中压变频装置高次谐波并联谐振问题研究及解决

2015-06-26王栩生王耿芳

电气传动 2015年1期

王栩生，王耿芳

（1.宝钢工程技术集团有限公司，上海201900；2.苏州大学机电工程学院，江苏苏州215000）

1 引言

随着集成门极换流晶闸管IGCT（intergrated gate commutated thyristors）的技术逐渐发展成熟，近年中压交-直-交、电压源型变频调速装置在冶金行业大功率传动系统中得到了广泛应用，并逐渐成为目前中大容量（2 000～10 000 kW）轧机传动系统的技术主流。

IGCT是在GTO器件基础上发展起来的新型电力半导体开关器件，具有开关频率高、阻断电压高以及导通损耗低的特点。使用IGCT器件制造的中压变频装置可以全功率4 象限运行，并且输出功率大、控制精度高、结构紧凑。但IGCT变频器产生的高次谐波在特定频率下可能与电网产生并联谐振，使得谐波电压数值超标。

2 高次谐波影响

IGCT器件的开关频率较高，一般可以达到2kHz。此时，变频装置的功率因数可以达到0.97以上，相对于传统交-交变频装置，IGCT变频装置较大幅度地减少了无功冲击和5，7，11，13等低次谐波的发生，很多场合甚至无需设置SVC或滤波装置。

但调制频率高也会带来一定的问题，在某些供电系统中，电缆线路的充电电容与系统阻抗会发生并联谐振，变频装置产生的高次谐波经系统放大，最终导致多次谐波电压和总电压畸变指标超标，影响系统内电气及控制设备的正常运行。此时必须采取针对性的谐波治理手段，减小谐波阻抗、消除谐振点，使谐波电压数值满足限值要求。

本文针对某钢铁厂热轧35 kV供电系统出现并联谐振，多次谐波电压和总电压畸变率超标的实际案例进行深入分析，通过建模计算和原因分析，采取高次谐波滤波措施，有效抑制了系统对高次谐波的放大作用，改善了电网电能质量，取得了较好的效果。

3 谐波计算分析

3.1 系统结构

某热轧厂为35 kV 单母线分段接线，两段母线分别为粗轧机、立辊轧机和精轧机、卷取机的35/3.16 kV整流变压器供电，2路35 kV电源引自上级35 kV总降变电所，系统结构和参数见图1。

图1 热轧35 kV供电系统单线图Fig.1 The diagram of hot-mill 35 kV power system

3.2 初始谐波发生量

项目设计前期，根据变频装置3.16 kV侧谐波电压发生量进行计算（见表1），认为变频装置的功率因数和各次谐波含量均符合国家标准，无需装设滤波装置。以35 kV一段母线为例，计算过程如下。

表1 变频装置1～100次谐波电压发生量UhTab.1 1～100 th order harmonic voltages of frequency converter

3.3 谐波电流计算

变压器阻抗：

式中：ZT为变压器阻抗；UK%为变压器短路阻抗。3.16 kV侧谐波电流：

式中：Uh为3.16 kV侧谐波电压；h为谐波次数；ZT为折算到3.16 kV侧变压器阻抗。

计算出3.16 kV 侧各次谐波电流后，根据国标GB/T14549—1993 按照如下公式，将2 个谐波源的同次谐波电流进行迭加计算：

(4)煤泥回收能力偏低，严重制约重介质选煤生产。主要表现在脱水设备老化，不能及时有效回收浮选精矿，从而制约浮选正常生产，并且由于浮选精煤水分偏高对外销造成了不利影响；尾煤泥不能有效回收，导致循环水浓度增高，从而影响整个洗煤生产。

式中：Ih1为谐波源1的第h次谐波电流；Ih2为谐波源2的第h次谐波电流；Kh为系数，按照表2选取。

表2 Kh取值表Tab.2 The values of Kh

将3.16 kV侧各次谐波电流折算到35 kV侧，如表3 所示。Ih'=Ih×3.16/35（Ih'为35 kV 侧谐波电流，Ih为3.16 kV侧谐波电流）。

表3 变频装置1～100次谐波电流ⅠhTab.3 The 1～100 th order harmonic currents of frequency converter

3.4 谐波电压计算

35 kV侧第h次谐波电压为

式中：ZS为35 kV系统阻抗。

35 kV侧第h次谐波电压含有率：

电压总谐波畸变率：

表4 35 kV侧各次谐波电压和限值Tab.4 The harmonic voltage and limitation value of 35 kV power system

根据表4计算结果认为中压变频装置产生的各次谐波电流、谐波电压指标均满足国标要求。

3.5 仿真计算

在项目安装调试阶段，专业机构对电能质量进行现场测试后，发现35 kV系统多次谐波电压和总电压畸变率超标，与前期计算结果有较大差异。

为找出本项目35 kV系统中多项高次谐波超标的原因，利用Matlab软件进行建模仿真计算，在前次计算的基础上增加考虑了35 kV进线电缆和上级总降变电所的电容补偿装置。35 kV 3次、5次电容器按实际配置参数进行设置，长度为1.6 km的35 kV电缆的充电电容按照0.8 μF（1.6 km，0.5 μF/km）设置。

Matlab计算模型见图2。

通过建模仿真计算，在相同的谐波源发生情况下，考虑进线电缆和上级变电所电容补偿装置后，总降变电所35 kV 1 段的多项谐波电压和总谐波电压含有率超出国标限值。谐波电压仿真计算结果如表5所示。

图2 热轧35 kV供电系统建模Fig.2 The modelling of hot-mill 35 kV power system

从表5可以看出，总降变电所35 kV 1段母线55次、59次、61次谐波电压含有率及电压谐波总畸变率均超出国标要求，与现场电能质量谐波测试数据基本吻合。

为进一步分析高次谐波电压超标的原因，我们对1～100 次频率下的35 kV 系统阻抗进行了计算，阻抗特性（1）见图3。

图3 系统阻抗—频率曲线图（1）Fig.3 The diagram of impedance—frequency characteristic（1）

分析系统阻抗—频率曲线可以发现，总降35 kV系统在57.16次出现并联谐振点，系统阻抗激增至49 584 Ω，并联谐振点附近次数的谐波电流在35 kV 母线上产生了较大的谐波电压，最终造成35 kV 系统的55，59，61 次谐波电压和电压总谐波畸变率超标。

4 解决办法和措施

找出35 kV系统高次谐波电压超标问题的原因后，尝试采用常规的谐波治理手段，消除系统在50 次左右的并联谐振点，以改善电网电能质量，保证系统及设备的安全稳定运行。考虑到35 kV系统已有针对低次谐波的电容补偿兼滤波装置，在热轧厂35 kV 母线上各增设一组容量为3.6 Mvar的17次兼高通滤波器，并重新进行了仿真计算，阻抗特性（2）见图4。