直流电弧流谐波的测量与治理

1. 概述

　　电弧炉的大型化和超高功率化促进了直流电弧炉和高阻抗交流电弧炉的发展，随着大容量整流器和底电极等技术难题的突破，使直流电弧炉得以进入工业化投产阶段。超高功率直流电弧炉冶炼工艺与超高功率交流电炉类似，而直流电弧炉具有电弧稳定，噪音小、电极消耗低等诸多优点，在工业发达国家获得迅猛的发展，尤其是大容量(70～150t)超高功率直流电炉[1]。

　　与交流电弧炉相比而言，直流炉在电源系统及炉底电极的维护方面较为麻烦，但在降低电网污染及电极消耗等方面仍较交流炉优越[2]，采用先进的整流器供电系统及控制技术后，非常适合在弱电网的情况下运行[3]，有时可以不安装TCR等动态补偿装置。直流电弧炉通过控制电弧电流和无功功率，可明显减少电网电压波动和闪变；由三相交流电源分担负载，基本消除了负序对电网三相不平衡的影响。直流炉的低次谐波电流远比交流炉小，但高次谐波电流则比交流炉高，一般均装设无源滤波器治理谐波，但由于电弧电流的快速波动性，使用不同测试方法和仪器的测试结果差异较大，可能影响治理方案的制定、治理效果的评价。本文通过对某台70t超高功率直流电弧炉用不同测量仪器实测谐波数据的对比，分析产生差异的原因。

　　2. 测试及数据处理的基本方法

　　70吨直流电弧炉供电系统主接线如图1所示，供电主变压器容量为70MVA。分别采用 ACE2000、TOPAS1000、PS-2三种电能质量分析仪进行了测试，仪器输入信号取自220kV母线PT二次侧相电压和总进线CT二次侧电流。

　　测试按照谐波国家标准要求，选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，在电炉熔化期进行；测量的谐波次数为第2到第19次；测量间隔时间小于2min，记录数据远大于30组，测量结果取测量时段内各相实际测量值的95%概率大值中最大的一相值，即将实测值由大到小次序排列，舍弃前面5%的大值，取剩余实测值中的最大值。为了区别暂态现象和谐波，每次测量结果为3s内所测值的平均值，采用下式计算：

　                                                               　(1)

　　式中：Uhk—3s内第k次测得的h次谐波的方均根值；

　　m —3s内所取均匀间隔的测量次数，m≥6。

　　滤波器投入后，除了滤除电弧炉和精炼炉运行时产生的谐波电流外，还会吸收电网的背景谐波，从220kV侧测得的谐波是电炉谐波电流经滤波器滤波后的所剩下的分量与滤波器从电网吸收的谐波电流的总和，因此应对最终的测试数据进行了背景谐波扣除。根据谐波国标中的公式C6还可以采用式(2)进行计算：

　　                                                                (2)

　　式中：α—相位叠加系数，按表1取值。

　　表1 各次谐波Kh系数和α系数

　　3. 主要测试结果

　　3.1. ACE2000的测量结果

　　该测试仪可以设置“采样窗口”长度，测试时设置为320ms。总测试时间达25个小时，在此期间电弧炉炼钢大约25炉，共采集40000多组数据。按照规定方法统计出谐波电压、谐波电流结果分别如表2、表3所列，背景电压总谐波畸变率为1.24%，电压总谐波畸变率为1.5%；这里电弧炉谐波电流的相位角是随机变化的，按式(2)进行合成计算。

　　前4小时的有功功率变化曲线如图2所示，220kV总进线的5次谐波电流变化曲线如图3所示，从有功负荷和5次谐波电流的剧烈变动可以看出直流炉的快速变化特性。

　　图2 电弧炉炼钢时的功率变化曲线

　　图3 220kV总进线的5次谐波电流变化曲线

　　3.2. TOPAS1000的测量结果

　　该电能质量分析仪测量采样窗口为固定值320ms，每次结果为3s平均值。总的谐波电压的测量，是连续测量6炉次，每炉次取前7 min期间条件最差的打孔期，进行数据采集处理，然后取6炉次的平均值，将各次谐波值选出最大的值，作为总谐波电压的测量值。背景谐波电压的测量，是在上面连续的6炉次中间的3个停止冶炼期进行测量，将测出的值选出最大的值，作为每次谐波的背景值。所有的值均取的是95%的概率大值，按公式(2)进行背景谐波扣除，最后，进行计算导出炉子的实际谐波电压值见表4。同谐波电压导出方法一样可以导出炉子注入电网的谐波电流值见表4。

