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基于ETAP的中频炉谐波治理应用研究

发布日期:2022-05-02 21:35   来源:未知   阅读:

  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。

  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。

  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:

  从(1)式可知,电流中除基波外只含有6n±1(n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h的倒数[5]。

  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,母线的三相谐波电流幅值也将不相等,考虑到严重的情况,取对应h次谐波电流幅值最大的一相作为三相谐波电流输入。

  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kV的变压器供电。中频炉为六脉冲整流装置,额定功率PN=1000KW,实际运行时的平均功率P=0.7PN,功率因数cosΦ=0.84,主要是5、7、11等次谐波。

  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 Harmonic voltage distortion rate(2~25)

  至此,无源滤波器的主要参数已基本确定[10,11]。将相关参数带入单线图仿真,可得修正后的变压器二次侧母线谐波电压畸变率和电压曲线 Harmonic voltage distortion rate(2~25)

  本文使用ETAP软件对钢铁厂负荷中频炉进行建模仿真分析,设计出谐波治理方案,并通过仿真验证了该方案的有效性。该方案实施后,解决了开启中频炉而无法带其它负荷和原有无功补偿柜的问题,提高了中频炉及全部电网的整体性能,对实际工程有一定的指导意义。

  [7] 欧特艾远东计算机技术有限公司. ETAP电力及电气系统综合分析计算软件 应用培训例题使用手册[M/CD]. 南京:欧特艾远东(南京)计算机技术有限公司, 2010.[8] 郑建勇, 张愉, 丁祖军. 并联电感型混合有源滤波器及其控制策略[J]. 电网技术. 2010, 34(1):90-97.

  [9] 汪力, 程剑兵, 王显强, 等. 基于多目标粒子群算法的无源电力滤波器优化设计[J]. 电力系统保护与控制. 2011, 39(8):51-55.