4MVA中频炉谐波测量与分析
中频感应加热炉（以下简称中频炉）是一种快速稳定的金属加热装置，三相工频交流电经过变频装置转变为中频单相交流电，通过感性负载给金属加热[1] ，其接线原理图如图1所示。其中，变频装置是中频炉的核心设备，它产生的谐波使旋转电机产生附加功率损耗以及局部发热，增加变压器和输电线路的损耗，造成继电保护、自动化装置工作紊乱，引起电力测量误差，干扰通信系统等危害[2-3]。因此，大功率中频炉的谐波问题不可忽视。
图1中频炉接线原理图
Fig.1 Wiring diagram of IF furnace
常用的谐波测量技术有以下两种：第一种是基于虚拟仪器的谐波测量系统。系统的总体方案设计框图如图2所示。这个系统以一台普通计算机为基础，用软件实现测量系统的功能，充分体现了“软件就是仪器”的虚拟仪器理念。图中信号转换装置为自制电路，作用是将被测的高电压和大
电流转换为-5V到+5V的电信号，数据采集卡是美国NI公司的ATMIO-16E-2。12位A/D转换分辨率，16通道单端模拟输入，取样率500sps；第二种是基于PQPT1000电能质量分析仪的谐波测量。瑞士莱姆LEM PQPT1000电能质量分析仪集多种功能于一体：电能质量分析、故障录波、暂态分析测量分析电压和电流谐波，间谐波、闪变、三相不平衡度（正、负、零序）、频率、有功、无功、功率因数、视在功率、电压偏差等。
图2 谐波测量虚拟仪器原理框图
Fig.2 Block diagram of harmonic measurement virtual instrument
本文采用第二种方法，使用瑞士莱姆L E M PQPT1000对35kV文家堡变电站10kV文长线进行谐波测量，对测量数据进行分析，建立等效谐波模型。同时提出一种简化谐波模型，通过和等效模型对比，验证简化模型的可行性。简化模型可以方便的设置滤波器和无功补偿装置的参数，便于滤波器和无功补偿装置的设计。
[收稿日期] 2012-06-01
[作者简介] 梁德华（1964-），男（汉），重庆市人，本科，工程师，主要研究方向：电力电子技术，E-mail:1dn@https://www.sodocs.net/doc/3f12718781.html,
摘 要：中频感应加热炉（简称中频炉）是一种快速稳定的金属加热装置,由于中频炉内部具有变频装置及其功率较大等特点，所以对公共电网注入的谐波不可忽视。本文通过中频炉负载支路谐波数据的测量与分析，根据谐波可由傅立叶级数分解的特点，建立了一种谐波源简化电路模型。利用saber 仿真软件构建了谐波源简化电路模型，验证了简化模型在工程应用上的可行性。在软件仿真平台上可方便的设定滤波器和无功补偿装置的参数，便于滤波器和无功补偿装置的设计。
关键词：中频炉；谐波源；简化电路模型；Saber 中图分类号：TN711 文献标识码：A
文章编号：1672-6332（2012）03-0054-05【信息技术应用研究】
3×4MVA中频炉谐波测量与分析
梁德华1，毛龙飞1，张平1，田海涛2，汪渊2，田资2
(1.重庆市大足县供电有限责任公司，重庆 402360；
2.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044)
第3期55
1 谐波标准
由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准[4]。我国技术监督局于1993年发布了国家标准（GB/T14549-93）
《电能质量公共电网谐波》，自1994年3月1日起开始实施[5-6]。1.1 谐波电压限值
我国标准《电能质量公共电网谐波》对公用电网谐波电压（相电压）的限制见表1。
表1谐波电压标准
Tab1. Standard of harmonic voltage
电网标称电压 kV
电网总谐波畸变率 %
各次谐波电压含有率 %奇次偶次0.38 5.0 4.0 2.06 4.0 3.2 1.61035 3.2 2.4 1.266110
2.0
1.6
0.8
表2谐波电流标准
Tab2. Standard of harmonic current
标准电压 kV 基准短路容量 MVA 谐波次数及谐波电流允许值 A
234567891011121314150.38107862396226441921162813241112610043342134142411118.5167.113 6.1 6.810100262013208.515 6.4 6.8 5.19.3 4.37.9 3.7 4.135********.712 5.18.8 3.8 4.1 3.1 5.6 2.6 4.7 2.2 2.56650016138.113 5.49.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0 2.3 2.6110
750
12
9.6
6.0
9.6
4.0
6.8
3.0
3.2
2.4
4.3
2.0
3.7
1.7
1.9
1.2 谐波电流允许值
公共连接点的全部用户向该节点注入的谐波电流分量（方根均值）不应超过表2中规定的允许值。
