湖南大學畢業(yè)設計(論文)第I頁電弧爐變系統(tǒng)諧波與無功補償方案對比分析摘要近幾年來，隨著煉鋼和冶煉工業(yè)的長足發(fā)展,投入到日常生產當中的電弧爐設備與日俱增,并且其工作容量也不斷增加。由于電弧爐的工作特性以及電弧爐變壓器的影響,電網諧波的污染問題因為電弧爐系統(tǒng)變得越來越嚴重的,也同時對電能質量造成了不良影響,對電弧爐系統(tǒng)的諧波治理己經刻不容緩。本文首先介紹電網諧波是如何產生的，以及它對電網系統(tǒng)帶來的危害,還講述了通常所用的治理諧波的方法和國家諧波標準。以電弧爐變系統(tǒng)諧波治理為研究目的，結合實際電弧爐系統(tǒng)的諧波測量數據，采用PSCAD軟件研究并建立了電弧爐系統(tǒng)的電氣等效模型。然后對單調協(xié)濾波器的設計方法、工作原理進行了研究分析，并根據實際工程運算經驗，對實際電弧爐系統(tǒng)設計出了適合該系統(tǒng)的濾波方案,并對其抑制效果進行了仿真。經過諧波治理，使電能質量得到改善，提升了經濟效益，同時能有效抑制諧波，補償無功。關鍵詞:諧波;濾波器;電氣模型;電弧爐湖南大學畢業(yè)設計(論文)第I頁AbstractInthepastfewyears,withthehighspeeddevelopmentofsmeltingandsteelindustriesintodailyproductionofelectricarcfurnacegrowingandthecapacityisincreasing.

Duetothecharacteristicsofelectricarcfurnaceandelectricarcfurnacetransformer,harmonicpollutionproblemsbecausetheelectricarcfurnace(EAF)systembecomesmoreandmoreseriousandofpowercanqualitycausedbytheadverseeffects,thesystemofelectricarcfurnaceharmonicgovernancehasbeenurgent.Inthispaper,wefirstintroduceharmonicsinelectricpowersystemishowtogenerate,andtheharmwhichtheharmonicsbringstothepowersystem,butalsoaboutthecommonlymethodofharmonicsuppressionandnationalstandardsofharmonics.

Witharcfurnacevariablesystemharmoniccontrolforthepurposeofthestudy,combinedwiththeactualarcfurnacesystemharmonicmeasurementdata,andtheestablishmentoftheequivalentelectricalmodelofthearcfurnacesystemusingPSCADsoftwareresearch.

Thenofmonotoneassociationfilterdesignmethodandworkprinciplewereanalysis,andaccordingtothepracticaloperationexperienceforthedesignoftheactualarcfurnacesystemthefilteringschemeforthesystemandtheinhibitoryeffectofsimulation.

Bymeansof

