中頻爐無源濾波器優化配置方案

中頻爐是典型的非線性負荷，其在運行過程中不只有產生特征諧波電流，還會產生非特征諧波（或間諧波）電流注入系統。本文根據某中頻爐配電系統現場實測數據，結合數學建模仿真研究，分析了該中頻爐配電系統無源濾波器存在的問題，并基于中頻爐負荷間諧波廣域分布的特點提出了無源濾波器優化配置方案。仿真結果顯示，該方案具有較好的改善效果。

中頻爐工作原理中頻爐是一種快速穩定的金屬加熱裝置，其工作原理是三相工頻交流電經整流電路轉變為直流電，再經逆變電路輸出0.5~10kHz的單相中頻交流電流，在熔爐感應線圈中產生中頻交變磁場，使熔爐中爐料產生感應電動勢，產生渦流，使爐料加熱升溫，直至熔化。

中頻爐整流電路一般采用可控硅三相全控整流橋，屬典型非線性負荷。整流電路大多采用6脈或12脈整流電路，也有采用24脈整流電路，在實際運行過程中不只有會產生pk±1次特征諧波電流，還會產生非特征次諧波（或間諧波）電流注入電網，給中頻爐無源濾波器的設計帶來一定的難度。

中頻爐常用補償方案舉例

以下文獻給出了一些中頻爐無源濾波器設計方案。

文獻[6]～[10]提供的無源濾波器配置方案是針對中頻爐的特征諧波進行設計，但對中頻爐非特征（間）諧波電流的諧振放大問題考慮還有所欠缺。因此，在實際工程項目中，也存在較多的中頻爐配電系統無源濾波器治理效果不理想、治理裝置無法投運甚至燒毀的現象。

某中頻爐配電系統及存在問題

中頻爐配電系統單線圖

該金屬制品公司35kV系統短路容量為286.9MVA，35kV母線帶有8臺6.3MVA整流變壓器，每2臺整流變構成一組24脈波整流電路以帶動1臺中頻爐。4臺中頻爐的容量均為20t，實際工作時一般只有3臺中頻爐運行。

電能質量補償裝置配置方案

電能質量補償裝置存在問題

該35kV系統補償裝置安裝完成后，正常工況下，12%電抗率支路、5次諧波單調諧和7次諧波單調諧濾波支路可以正常投運，但11次諧波濾波器支路投運后多次發生熔絲熔斷現象。

中頻爐配電系統測試分析

測點分布圖

正常運行工況下，在35kV補償裝置全部投運后，該支路基波電流有效值（I1）在48A左右，而總諧波電流ZUI大值（IH）在120A左右，即流過 11次濾波器支路的ZUI大電流達I=129A。

11次濾波器支路電容器組采用2串2并的聯接方式，單個電容器額定電流為28A，故11次濾波支路的額定電流為56A。

可見，實際流過11次濾波器支路的ZUI大電流有效值是額定電流的2.3倍，很大超過了支路的額定電流值，這是造成11次濾波器支路投運后多次發生熔絲熔斷的直接原因。

11次濾波器支路基波和總諧波電流變化趨勢圖

圖 11次諧波濾波器支路基波電流變化趨勢

對11次濾波器支路的間諧波電流進行分析，該支路在6次和8次諧波附近含有豐富的間諧波頻譜，特別是8次諧波附近，間諧波電流含量豐富。

對3#中頻爐315饋線的間諧波電流進行分析，雖然3#爐在5次諧波到11次諧波之間含有豐富的間諧波頻譜，但8.3次和8.4次間諧波電流含量并不十分突出。

根據測試數據，該中頻爐配電系統中可能存在對8.3次和8.4次間諧波放大的并聯諧振點。

中頻爐配電系統仿真分析

系統諧波阻抗

網絡諧波阻抗

諧波電流系統

濾波器投運后的等效諧波阻抗模型

在只投運12%電抗率無功補償支路、5次和7次濾波支路時，中頻爐注入系統的6次～6.3次之間的間諧波電流被放大，對7次諧波以后的諧波均有一定的濾波效果； 當補償裝置的全部支路均投運時，中頻爐注入系統的8次與9次諧波之間的間諧波電流均被放大，其中8.3次和8.4次間諧波電流放大倍數ZUI大。

諧波電流系數曲線（11次濾波器投運前后）

圖11次諧波濾波器投運前系統諧波電流系數

可見，11次濾波器支路過流主要是由8次至9次諧波之間的間諧波電流偏大造成的，主要誘因是該支路與系統阻抗及其他低次諧波補償裝置在8.3次諧波附近發生并聯諧振，放大了中頻爐產生的間諧波電流。

中頻爐配電系統補償裝置優化方案

補償裝置優化原則及方向

無源濾波器補償支路設計時不只有要考慮中頻爐的特征諧波頻譜分布，還要充分考慮中頻爐的非特征諧波的頻譜分布，特別是對于調諧頻率附近的間諧波電流。無源濾波器在對特征諧波電流進行濾波時，應避免對含量較大的非特征次諧波電流或間諧波電流產生放大，以免危害系統的安全穩定運行。對于該35kV供配電系統的中頻爐，在5次和11次諧波之間含有豐富的間諧波頻譜，當11次諧波濾波器投運后，會和其他低次補償支路以及系統阻抗產生并聯諧振，對8次和9次諧波之間的間諧波電流產生放大，因此優化方案的重點是減小對該區間間諧波電流的放大倍數。

由于二階高通濾波器含有一個電阻器，在發生并聯諧振時，該電阻器能夠增大系統阻尼，減小系統的并聯諧振峰，因此可考慮將部分單調諧濾波器調整為二階高通濾波器。

補償裝置優化方案一

將7次單調諧濾波器調整為二階高通濾波器（電抗器并聯600Ω電阻器），不只有能降低8次和9次諧波之間的并聯諧振峰，還能降低5次~7次諧波之間的并聯諧振峰。

圖 只有7次諧波濾波器調整為二階高通濾波器

補償裝置優化方案二

在調整7次濾波器的同時，將11次單調諧濾波器也調整為二階高通濾波器（電抗器并聯500Ω電阻器），則可進一步降低8次和9次諧波之間的并聯諧振峰

圖 7次和11次諧波濾波器均調整為二階高通濾波器

結論

1）無源濾波器進行諧波濾波時，一個串聯調諧點必然對應一個并聯諧振點。

2）中頻爐不只有含有大量的特征諧波電流，還含有豐富的非特征諧波（間諧波）電流，因此中頻爐配電系統無源濾波器設計的難點是在濾除特征諧波的同時如何避免或降低系統的并聯諧振點對其非特征諧波（間諧波）的諧振放大問題。

3）本文針對某中頻爐配電系統存在的問題，通過將單調諧濾波器調整為二階高通濾波器以增大并聯諧振時的系統阻尼，明顯降低了并聯諧振峰，但會影響濾波效果，在應用中應綜合權衡。

4）本文所述的解決方案在電弧爐配電系統中已得到類似應用，如電弧爐在運行過程中2次濾波器設計成二階C型高通濾波器，目的也是為了減小無源濾波器對2次諧波附近間諧波的放大問題。

5）無源濾波器設計過程中，應加強對系統網架結構、運行方式及系統參數的調研，測試典型負荷的諧波和無功發射特性，搭建仿真模型優化設計方案，確保無源濾波器安全穩定運行。

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