当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短
路容量时[7]，谐波电流允许值的计算见式1。
（1）
MVA；
—基准短路容量，MVA；
—表2中的第h次谐波电流的允许值，A；—短路容量为时第h次谐波电流的允许值，A。
2 谐波测试与分析
2.1 谐波测试
本文对35kV文家堡变电站10kV文长线进行了
谐波测量，测量点位置如图1所示。该线路直接给大足县某厂供电，且该厂主要设备是中频炉，一般采取晚上工作模式。测量当天，某厂有三台容量大约为4MVA的中频炉投入工作，测量时间是01:00至07:00，采用PQPT谐波分析仪测得数据。从测量的数据中发现电压谐波数据基本满足表1的要求，而电流谐波中6m1（m=1,2，3...）次谐波含量较大，电流谐波实际测量数据如表3所示。其中，测得的功率因数
。
2.2 谐波分析
(n=1,5,7,11,13；为中频率三相桥整流侧直
值满足以A相电流为例可以得出：
梁德华，毛龙飞，张平，田海涛，汪渊，田资：3×4MVA中频炉谐波测量与分析
56深圳信息职业技术学院学报
第10卷
（2）利用表3中A相电流95%值可以计算出各次谐波对应的值，，
值分布见图3。
图3 值分布图
Fig.3 Diagram of distribution
通过分析可得以下两点：
① 由于中频炉的整流部分一般采用三相桥式整流，导致交流侧电流谐波的次数满足6m1（m=1,2，3...），且谐波次数越高，谐波幅值越小。以表3中的A相数据为例，我们可以看出，A相电流的书写形式和理论电流基本吻合；
② 由图3分析可知，在各次谐波下值有所不同。这主要是由于文长线中频炉负载有三台，并且三台中频炉不是同一时间接入和脱离电网；另外，由于测量时间是01:00至07:00，采用PQPT谐波分析仪测量的是一组统计数据。
3 建立简化模型
由以上测试数据分析，我们知道10kV输电线路上的电流谐波主要是由中频炉感性负载以及变频装置所引起的，那么我们可以把中频炉感性负载以及变频装置看作一个谐波电流源[8-9]。由表3分析可知，5、7、11、13次电流谐波含量较大，为了使模型简化，把5、7、11、13次谐波电流看作主要谐波，并各自用一组三相电流源来表示。同时规定各次谐波电流源模型之间相角差为零；对于10kV 交流侧，我们用一组三相电压源来表示，但在实际运行中，因电压源有一定的内阻，在建立等效模型时，我们规定内阻为从测试点到整个电网侧的阻抗值，用表示，电抗对电路的影响归一到其对电压源与谐波电流源之间的相角差的影响。综上，可以得
到图4所示的简化模型。
图4 含有谐波电流源的电路简化模型
Fig.4 A simplified circuit model with harmonic current source 图中，阻抗幅
值，其中
。
；基波频率；
电压与电流的相角差设为。各次谐波电流幅值与频率如表4所示。
表3 电流实际测量数据
Tab3. Actual measurement data of current
A相B相C相
最大值95%值超标
倍数
—最大值95%值
超标
倍数
H1(A)580.22548.73———577.76546.11
H5(A)75.77253.11327.2 1.95—76.05353.64227.2 1.97 H7(A)33.15722.56020.4 1.10—32.39821.62420.4 1.06 H11(A)34.28631.09312.7 2.46—34.80932.37412.7 2.56 H13(A)25.33322.97310.7 3.14—23.00421.97610.7 2.05注：10kV侧的最小短路容量为139.97MVA，通常使用95%值进行数据分析。
第3期57
表4各次谐波电流幅值与频率
Tab4.Amplitude and frequency of the each harmonic current A 相B 相C 相频率/Hz I 177677477250I 575.1174.6275.86250I 731.9031.2630.58350I 1143.9744.9045.78550I 13
32.49
31.81
31.08
650
（3）
4 仿真分析
对图4所示的模型进行仿真，我们采用Saber软件搭建电路。图中，是实际所测的数据的等效波形图，是只关注主要次谐波的简化波形图。以A
相为例，仿真结果如图5至8所示。
图5 三相电压波形
Fig.5 three phase voltage waveforms
图6 A 相电压、电流波形
Fig.6 A-phase voltage and current waveforms
图7 A 相简化模型的电流傅里叶图
Fig.7 Fourier figure of A-phase current waveform of simplified model
图8 A 相实际电流等效波形与简化模型的电流波形Fig.8 Actual current waveform and the current waveform of sim-plified model of A-phase