harmoniccontrol,wecanimprovetheelectricquality,improveeconomicefficiency,alsocansuppresstheharmonicandcompensatingreactivepower.Keywords:harmonic;filter;Electricmodel;Electricarcfurnace目錄TOC\o"1-3"\u第一章緒論 11.1電力系統(tǒng)的諧波 11.1.1電力系統(tǒng)諧波的危害 11.1.2電力系統(tǒng)中導致諧波產生的原因 21.1.3電力系統(tǒng)諧波標準及治理的方法 21.2EAF系統(tǒng)諧波研究的現(xiàn)狀及論文主要任務 31.2.1EAF系統(tǒng)諧波研究的現(xiàn)狀 31.2.2論文主要任務 5第二章電弧爐系統(tǒng)電氣模型 62.1電弧爐諧波產生及其影響 62.1.1電弧爐的工作特性 62.1.2電弧爐對電力系統(tǒng)影響 72.2電弧爐系統(tǒng)的電氣模型 72.3電弧爐模型 82.3.1基于能量平衡關系的電弧爐負荷模型 82.3.2電弧爐系統(tǒng)的狀態(tài)方程 112.3.3電弧爐系統(tǒng)模型仿真 13第三章濾波器的設計和仿真 153.1單調諧濾波器的設計 153.1.1單調諧濾波器工作原理 153.1.2參數的確定 163.2.3單調諧濾波器等效頻率失諧度 18第四章電弧爐變系統(tǒng)仿真 194.1濾波方案的選擇 194.1.1高壓集中補償 194.1.2低壓集中補償 194.1.3爐前低壓補償 204.2電弧爐變系統(tǒng)加裝濾波器仿真 20湖南大學畢業(yè)設計(論文)第II頁4.2.1爐前低壓補償 204.2.2低壓集中補償方案 224.2.3高壓集中補償方案 254.3綜合分析 27結論 28致謝 30參考文獻 31附錄 32湖南大學畢業(yè)設計(論文)第1頁第一章緒論本章首先論述了電力系統(tǒng)中諧波產生的來源，以及諧波污染對電力系統(tǒng)和用電設備造成的危害,然后再對電弧爐諧波產生的原因和電弧爐工作時的特點進行深入探討,并且初步介紹了有關電弧爐諧波研究現(xiàn)狀,最后講述的是本論文的主要任務，明確課題研究方向。1.1電力系統(tǒng)的諧波在理想情況下，交流電力系統(tǒng)中,向電網供電的電源是以額定電壓和額定頻率工作的正弦波,電源的電壓和電流之間存在著一定的相位差和幅值差,但是他們都是按照統(tǒng)一額定頻率變化的正弦量。系統(tǒng)中每一點的電壓和電流都也是按照單一恒定頻率隨時間變化的正弦量。由于近幾年電力電子技術的不斷發(fā)展,大量的電力電子變換裝置在電力系統(tǒng)中得到了應用，特別是由電力電子器件構成的整流或逆變回路,它的通斷可改變電流波形，以及電網中各種非線性負荷比重的增加,引起電力系統(tǒng)中的電壓和電流發(fā)生波形畸變。通常，畸變是周期性的，當我們從頻域的角度來分析時,會發(fā)現(xiàn)在這些周期性畸變的電壓和電流波形中,不僅僅含有與電力系統(tǒng)電源一樣按額定頻率變化頻率的正弦量,而且還會出現(xiàn)許多為基波頻率整數倍或分數倍的正弦分量,我們把這一系列分量稱之為諧波[1]。1.1.1電力系統(tǒng)諧波的危害當非線性用電設備以及各類負載在供電網供給額定頻率基波正弦能量之時,由于它們的非線性關系，在傳遞、變換、吸收能量過程中，將其部分額定頻率基波正弦能量轉變成高次諧波能量,并通過導線向系統(tǒng)流入大量高次諧波,導致電網的額定頻率正弦波形發(fā)生畸變,供電質量降低。其危害主要表現(xiàn)在以下幾點[2]:(1)導致部分電力元件過載，甚至燒壞，影響正常工作;(2)增加線路損耗,縮短線路壽命。(3)對通訊等電子設備產生干擾;(4)變壓器損耗增加，發(fā)熱，同時減低變壓器容量;(5)造成繼電保護裝置和自動控制裝置工作混亂;(6)增加旋轉電機的損耗;(7)影響電力參數的測量;(8)延緩電弧熄滅時間等等;1.1.2電力系統(tǒng)中導致諧波產生的原因發(fā)電質量不高產生的諧波、輸配電系統(tǒng)產生的諧波、用電設備產生的諧波是電網諧波的主要三個來源。其中數用電設備產生的諧波最多：①通常發(fā)電機的三相繞組在做工上，做到絕對對稱幾乎是不可能的,鐵芯的材質上，也很難作到每一處都是均勻的，再加上一些其他原因,發(fā)電機工作時或多或少會產生一系列諧波,產生的諧波電動勢幅值和頻率的大小與負荷無太大關系，而只與發(fā)電機自身的工作狀況和本身結構相關,，因此，這種諧波含量較少。②電網中的電力變壓器是引起輸電中和配電系統(tǒng)產生的諧波的首要原因,這是因為變壓器鐵芯工作磁密工作在磁化曲線的近飽和段，而這又是因為在變壓器設計之初，必須充分的考慮電網運行的經濟效益等因素；所以，在能量交換的過程中，由于鐵芯工作的磁化曲線為非線性，導致磁化電流呈現(xiàn)尖頂狀波形，而非正弦波形,因此含有高次諧波。