一个周期的相电压曲线

 Fig.4 A periodic curve of phase voltage

表1谐波电流值(2~25次)

Tab.1 Harmonic current values(2~25)

  从实测数据可知，中频炉运行时功率因数为0.84，所需无功功率为452 kvar。设目标功率因素为0.98，则实际所需无功补偿容量^＝308kvar（为实际运行时的平均功率；为实际功率因数角；为目标功率因数角）。为保证电容器组长期稳定工作，其额定电压可选母线额定电压的1.3倍以上，同时电容器组电压和容量的选取又同与之串联的电抗器有关系。

为避免谐波放大，串联电抗器的电感量应满足下式关系：

  由图3可知，该中频炉所产生的5次、7次、11次的谐波电流值分别为197.1A、117.2A、64.2A；总的电压畸变率达到8.97%，电流畸变率达到19.7%；功率因数为0.84。GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定了各电压等级电网谐波电压限值及谐波电流允许值（见表2、表3），当电网公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量（表3）时，需相应修正谐波电流允许值。由于该钢铁厂的谐波电压畸变率和谐波电流含量已严重超出了国家标准规定的限值，因此必须对其进行治理。

表2 公用电网谐波电压限值（相值）

Tab.2 The harmonic standard of public power network(phase value)

表3 注入公共连接点的谐波电流允许值

Tab.3 The allowable value of the harmonic currents injected into the common connection point