由图5可以看出，此简化模型很好的模拟等效了实际线路上的电压情况。三相电压谐波含量很小，几乎可以忽略不计；观察图6可以得出，a相电压和电流之间相位相差
和实际测量数据
基本吻合；图7是A相简化模型的电流傅里叶图，可以看出，此简化模型较好的还原了测量的数据参数，为后面谐波治理等工作奠定了一个很好的基础。
由图8可得，实际所测得的电流等效波形与只关注6m1（m=1,2，3...）次谐波的简化谐波电流波形图之间有一定差值，其大小分布如图6的第三条仿真曲线所示，分析其曲线可知
的最大值
为82.899A，最小值为-112.23A。但是由于出现最大峰值的时间很短，约占整个周期的1/11，而在整个周期的其他时间峰值都维持在一个较小的范围之内，那么在一个周期之内正峰值和负峰值的平均值可以得出，继而可以较为方便地得出一个周期内正峰值平均值与负峰值平均值的差值，那就是
。最后可以近似的算出简化谐波电流源模型波形图与实际测量数据的波形图之间的误差为
，其误差在允
许范围（）之内，故可认为简化后的电流谐
波源模型在近似分析时是可行的，具有较强的工程
实用性。
5 结论
通过对数据的分析，把电流谐波等效为若干组的三相电流源是一种有效的方法，它可以使问题简化。通过对比分析，该简化模型仿真出的波形图与实际测量数据构成的波形图之间的误差较小，在允许范围之内，具有很大的工程实用价值。同时，该简化模型还可以方便地设计滤波器和无功补偿装置，对其参数进行调试对比，为滤波器和无功补偿装置的设计提供了一个很好的设计平台。参考文献（References）
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深圳信息职业技术学院学报第10卷
Harmonic Measurement and Analysis of MVA Medium Frequency Induction Furnace
LIANG Dehua 1, MAO Longfei 1, CHANG Peng 1, TIAN Haitao 2, WANG Yan 2, TIAN Zhi 2
（1. The power supply company of Dazhu in chongqing, Chongqing 400000, P.R.China; 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology,
Chongqing University, Chongqing 400044, P.R. China ）
Abstract：Medium frequency induction furnace (referred to as IF furnace) is a fast and stable metal heating device, because the characteristics of its internal frequency converter and greater power, the harmonics injected into the public grid can be not ignored. In this paper, by measuring and analyzing the harmonic data of medium frequency induction furnace load branch, and according to the harmonic characteristics of decomposition by Fourier series, a simplified circuit model of the harmonic source is introduced. Compared with the equivalent model, simplified model proved to be feasible in engineering applications by using of saber simulation software. It is more convenient to design and debug parameters of filters and reactive power compensation devices in the software simulation platform, which could improve work efficiency. At the same time ，it also prepares for the filter and reactive power compensation later and accelerate design schedule.
Keywords：medium frequency induction furnace; harmonic source; simplified circuit model; Saber
【责任编辑：高潮】
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