③與電網系統(tǒng)相連的各式各樣非線性負荷是設備產生諧波的主要原因，同時也是電網諧波的主要來源[3]。這些非線性負荷主要是電力電子設備，比如類似于整流器、調壓器以及變頻器等。另外,冶煉和煉鋼工業(yè)所用的電弧爐也是產生大量諧波的諧波源,由于它在給電弧爐加裝爐料時，因為爐料外形大小不對稱，電爐三相電極同時接觸到爐料表面是很難做到的,這就導致了電弧爐燃燒不穩(wěn)定,產生三相負荷不平衡,從而產大量諧波電流，其中，以2到7次諧波為主。1.1.3電力系統(tǒng)諧波標準及治理的方法①公用電網諧波標準隨著工業(yè)的發(fā)展，諧波和無功補償問題也日趨嚴重，因此，近幾年來，無論對于電力企業(yè)還是電力用戶都對此給予了高度關注。由于公用電網中的諧波電流和諧波電壓帶來的嚴重后果，為了確保電能質量,防止諧波帶來的各種危害。于是，國家通過制定了各項標準,對供電系統(tǒng)和用電設備及負載產生的諧波進行限制，期間，中華人民共和國國家標準GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》[4]在1993年由國家技術監(jiān)督局頒布，并從1994年3月1日開始實施。這個標準不僅規(guī)定了測試電網諧波的方法，還規(guī)定了用戶流入電網的諧波允許值，從而達到降低電力系統(tǒng)諧波電壓，限制諧波電流的目的。它不僅可以保證電網的安全經濟運行,也是一種解決用戶與電網之向由于諧波污染而產生電磁兼容問題的必要合理手段。②為防止諧波污染，保證供電質量，用戶和電網企業(yè)必須采取相應措施來抑制供電系統(tǒng)中的高次諧波。對電力系統(tǒng)高次諧波進行治理,通常有兩種解決思路,第一個是在電網內部采取抑制補償措施,第二個是抑制諧波源本身,其具體措施有:(1)裝設無源濾波器，利用它在設計次數諧波下的低阻特性,吸收諧波源該次諧波電流,減小系統(tǒng)的諧波電壓畸變率;(2)裝設有源濾波器，對于幅值大小和頻率不同的諧波能起到跟蹤補償的效果,抵消非線性負荷中相應的諧波電流;(3)可以通過適當增加整流器的脈動數達到改善諧波特性;(4)選擇合適的電壓等級從而在一定程度上改善供電環(huán)境。1.2EAF系統(tǒng)諧波研究的現(xiàn)狀及論文主要任務1.2.1EAF系統(tǒng)諧波研究的現(xiàn)狀人們早在20世紀20年代和30年代就發(fā)現(xiàn)到了電力系統(tǒng)中存在一系列諧波污染、無功不足的問題。而從60年代至今人們主要探討關于各種諧波源的特點，諧波分析方法，諧波測量方法,諧波的危害，諧波的限制,諧波的標準，設備及負載的諧波阻抗特性等。在1980年,Dugan第一次通過分段線性化電弧爐模型對EAF系統(tǒng)進行諧波含量分析,并與測量結果進行了對比。九十年代初,C.Gllker等人通過將電弧爐作為諧波電壓源進行相關諧波含量分析。其后,又有J.G.Mayordomo等人對三相對稱EAF系統(tǒng)采用了頻域電弧爐模型分析方法進行研究。他們都是通過分析等效替代模型，將復雜的三相電弧爐系統(tǒng)等效為一個簡單的諧波源系統(tǒng)，便于分析系統(tǒng)的諧波,諧波功率和系統(tǒng)阻抗效應系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在分析諧波的各類方法中,我們常常采用頻率掃描法，因為它是是最簡單和最常見的,對于每一個復雜的諧波網絡中,我們可以通過用電流源代替非線性組件的思路,計算其等效網絡方程，來獲得所有節(jié)點各次波電壓響應。該算法簡單，需要的數據相對較少,對許多非線性組件有更多良好的替代效果。但使用這種方法的前提是系統(tǒng)供電側電壓沒有失真,或非線性組件諧波電流隨電壓的影響變化并不大。本文也將以頻率掃描法為基礎對電弧爐變系統(tǒng)諧波抑制與無功補償進行研究分析。在電力系統(tǒng)中加入諧波補償裝置是抑制諧波的基本思想，得到廣泛應用的傳統(tǒng)方法是使用L-C調諧濾波器,這種方法不僅可以對電網系統(tǒng)進行無功功率補償,并且能抑制減少電網諧波,并且結構簡單,成本較低。但該方法的主要缺點是若設計不當，就容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,造成嚴重后果,使得濾波器工作功率過大甚至過熱損壞，并且其運行狀態(tài)以及電網阻抗會影響到它的補償特性,此外,它僅僅只抑制恒定頻率的諧波,并且補償作用一般不能達到理想設計效果。