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【摘要】在炼钢厂中，连铸机系统常常会产生很大的谐波，从而出现断路器的无故跳闸和通讯中断等现象。对其具体原因进行分析，是因为系统中的电流谐波过大。为了有效治理连铸机系统中的谐波，需要根据实际情况设计合理的滤波器，假设采用的是无源滤波器，在使用时会由于移钢机较快的负荷变化而失去滤除谐波的作用。近年来，有源电力滤波器得到了大力发展，将其运用于连铸机的谐波治理能够达到响应速度快，滤除谐波效果好的目的。本文即对此展开研究。
【关键词】连铸机；谐波；有源电力滤波器
引言
某钢铁股份有限公司炼钢厂中有数台连铸机，其年生产量高达上百万吨，在国内炼钢厂中属效率较高者。根据连铸机生产和工艺要求，通常将电动机作为低压配电系统中的传动设备，对其进行控制采用的是变频器驱动。在实际生产过程中，常常会出现断路器跳闸以及通讯中断等问题，极大的影响了生产的顺利进行，使得整个管理陷入困境。通过对数据的测试和分析，发现造成这种问题的根源在于谐波电流过大。因此，如何减小谐波电流成为工作重点，本文将重点研究有源电力滤波器在连铸机谐波治理中的运用。相应的实践也表明，有源电力滤波器的使用极大的抑制了谐波电流，有效的防止了断路器跳闸和通讯中断等问题的出现。
1、故障现象分析
在未投入使用有源电力滤波器时，首先对三相负荷电流的波形及其谐波畸变率进行测试，可知负荷电流中的谐波主要是5、7次谐波，其中，5次电流谐波的畸变率达到了35%；7次电流谐波的畸变率为12%。随后对三相系统的电压波形及其畸变率进行测试，可知其电压谐波畸变率为2.5%。我国国标中规定的波形畸变率为5%以下，当畸变率超出5%将会给系统和设备造成较大威胁。以上测试表明，连铸机系统中的电流谐波畸变率远远超出了我国国标要求的范围，其造成的直接后果是电力设备的绝缘老化速度加剧，对通信造成干扰，继电保护装置有可能出现误动或是拒动，电力系统中出现有谐振现象，谐波含量被放大等。
2、无源滤波器效果分析
通常情况下，无源滤波器是由电阻、电感以及电容等无源元件按照一定的规律连接而成的，它属于无源网络[1]。无源滤波器能够对干扰信号进行衰减和抑制。将无源滤波器装设在谐波附近可以抑制谐波。常见的无源滤波器是调谐滤波器，这种滤波器的电抗率偏离调谐频率在10%以内，如：对于3次谐波来说，电抗率小于1.21，调谐频率可以选择为13%；对于5次谐波来说，调谐频率可以选择为15%。在连铸机系统的谐波治理中，根据上文测试的结果以及从实际成本角度考虑，公司原设计采用无源滤波器进行谐波抑制，在将无源滤波器投入使用后发现，连铸机系统中负载电流具有变化快，谐波成分十分复杂的特点，无源滤波器不能满足谐波抑制的要求。另外，在有些频段内，谐波电流甚至被放大，不仅无法起到谐波消除的作用，反而起了负作用。
对此，有人提出对电力电子装置本身进行改进，尽量减小其产生的谐波并将功率因数控制为1。但就连铸机系统来说，为了满足其工艺和生产的要求，需要采用变频器作为传动驱动设备，变频器是重要的谐波源，对变频器本身进行改造以实现谐波的消除需要投入大量的人力和物力，需要成立专门的研究团队，在实际操作中基本上是不可能实现的[2]。
3、有源电力滤波器的使用
将有源电力滤波器装设在系统中实现谐波补偿。对有源电力滤波器的工作原理进行分析，图1给出了其系统结构原理图。其中，Vs表示交流电源，谐波电源当成负载，负载能够产生相应的谐波。有源电力滤波器的组成包括两大部分：指令运算电路以及补偿电流发生电路，其中，前者的主要功能是对补偿对象中的谐波以及无功分量进行检测；后者包括：电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分。其功能是根据前者得出的补偿指令信号产生相应的补偿电流，从而保证电网中的电流只存在基波分量[3]。
