关键字 |
| 感应电炉(IF)、性能分析、谐波测量、总谐波失真(THD)等。 |
我的介绍。 |
| 目前，大多数炼钢行业都在使用感应炉，因为与其他类型的炉相比，感应炉具有显著的优势。然而，从电学角度来看，这种炉膛的主要问题是炉膛负荷的感性和非线性性质。这就造成了供电系统中相当大的谐波失真和污染。原因是在感应炉的设计和操作本身，因为这是一个已知的事实，谐波的顺序，因此失真的大小取决于炉电源系统中使用的转换器脉冲的数量。其次，情况是复杂的，因为钢铁厂是由负荷组成的，它的消耗变化很快，从而改变了谐波组成。电力电子元件的接、断开方式也改变了谐波组成[3]、[4]。 |
| 为了控制和防止谐波/波形失真问题，确实存在关于电压和电流谐波失真允许限度的规则和规范。然而，为了遵守这些法规并将谐波失真降低到既定的允许水平以下，必须采取适当的纠正措施。有许多谐波缓解技术，其应用因情况而异，主要取决于缓解技术对客户系统的经济性、适用性和兼容性。本项目研究的目的是对所考虑的炼钢装置现有装置进行全面的性能研究，并分析该装置面临问题的原因。它还将建议可能的最佳解决方案，同时铭记该工业单位管理层所要求的尽可能少的设备修改和投资的主要限制。 |
| A.正在考虑炼钢装置的细节 |
| 正在考虑的炼钢装置位于印度果阿邦的一个工业区。该装置的单线图如图1所示。 |
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| 来自公用事业配电网的输入电源是3相，33kV在50 Hz时，使用三绕组移相变压器降至1kV x 2(双输出)，一次绕组连接在三角形，二次绕组连接在星形，第三绕组连接在三角形。这产生了300的相移，这是12脉冲转换器操作所必需的。变压器的电力通过双母线风道输送到12脉冲转换器部分(发电机面板)。1100kvar的电容器组通过33kV/433V降压变压器连接，以将功率因数从0.93提高到单位。LT辅助负载由架空磁力起重机、ID风机、冷却塔电机、压缩机、泵、压力机电机等组成。通过315kVA容量的辅助配电变压器供电。感应炉及其相关部件的总体框图如下图2所示。 |
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| 二次绕组馈送一个6脉冲可控硅控制的整流器，第三绕组馈送另一个相同的6脉冲整流器，两个整流器串联连接。因此整流具有如下图3所示的12脉冲配置。每个6脉冲转换器的输出约为1350 -1500V DC。这两个串联变换器的综合输出为2.7至3kV直流，通过滤波扼流圈来改善直流特性。然后将其作为逆变器部分的输入，逆变器部分由并联谐振/负载换流H桥逆变器组成(如下图4所示)，该逆变器在500 Hz[5]中频下产生3kV单相交流输出。 |
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| 进一步，该功率被馈送到双坩埚无芯感应炉的中频线圈(一次只操作一个坩埚)。采用44668kvar的电容器组与感应炉线圈并联，实现线圈的可控谐振。该线圈的消耗约为3000千瓦。感应炉工作谐振频率范围为400-500Hz。 |
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| C.问题识别 |
| 为了本案例研究的目的，选择了一个合适的钢/废料熔化装置，该装置位于印度果阿邦，在其电源方案中采用了带有12个脉冲转换器电路的感应炉。该装置每月电费约为600 - 650万卢比，几乎占该装置每月生产成本的25%。实际上，根据炉供应商的标准，仅熔化废钢的具体消耗是500kWh/T[1]。然而，根据原料混合物的比例(这里主要是25%废钢与70-72%直接还原铁和4%生铁混合)，指定的能耗可能增加到600-700kWh/T。但根据现有记录，这里的平均耗电量在750-800kWh/T之间。这种高能耗是该单位管理层关注的问题，其原因被认为有必要尽早调查和解决。其次，管理层对克服电力消耗过高问题的建议很感兴趣。第三，也是更重要的一点，管理层希望在实施这一解决方案时，尽量减少对现有系统设置的修改，以便将所需的投资保持在最低限度。 |