因此,用有源濾波器解決諧波污染、無功功率補償和提高功率因數的方案日益受到人們的關注，這種濾波器通過自身補償設備，產生與從電網中檢測到的諧波電流大小相等極性相反的補償電流，進而抵消諧波源產生的諧波電流；它不僅能跟蹤補償不斷變化的諧波，還能對多個諧波源進行綜合治理，使電網電流中只含有基波分量。但這種方法存在成本昂貴，開關器件電壓等級要求較高，并且在實際應用中安全系數低等一系列缺點。于是，有人在有源濾波器和無源濾波器基礎上提出的混合型有源濾波器HAPF[5]，通過適當的控制系統(tǒng)，讓濾波裝置具有上述兩種濾波器的優(yōu)點，使其無源濾波器的部分負責補償負荷的基波無功功率，確保功率平衡，電壓穩(wěn)定；有源濾波器部分負責提供負荷的諧波電流，減少諧波污染。這種濾波器可以降低諧波補償系統(tǒng)的投資成本、獲得較髙的性價比。1.2.2論文主要任務本文是以頻率掃描方法為基礎，以電爐變壓器諧波治理為研究對象，對幾種諧波抑制方法進行仿真分析，并對結果進行對比，對實際電弧爐系統(tǒng)的建立有著實際指導意義。本文的研究工作主要由3個方面：電弧爐模型以及諧波分析，濾波器設計與分析，電弧爐變系統(tǒng)諧波抑制方案分析對比。（1）電弧爐系統(tǒng)諧波分析是一項復雜的工程，目前，有許多有實際意義的分析方法。本文將根據電弧爐特性和等效原理對電弧爐系統(tǒng)進行建模，并采用實際系統(tǒng)測量數據進行仿真分析。（2）針對電弧爐所產生的大量諧波電流，本文將設計出相應的單調諧濾波器，既抑制相應諧波，還能補償系統(tǒng)無功功率。（3）本文結合工程實際，提出幾種電弧爐變系統(tǒng)諧波抑制方案，將對應的濾波裝置加入到仿真模型當中進行仿真分析。第二章電弧爐系統(tǒng)電氣模型2.1電弧爐諧波產生及其影響隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代大型煉鋼電弧爐具有功率高,容量大,功率因數低,無功負荷波動大且容易劇變的特點,它們是電網中主要耗電設備，對電網起著主要影響作用，它也是有害的高次諧波電流的主要來源,容易造成三相負荷嚴重不平衡，從而導致負序電流的產生，對電網有著非常不利的影響,降低了電能質量,危及電網和其他用戶的用電安全,也影響電弧爐自身的生產,增大電極消耗和用電量,從而成為產生電網的諧波的主要原因。2.1.1電弧爐的工作特性電弧爐是通過交流電弧，產生大量熱能，達到熔化金屬的目的。電弧爐在工作時，在專門的電極和爐料之間會產生電弧，爐料在電弧的作用下逐漸熔化，電弧具有溫度高，不穩(wěn)定等特點。電弧爐的煉鋼過程通常分為三個階段[6]。①熔化期:期間輸入功率不斷波動，并短時間內有多次電流沖擊。電弧剛形成時，由于電弧不穩(wěn)定燃燒、受力不一致等問題，電弧電流的有效值大小和波形的隨機性很大。然后，部分爐料熔化，爐料變形，電極發(fā)生短路，并產生多達上百次的電流沖擊。由于電弧爐三相相互耦合,當其中一相短路后，其它相也會產生不該出現(xiàn)的調節(jié)過程。結果使得電流波動更加顯著,以及短路時間加長。后期當爐料全部熔化,電弧電流才進入比較穩(wěn)定的狀態(tài)。②氧化期:由于爐料的強烈沸騰,造成電弧燃燒不穩(wěn)定，弧長發(fā)生周期性、擬周期性的變化，也使電流產生波動。簡單的調節(jié)方法無法對這種不規(guī)則波動起到調節(jié)作用,甚至處理不當還會加劇其波動,導致連續(xù)性的電壓閃變與波動。③還原期:電弧較穩(wěn)定，弧長較長，功率相對穩(wěn)定，電壓波動也不是很大,諧波問題沒還原期和氧化期嚴重。2.1.2電弧爐對電力系統(tǒng)影響從電網的角度看,電弧爐對于電網幾乎是一個隨機負荷,隨著電弧爐數量和容量的不斷增加，電弧爐帶來的不良影響也愈發(fā)明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[7]：（1）電網中大量諧波電流導致電網的電壓發(fā)生畸變。（2）電網中電壓產生大量負序分量，影響電力系統(tǒng)設備運行，甚至損壞，還會使繼電保護裝置誤動。（3）功率因數低，感性無功大，導致電壓水平降低，增加無功損耗，必須采取無功補償措施把負荷功率因數提高到0.9以上。