　　图4是滤波器全投入时，停止冶炼时测出的背景谐波3秒值的平均电流值；图5是滤波器全投入时，5小时内测出的3秒值的平均谐波电流值的情况。

　　图4 背景谐波电流

图5 总谐波电流

　　3.3. PS-2的测量结果

　　该电能质量分析仪基于1个周期采样后进行傅立叶分解得出各次谐波含量，每次结果为3s平均值。测试结果见表5。

　　4. 造成测量差异的原因分析

　　三台仪器的谐波电流测量结果互有差异，其中前两台测试结果基本接近(起码在一个数量级上)，基本满足工程允许误差范围；而第三台仪器的测试结果明显偏大，并且相差数倍，尤其是低次、偶次谐波很大，如果用来评价工程治理效果，必然“超标”；如果以此作为治理方案的基础数据，必然增加工程投资。

　　究其根源，主要是在同样工况下所使用的仪器不一样，不同仪器在软件、硬件处理方面不一样，谐波国标中关于谐波测量方法的规定较为简单，并未涉及各种不同负荷谐波的窗口选择。

　　采用快速傅立叶变换(FFT)要求采集点数必须是整周波或整周波的倍数，当仪器采集频率与电网不同步、没有进行整周波采集时，会造成采集值的积分与实际整周波的积分值之间存在偏差，使测量结果偏离实际值[7]。可以采用以下方法来满足测量精度的要求：

　　(1)按IEC61000-4-7:1991标准选用矩形窗插值算法和汉宁窗插值算法进行修正，该方法对低次谐波(11次以下)精度提高较明显，对高次谐波精度提高不多；

　　(2)修正理想采样频率，该方法只能减少50%的泄漏；

　　(3)采用锁相器(PLL)使信号频率和采样频率同步，该方法实时性较好，同时可以解决频谱泄漏问题。

　　IEC61000-4-7:1991标准按变化性态将谐波分为三类：准稳态(慢变化)、波动、快速变化，并对测量用FFT的仪器取样窗口宽度提出了基本要求(80～500ms不等)，而且对波动谐波和快速变化的谐波要求连续测量(即窗口间没有间隔)，而国标中没有这些规定。

　　文献8对由于取样窗口宽度造成仪器测量误差的原因进行了分析，主要是一些谐波分析仪器似乎约定俗成，窗宽均取工频的1个周期，这样的仪器在测量一般带有次谐波分量的波动性负荷谐波时会造成附加误差，因为次谐波分量会造成工频1个周期的波形上下偏移，也就是前半周和后半周的大小和形状发生变化，分析结果中低次谐波，特别是偶次谐波(2次、4次)较大；而用宽窗口测得的谐波含量明显减小。这是因为用宽窗口取样，基波变为高次谐波(例如400ms窗口相当于20个工频周期，则工频为分析结果的20次谐波)，主要的次谐波成分(即1/20次以上)不可能影响基波或更高次谐波的分析结果。

　　实际上有些仪器是按照图6所示，累积一定的波形周期数量(叫做采样窗口)，计算出一个平均周期并执行谐波解析得出结果，这也是一种处理波动量的方法。不过，应该视不同负荷的变化性态采用合适的窗宽，因为采样窗口的选择并不是越长越好，当然相对宽的采样窗口会有过滤的影响，以便平滑可能的暂态过程或波形中非标准的谐波。但这种方法不可能分析间谐波成分，且其计算误差高，应做进一步探讨。

　　仪器各通道的同步采样十分重要，有的仪器默认为仪器的第一通道，如果该通道不接入被试信号，仪器测试数据将不正确