2研究方法 |
| 为达到这项工作表现研究的目标所采用的方法可分为以下三个主要阶段 |
| 1)根据现场实际运行情况和装载情况，对现有中频系统进行现场性能分析。 |
| 2)发现问题并调查原因。 |
| 3)提出合适的、经济的解决方案。 |
| A.现场性能分析 |
| 为了进行性能分析和谐波测量，在33kV/1kV炉变进气侧的计量CT和PT附近设置了公共耦合点(PCC)。读数由功率分析仪记录，在不同的负载条件下，操作和几个完整的熔化周期，每个周期范围约为2-2.5小时[6]。后续读数的时间间隔已设置为1分钟。因此，在一个加热循环中收集的读数量和读数表的大小是相当大的，因此很难在本文中整体呈现。因此，为了可行性和方便起见，对记录的读数进行了单独的分析，部分样本读数如下表1所示，完整的实际读数的图形表示如下图5和图6所示。 |
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| 但是为了找出电力消耗过大的根本原因，有必要对该系统进行谐波测量和分析。由谐波测量得到的感应电压和电流谐波样本读数(THDv和THDi)列于表2和表3中，实际读数集如图7和图8所示。 |
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| 从图7中可以看出，电压波形发生了很大程度的畸变。THDv的平均值在7.2% ~ 9.9%之间。这远远高于IEEE标准519-1992为电压水平低于69kV的系统规定的5%的限制。由图8可知，总电流谐波失真(THDi)变化范围为7.60% ~ 11.20%。这需要根据短路比和TDD的计算以及个别电流谐波的大小来验证其可接受的水平。计算了该系统的短路率为64.52。这种短路比率在50到100之间。因此，参考IEEE std. 519-1992，可接受的TDD限制为6脉冲转换器为12%，12脉冲转换器为16.97%。计算了现有系统的TDD为16.42%，刚好在[7]，[8]的范围内。 |
| 此外，还需要验证存在的个别电压和电流谐波的顺序和大小。因此，在不同的加载条件下和整个加热循环范围内，同样的读数也被记录下来用于分析。其中一个读数已被绘制成图9和图10所示。 |
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| 下面图11和图12所示的Power Analyser Meter在数据记录的特定时刻所记录的电压和电流谐波的显示也与上述得到的结果[9]一致。 |
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3观察 |
| 1)由图5、图6可知，供电电压在29 ~ 32.07kV之间。电源电流在52-57A之间变化。输入功率在2.6-3MW之间变化，功率因数从0.99滞后到领先，在大部分运行时间内保持一致。 |
| 2)从图7可以看出，THDv的平均值在7.2 ~ 9.9%之间。这远远高于IEEE标准519-1992规定的低于69kV电压水平5%的限制。 |
| 3)如图9所示，对单个电压谐波的观察表明，5、11和13次谐波主要存在，其幅度在4%至7%之间，超出了IEEE标准519-1992规定的允许限度3%。第7、15、17、19、23、25和29号也相当多，但幅度在限制范围内。第31位、第33位、第35位偶尔出现。所有高阶谐波都不存在。 |
| 这表明系统电压已受到很大影响，这些单独的电压谐波和THDv迫切需要降低到可接受的范围内。 |