（4）可能會引起發(fā)電機振動、轉子軸系產生曲扭、鐵芯產生附加損耗,引起局部過熱等不良影響;增加了網損;影響冶煉質量和效益。2.2電弧爐系統(tǒng)的電氣模型對于電弧爐在電力系統(tǒng)中的特殊地位，進行與實際相接近的仿真分析是十分有必要的。在電弧爐安裝、擴容前，通過仿真結果分析，將有助于確定其最佳容量、運行工況和制定有效的補償方案。對于電弧爐運行中產生的過電壓和諧波引起的一系列故障，也可以通過仿真分析找到原因，采取相應措施。而在對電弧爐變系統(tǒng)仿真分析之前，電弧爐變系統(tǒng)的數學模型又是研究的必要前提條件，沒有這個前提條件，將無法建立相應的電弧爐變系統(tǒng)模型。本章將討論電弧爐變系統(tǒng)模型的建立，并對其諧波含量進行仿真，并與實際系統(tǒng)相比較。以安裝在變電站35kv母線上的電弧爐系統(tǒng)為例。如圖2.1是電弧爐變壓器系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。其中省略了供電側、變電站和電弧爐結構圖，F(xiàn)T表示電弧爐變壓器，R和X為電弧爐變壓器至電弧爐的短網電抗。圖2.1電弧爐變壓器系統(tǒng)2.3電弧爐模型對于電弧爐模型而言，關鍵在于確定其電弧模型；目前電弧爐有很多種數學模型，較多的是把它分為時域模型和頻域模型。本文將運用PSCAD軟件對電弧爐產生的諧波進行仿真。而PSCAD中的電弧爐負荷模型，常采用基于能量平衡關系的電弧爐負荷模型[8]。2.3.1基于能量平衡關系的電弧爐負荷模型①電弧的微分方程電弧功率平衡方程為：p1式中，p1是將熱能傳播到環(huán)境中的功率，隨電弧內能的增加影響電弧半徑的功率為p2，若假定其冷卻的效果與其他因素無關，只和電弧半徑r有關，則得：p1實際中，電弧的溫度還與它有關，但是其關聯(lián)性通常不是很明顯，因而可以忽略不計。所以，當把電弧半徑r，作為其狀態(tài)變量。并且電弧的周圍環(huán)境溫度很高，則電弧的冷卻將徹底無關于與弧半徑，此時，n=0。若非這種條件，而是電弧弧長較長，則電弧的側表面將成為熱量釋放的主要區(qū)域，則n=l。反之，若電弧很短，冷卻就效果將正比于與電極的橫截面積，這時n=2。p2正比于電弧內能的導數，且這個能量與rp2=假設弧柱電阻率與rmp3m=0，1，2，內部溫度隨電弧半徑的增加而增加。將式(2.2)～(2.4)代入(2.1)，于是我們可得到電弧它的微分方程如下：k1r電弧兩端的電壓為：v=k②靜態(tài)電弧的模型在穩(wěn)態(tài)的情況下，式(2.5)可變?yōu)椋簉=c?i式中，設定常數C。于是式(2.6)可變?yōu)椋簐=ki式中q=m+2-nm+2+n表2.1q與m，n值的對應表nm012011111/31/23/5201/51/3當m=0，1，2時，q可從上表2.1中查到。冷卻條件是影響靜態(tài)電弧的特性的主要有關因素，而電弧電阻率對靜態(tài)電弧特性的影響并不大。q值也不會隨m值有明顯變化，它與n有如下關系：（1）如果n=0，q=1，即v=k（2）如果n=1,q=1/2，即v=k/i（3）如果n=2，v為常數。③電流波形、電弧電壓與V-I特性曲線一般理論上的電弧爐電弧電流波形如圖2.2（a）所示，電弧電壓的波形如圖2.2（b）所示。··Iarc2001000-100-200（a）電弧電流波形0.300.200.000.300.200.00-0.10-0.20-0.300.1000.1200.1400.1600.1800.200·Varc圖2.2電弧爐的電弧電流波形和電壓波形且圖2.3給出了電弧爐的V—I特性曲線，Y軸為電弧電壓，X軸為電弧電流。電弧電流與電弧電壓的對應關系我們用V—I特性曲線表示，我們可以認為這種對應關系是電弧的動態(tài)阻抗特性。uuio圖2.3弧爐的V-I特性曲線2.3.2電弧爐系統(tǒng)的狀態(tài)方程電弧爐電氣系統(tǒng)通常由高壓配電系統(tǒng)、短網、電弧爐以及電弧爐變壓器組成[9]。由電路戴維南電路理論可知，任何一個有源線性網絡可簡化為一個電壓源和一個阻抗串聯(lián)的等效電路，與負載特性無關。而將EAF系統(tǒng)折算到變壓器低壓側后，高壓配電系統(tǒng)、電弧爐變壓器、短網的三相參數基本一致，折算后的等效電路如圖2.4所示，忽略無功補償電容的作用和變壓器勵磁回路影響。