有源电力滤波器能够实现对谐波的实时跟踪补偿，即使谐波的频率以及幅值都随时间的变化而变化，这种补偿依然是有效的，另外，有源电力滤波器的补偿特点不会受到电网阻抗的影响。近年来，有源电力滤波器得到了世界范围内的广泛关注，在日本等国家得到了普遍应用[4]。在本文中，为连铸机系统设计的有源电路滤波器使用方案如图2所示。
4、谐波治理效果分析
在连铸机系统中存在一些断续工作的负载，如：移钢车等，所以，系统无可避免的会出现一些波动，对比使用有源电力虑波器前后电流的谐波畸变率，如表1所示。
有源电力滤波器投入使用前，电流波形失真情况十分严重，电流畸变率高达38%，其中5次和7次谐波含量较大；投入使用有源电力滤波器后，电流波形得到了较好的校正，其畸变率下降为4.3%，5次和7次谐波基本被消除，实现了88%的谐波抑制率。在连铸机系统中，负载电流的变化速度较快，在这种情况下，有源电力滤波器依然能够实时的对负载电流的变化情况进行检测，并将补偿电流反馈到电网中。这不仅说明滤波器的响应效果好，同时也反映出其消除谐波的能力强。公司自使用有源电力滤波器后，断路器无故跳闸和通讯中断的现象再也没有出现过。
5、结语
本文对连铸机中谐波的治理进行了研究，该公司自使用有源电力滤波器之后，连铸机系统能够适应较快的负载变化。供电系统中非线性负载的使用造成的谐波能够被有源电力滤波器较好的衰减掉，很好的解决了当前存在的断路器无故跳闸和通讯中断问题，对于电网质量的改善来说也有较大帮助。
参考文献
[1]肖湘宁，徐永海，刘昊等.混合型有源电力补偿技术与实验研究[J].电力系统自动化，2002，26（5）：39-44.
[2]阿里拉加 J，布莱德勒 D A，伯德格尔 P S.电力系统谐波.容建纲等译.华中理工大学出版社，1994 年第 1 版.
[3]周新，卓放，裴云庆等.120 kVA并联型有源电力滤波器的研制[J].电气自动化，2002，24（8）：5-8.
[4]GB/T 14549-93，电能质量公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.
作者简介
庞伍德（1983.10- ）：男，汉族，河北省故城县人，大学本科学历，首钢京唐钢铁联合有限责任公司，机电工程助理工程师，主要从事炼钢电气自动化（PLC、变频、低压电气系统）专业工作。
【关键词】连铸机；谐波；有源电力滤波器
引言
某钢铁股份有限公司炼钢厂中有数台连铸机，其年生产量高达上百万吨，在国内炼钢厂中属效率较高者。根据连铸机生产和工艺要求，通常将电动机作为低压配电系统中的传动设备，对其进行控制采用的是变频器驱动。在实际生产过程中，常常会出现断路器跳闸以及通讯中断等问题，极大的影响了生产的顺利进行，使得整个管理陷入困境。通过对数据的测试和分析，发现造成这种问题的根源在于谐波电流过大。因此，如何减小谐波电流成为工作重点，本文将重点研究有源电力滤波器在连铸机谐波治理中的运用。相应的实践也表明，有源电力滤波器的使用极大的抑制了谐波电流，有效的防止了断路器跳闸和通讯中断等问题的出现。
1、故障现象分析
在未投入使用有源电力滤波器时，首先对三相负荷电流的波形及其谐波畸变率进行测试，可知负荷电流中的谐波主要是5、7次谐波，其中，5次电流谐波的畸变率达到了35%；7次电流谐波的畸变率为12%。随后对三相系统的电压波形及其畸变率进行测试，可知其电压谐波畸变率为2.5%。我国国标中规定的波形畸变率为5%以下，当畸变率超出5%将会给系统和设备造成较大威胁。以上测试表明，连铸机系统中的电流谐波畸变率远远超出了我国国标要求的范围，其造成的直接后果是电力设备的绝缘老化速度加剧，对通信造成干扰，继电保护装置有可能出现误动或是拒动，电力系统中出现有谐振现象，谐波含量被放大等。
2、无源滤波器效果分析