| 4)从图8可以看出，THDi的平均值在7.60 ~ 11.20%之间。然而，TDD将给出电流谐波的真实表示，已计算并发现为16.45%，略低于12脉冲转换器[7]，[8]的16.97%的限制。 |
| 5)根据IEEE std. 519-1992, 11≤h≤17的谐波值应小于6.36%[7]，[8]。但如图10所示的测量值显示，主要存在较大的第11和第13电流谐波。它们的值在7.20到10.90%之间变化，高于允许的极限。所有其他谐波都不存在。 |
| 6)三次电压电流谐波不存在，这可能主要是由于使用了Dyn11Dd0配置[9]的三绕组炉变压器。 |
| 现场测量和分析的结果表明，上述结果符合12脉冲变换器系统的预期，该炼钢厂面临的问题的主要原因在于感应炉本身的功率转换单元的设计和组成。因此，我们的努力应集中在缓解/降低第11和第13电流谐波低于允许限度3%和降低个别电压谐波和THDv分别低于3%和5%。 |
四、建议与结论 |
| A.提出减少谐波的可能解决方案 |
| 在目前情况下，可用于减轻电压和电流谐波的可能解决方案如下:- |
| 1)设计和安装一个24脉冲转换器，以消除23阶以下的谐波。 |
| 2)设计安装合适的调谐谐波滤波电路[11]。 |
| 3)使用合适的相移变压器。这已经被使用了。 |
| 4)适当控制系统阻抗，使其在谐波频率以外的要求频率引起谐振。 |
| 5)适当的电容器组设计，防止在任何谐波频率发生谐振。这已经部分得到了满足。 |
| 6)采用谐波注入方法和改进的PWM技术。 |
| B.最后确定/结束本案件的缓解技术 |
| 本项目研究的目的是通过消除谐波本身，而不是允许谐波产生，然后试图将其过滤掉，从而降低电力系统中存在的谐波水平。因此，可以得出结论，在目前的情况下，拟议的24脉冲转换器的设计和安装方案似乎是更合适和更可行的选择，主要原因如下 |
| 1)低阶谐波难以缓解。但通过采用24脉冲转换器，低于23 (h<23)的谐波将自动消除/减少。 |
| 2)将现有的12个脉冲变换器串联起来，可以形成24个脉冲变换器，因此不需要报废现有系统，只需要做少量的修改。这将大大降低安装成本和时间。 |
| 3)根据IEEE 519-1992标准，如果产生谐波的负载由脉冲数q大于6的转换器组成，则允许的谐波限值提高一个因子等于。因此，对于24脉冲转换器，允许的谐波限制将提高一个因子等于2[7]，[8]。这是采用24脉冲变换器的一个非常显著的优点。 |
| C.由于将12脉冲转换器替换为24脉冲转换器，预期会有改进 |
| 为了验证采用合适的24脉冲变换器替代现有12脉冲变换器的效果，在MATLAB SIMULINK环境下对适合现有系统的24脉冲变换器进行了仿真，并对仿真结果[12]、[13]进行了分析和验证。得出以下推论:- |
| 1)从电源抽取的输入电流的量级显著降低(在本例中，33kV侧几乎7A)。这进一步导致以下好处[14]:- |
| i. kVA需求减少。 |
| 2降低能源消耗(千瓦时)。 |
| 3降低I2R损耗，提高系统效率，降低系统冷却要求。 |
| 2)显著降低系统电压和电流谐波失真，进一步带来以下好处 |
| i.电压和电流波形形状接近正弦形状的改进。 |
| 2THDv和THDi的减少分别限制在5%和3%以下。 |
| 3消除或减少谐波阶数低于23到允许的范围内。因此，对低阶谐波进行滤波的谐波滤波器要么不需要，要么需要，那么滤波电路的尺寸和成本将大大降低。 |
| 3)工作功率因数从12脉冲变换器的滞后0.95提高到24脉冲变换器的滞后0.975。因此，功率因数改善电容器的数量和它们的冷却减少，从而降低安装成本。 |
| 4)提高变压器、电机、电容器的绝缘寿命和性能。 |
| 从节能和电能质量的角度考虑，本文提出的解决方案是可行的、有吸引力的，在技术上和商业上都是可行的。 |
参考文献 |
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