RR1L1R2L2iaRaea+―R1L1R2L2ibRbeb+―R1L1R2L2icRcec+―M圖2.4電弧爐的等效電路圖中，R1、L1表示變壓器低壓側看出去每相電路的等效電阻和電感；R2、L2代表短網中每一相等效電感和電阻；可令R=R1+R2按等效電路圖，由基爾霍夫定率可寫出等效電路的電路方程：R+R由式（1）消去icR+Ra化簡后得狀態(tài)方程：d+1式（2.12）為電弧爐等效電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程。若電弧爐三相對稱，其單相等效電路如圖2.5，通過基爾霍夫定率可寫出電路方程：ea=eea+―RLia圖2.5電弧爐單相等效電路其電氣系統(tǒng)狀態(tài)方程為：diadt若考慮無功補償電容作用，其單相等效電路為圖2.6.由基爾霍夫定理可得電路方程：ea化簡后可得微分方程：eaeea+―R1L1iUc+―R1L1iaRa圖2.6考慮無功補償電容作用時單相等效電路圖對于上述方程，可以知道只要確定了電弧電阻隨時間變化關系，就能運用狀態(tài)方程求解，得到等效電路中每點的電壓、電流等。2.3.3電弧爐系統(tǒng)模型仿真根據電弧爐特性，運用PSCAD軟件和頻率掃描法建立系統(tǒng)仿真模型如圖2.7，其電弧爐負荷等效模型相當于不同頻率電流源與等效電阻并聯(lián)，整體相當于一個諧波源（可見附錄A）。并可根據實際測量數據設定其各次諧波電流源大小、相位、等效電阻大小以及電弧爐功率因數。圖2.7電弧爐仿真模型通過PSCAD仿真運行，得出相應的電流和電壓波形如下圖2.8所示：（a）電流仿真波形（b）電壓仿真波形圖2.8電流電壓仿真波形從圖中可以看出電壓波形和電流波形與有關文獻給出的一般電弧爐相應的波形基本一致，這說明此等效模型能夠反映出電弧爐的一些基本特征。第三章濾波器的設計和仿真針對電弧爐系統(tǒng)的工作特性以及其諧波污染帶來的嚴重后果，采取相應的諧波抑制和無功補償是十分有必要的。諧波抑制裝置有很多種，本章將著重探討單調諧濾波器，分析其設計原理、參數確定。3.1單調諧濾波器的設計單調諧濾波器的結構具有簡單容易實現(xiàn)的特點,但如果各項參數設置不當,會造成系統(tǒng)無功功率過多補償、經濟效益差和技術指標得不到滿足等后果,甚至可能導致電網系統(tǒng)與其發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振。所以，對于其參數的設定，必須充分考慮經濟因素、技術指標以及各單調諧濾波器之間的相互作用。進一步考慮到電力系統(tǒng)中系統(tǒng)投切方式和頻率的波動的變化，以及單調諧濾波器瞬時開斷而導致的沖擊電流的作用,將會促進電網中的諧波放大,可能導致某次濾波器溫度過高而燒毀，若不及時處理甚至會導致整個濾波裝置自身難以投入或切開的嚴重后果。所以,在設計單調諧濾波器時,應足夠的考慮到選擇單調諧濾波器參數的各種因素，這對電力系統(tǒng)安全和自身器件的保護具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。單調諧濾波器是無源濾波器中最早應用于電力系統(tǒng)的諧波抑制的裝置,它既可以抑制諧波，保護電網運行，還可以進行無功補償,而且由于它結構相對簡單、功能易于實現(xiàn)、容量大、造價低等因素，在我國的大型煉鋼企業(yè)得到廣泛應用,是目前抑制諧波的主要處理方法。所以對其設計過程的研究分析具有重大的現(xiàn)實意義。3.1.1單調諧濾波器工作原理單調諧濾波器通常的基本構成思想是運用串聯(lián)L、C諧振[10]，常常采用R-L-C型排列；電路結構圖和頻率阻抗特性如圖3.1所示。RRn=Z圖3.1單調諧濾波器電路圖和頻率阻抗特性則當角頻率為ωnZ?式中ω1=2π?1=100πn則濾波器的電抗為Z?n=R?n3.1.2參數的確定單調諧濾波器中所要確定的參數有：電感L，電容C，電阻R，流過電感的額定電流ICN，流過電阻的額定電流IRN，額定容量QCN首先根據每個濾波裝置所要補償的無功容量求電容C，在n次諧波頻率調諧的單調諧濾波器電抗器和電容器關系為:nω1由于系統(tǒng)諧波電壓在可以忽略不計的較小范圍內波動，即可理解為電力系統(tǒng)母線中的電壓僅僅只含基波分量U(1)。