通常情况下，无源滤波器是由电阻、电感以及电容等无源元件按照一定的规律连接而成的，它属于无源网络[1]。无源滤波器能够对干扰信号进行衰减和抑制。将无源滤波器装设在谐波附近可以抑制谐波。常见的无源滤波器是调谐滤波器，这种滤波器的电抗率偏离调谐频率在10%以内，如：对于3次谐波来说，电抗率小于1.21，调谐频率可以选择为13%；对于5次谐波来说，调谐频率可以选择为15%。在连铸机系统的谐波治理中，根据上文测试的结果以及从实际成本角度考虑，公司原设计采用无源滤波器进行谐波抑制，在将无源滤波器投入使用后发现，连铸机系统中负载电流具有变化快，谐波成分十分复杂的特点，无源滤波器不能满足谐波抑制的要求。另外，在有些频段内，谐波电流甚至被放大，不仅无法起到谐波消除的作用，反而起了负作用。
对此，有人提出对电力电子装置本身进行改进，尽量减小其产生的谐波并将功率因数控制为1。但就连铸机系统来说，为了满足其工艺和生产的要求，需要采用变频器作为传动驱动设备，变频器是重要的谐波源，对变频器本身进行改造以实现谐波的消除需要投入大量的人力和物力，需要成立专门的研究团队，在实际操作中基本上是不可能实现的[2]。
3、有源电力滤波器的使用
将有源电力滤波器装设在系统中实现谐波补偿。对有源电力滤波器的工作原理进行分析，图1给出了其系统结构原理图。其中，Vs表示交流电源，谐波电源当成负载，负载能够产生相应的谐波。有源电力滤波器的组成包括两大部分：指令运算电路以及补偿电流发生电路，其中，前者的主要功能是对补偿对象中的谐波以及无功分量进行检测；后者包括：电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分。其功能是根据前者得出的补偿指令信号产生相应的补偿电流，从而保证电网中的电流只存在基波分量[3]。
有源电力滤波器能够实现对谐波的实时跟踪补偿，即使谐波的频率以及幅值都随时间的变化而变化，这种补偿依然是有效的，另外，有源电力滤波器的补偿特点不会受到电网阻抗的影响。近年来，有源电力滤波器得到了世界范围内的广泛关注，在日本等国家得到了普遍应用[4]。在本文中，为连铸机系统设计的有源电路滤波器使用方案如图2所示。
4、谐波治理效果分析
在连铸机系统中存在一些断续工作的负载，如：移钢车等，所以，系统无可避免的会出现一些波动，对比使用有源电力虑波器前后电流的谐波畸变率，如表1所示。
有源电力滤波器投入使用前，电流波形失真情况十分严重，电流畸变率高达38%，其中5次和7次谐波含量较大；投入使用有源电力滤波器后，电流波形得到了较好的校正，其畸变率下降为4.3%，5次和7次谐波基本被消除，实现了88%的谐波抑制率。在连铸机系统中，负载电流的变化速度较快，在这种情况下，有源电力滤波器依然能够实时的对负载电流的变化情况进行检测，并将补偿电流反馈到电网中。这不仅说明滤波器的响应效果好，同时也反映出其消除谐波的能力强。公司自使用有源电力滤波器后，断路器无故跳闸和通讯中断的现象再也没有出现过。
5、结语
本文对连铸机中谐波的治理进行了研究，该公司自使用有源电力滤波器之后，连铸机系统能够适应较快的负载变化。供电系统中非线性负载的使用造成的谐波能够被有源电力滤波器较好的衰减掉，很好的解决了当前存在的断路器无故跳闸和通讯中断问题，对于电网质量的改善来说也有较大帮助。
参考文献
[1]肖湘宁，徐永海，刘昊等.混合型有源电力补偿技术与实验研究[J].电力系统自动化，2002，26（5）：39-44.
[2]阿里拉加 J，布莱德勒 D A，伯德格尔 P S.电力系统谐波.容建纲等译.华中理工大学出版社，1994 年第 1 版.
[3]周新，卓放，裴云庆等.120 kVA并联型有源电力滤波器的研制[J].电气自动化，2002，24（8）：5-8.
[4]GB/T 14549-93，电能质量公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.
作者简介
庞伍德（1983.10- ）：男，汉族，河北省故城县人，大学本科学历，首钢京唐钢铁联合有限责任公司，机电工程助理工程师，主要从事炼钢电气自动化（PLC、变频、低压电气系统）专业工作。