這樣，濾波裝置不僅流過由U(1)引起的基波電流I(1)外，還會流過n次諧波電流II(1)=則濾波裝置的補償容量，也就是我們說的基波無功容量為:QC(n)其中，按照分配的無功補償容量值，由已知的補償容量Q1C=Q式中QC(n)為分配到n次單調諧濾波器的無功補償容量；n是諧振次數；U(1)為額定線電壓；則可以根據諧振頻率求電感LL=1(n設定濾波器的品質因數為q，則有：q=nω可以看出，頻帶隨品質因數q的減小而增加，綜合考慮濾波效果和損耗，通常，我們把q值選擇在30～60范圍內。因此可求出濾波器電阻值為：R?n我們可以通過外加串聯(lián)電阻的方式補償電感內部所含電阻r的不足。外加電阻值與電感器本身的品質因數qLR=R?n則電容器的額定電壓1.1U則電容器的安裝容量QCN=參考校核：電容平衡等式為：1.35QCN電流平衡為：IC13.2.3單調諧濾波器等效頻率失諧度在實際系統(tǒng)運行中，額定工頻ω1與工頻角頻率ω綜合考慮系統(tǒng)阻抗和各濾波回路之間的作用因素,通常濾波器的諧振頻率選擇偏小于計算頻率。根據工程設計經驗,取諧振點n0第四章電弧爐變系統(tǒng)仿真通過上述幾章分析計算后，本章將根據所得數據，運用PSCAD軟件進行仿真，測試計算所得單調諧濾波器抑制諧波效果，并對幾個濾波方案進行對比分析。4.1濾波方案的選擇濾波方案有很多，本文選擇以電爐變壓器諧波治理為研究對象，提出幾種與實際相結合的解決方案，希望經過治理，抑制諧波，提高電能質量，同時補償無功，降低電能損耗，節(jié)約電能，改善整個電網電磁環(huán)境。電爐變壓器諧波治理與無功補償一般采用電容器高壓側補償或在爐前進行低壓補償這兩種方式。以本文16.5MVA電爐變系統(tǒng)為例，分為高壓側補償、低壓集中補償、爐前低壓補償[11]。4.1.1高壓集中補償高壓集中補償是將濾波器安裝在變電所（開關站）的35KV母線上，這種補償方法只能補償母線電源側（高壓側）線路的無功功率，而對變壓器以及變壓器負荷側的無功就要采取其他補充方案。4.1.2低壓集中補償這里的低壓集中補償，是將濾波裝置安裝在電弧爐變壓器的低壓出線端短網上，這種補償裝置較高壓補償擴大補償范圍至變壓器的二次出線端，可以對變電所母線至變壓器之間的線路和電弧爐變壓器進行無功補償。這種補償裝置補償范圍擴大，對改善電能質量起到了一定作用，但是目前常用的方法是將電爐變的二次低壓通過升壓到上一級電壓再加裝濾波裝置，也就是本文例案的10kv側補償。這種補償方式需要將原有的雙繞組變壓器替換成三繞組變壓器，增加了成本以及維修工作量，而且電爐變壓器低壓側電壓雖然很低，但是電流確實高壓側的好幾倍，從變壓器低壓側出線端至電爐電極短網的感抗很大，導致電壓降高達20伏以上，無功損耗也就占了很大的比例，而且這一段未在低壓集中補償范圍內。4.1.3爐前低壓補償爐前低壓補償是將濾波裝置安裝在短網和電爐電極之間，它可以補償電爐前所有高低壓線路和變壓器的無功電壓降，它的補償范圍最大，效果好，是電弧爐無功補償的優(yōu)選方案。4.2電弧爐變系統(tǒng)加裝濾波器仿真4.2.1爐前低壓補償如下圖4.1圖4.1爐前低壓補償參數設置①變壓器參數額定容量：16.5MVA額定電壓：35kV/140V短路阻抗：HV-LV6.48%空載損耗：0.005pu銅耗：0.10pu②140V側每相諧波電流源和短網阻抗的設置如表4.1，電弧爐功率因數為0.72表4.1電流源和短網阻抗參數短網阻抗（標么值）諧波次數電流值(A)R+jX1567570.0052+j0.007232310459651100③根據第三章，將系統(tǒng)功率因數補償至0.92，計算所得濾波裝置參數如表4.2表4.2濾波器參數濾波器3次4次5次L=0.011ml*1.05C=106103ufL=0.00596ml*1.05C=106103ufL=0.00381ml*1.05C=106103uf仿真結果分析①35kV側諧波電流測量數據如表4.3表4.3電流測量數據諧波次數不投濾波裝置雙繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器雙繞組電爐變+傳統(tǒng)全調諧濾波器20A0A0A30A0A0A44.7633A2.6333A0A58.7897A3.42341A0.19838A②電爐變損耗對比如表4.4表4.4變壓器損耗運行工況變壓器損耗(MW)不投濾波裝置0.6579雙繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器0.6373雙繞組電爐變+傳統(tǒng)全調諧濾波器0.6372③電壓波動如表4.5表4.5電壓波動測量位置運行工況電壓波動(V)35kV側不投濾波裝置-57.2雙繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器-40.3雙繞組電爐變+傳統(tǒng)全調諧濾波器-低壓集中補償方案如圖4.2圖4.2低壓集中補償參數設置①變壓器參數額定容量：16.5MVA額定電壓：110kV/10kV/145V短路阻抗：HV-MV6.5%,HV-LV10.5%,MV-LV4%空載損耗：0.005pu銅耗：0.10pu②145V側每相諧波電流源和短網阻抗的設置如表4.6，電弧爐功率因數為0.7表4.6電流源和短網阻抗參數短網阻抗諧波次數電流值(A)R+jX1491890.0052+j0.007532500462051150 ③將系統(tǒng)功率因數補償至0.95，計算所得濾波裝置參數如表4.7表4.7濾波器參數濾波器3次4次5次L=8.6*1.05C=130.991L=5.12*1.05C=123.909L=4.05*1.05C=100.452仿真結果分析①110kV側諧波電流測量數據如表4.8表4.8電流測量數據諧波次數不投濾波裝置感應濾波型三繞組電爐變+iFC三繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器20A0A0A30A0A0A41.6328A0.2002A0.3401A53.028A0.3011A0.4768A②電爐變損耗對比如表4.9表4.9變壓器損耗運行工況變壓器損耗(MW)不投濾波裝置0.3899感應濾波型三繞組電爐變+iFC0.8904三繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器0.8965③電壓波動如表4.10表4.10電壓波動測量位置運行工況電壓波動(V)110kV側不投濾波裝置+17感應濾波型三繞組電爐變+iFC+50三繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器+504.2.3高壓集中補償方案如圖4.3圖4.3高壓集中補償參數設置①變壓器參數額定容量：16.5MVA額定電壓：35kV/125V短路阻抗：HV-LV7.68%空載損耗：0.005pu銅耗：0.10pu②125V側每相諧波電流源和短網阻抗的設置如表4.11，電弧爐功率因數為0.7表4.11電流源和短網阻抗參數短網阻抗諧波次數電流值(A)R+jX157041.70.0062+j0.00793108042505680③將系統(tǒng)功率因數補償至0.95，計算所得濾波裝置參數如表4.12表4.12濾波器參數濾波器3次4次5次L=239.1*1.05C=4.7087L=124.5*1.05C=5.09296L=82.4*1.05C=4.92319仿真結果分析①35kV側諧波電流測量數據如表4.13表4.13電流測量數據諧波次數不投濾波裝置雙繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器雙繞組電爐變+傳統(tǒng)全調諧濾波器20A0.2205A0.014A30A2.3798A0.24A41.7839A1.9357A2.045A54.8512A2.9324A1.052A②電爐變損耗對比如表4.14表4.14變壓器損耗運行工況變壓器損耗(MW)不投濾波裝置0.5454雙繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器0.5494雙繞組電爐變+傳統(tǒng)全調諧濾波器0.5444③電壓波動如表4.15表4.15電壓波動測量位置運行工況電壓波動(V)35kV側不投濾波裝置-50.7雙繞組電爐變+傳統(tǒng)偏調諧濾波器+4.3雙繞組電爐變+傳統(tǒng)全調諧濾波器+34.3綜合分析根據以上表格可知：①采用雙繞組電爐變，進行爐前低壓補償時，既能滿足無功補償要求，還能使功率因數達到預期要求，而且不管是偏調諧還是全調諧都能對諧波有顯著的抑制效果，其中全調諧效果最佳，甚至在一定程度上減少變壓器損耗和電壓波動。②采用雙繞組電爐變，對進行高壓側補償時，雖然能顯著減少高壓側電壓波動，但是安裝在35kV側傳統(tǒng)濾波器，濾波效果不理想，且2、3次諧波電流有明顯放大的現(xiàn)象，其中在安