中频炉高压计量系统研究

一、选题背景及其意义（四号字、黑体、居左）
电能是国民经济和人民生活极为重要的能源，电气化程度和管理现代化水平是衡量一个国家发达与否的重要标志。随着现代城市的不断发展，城市电力的应用范围越来越广。随着电力电子技术的发展及电力电子技术在国民经济各行各业中的应用，现代工业生产设备中换流装置的容量也越来越大，数量越来越多，如大功率整流设备在电气化铁路、电弧炉在炼钢中的使用以及高频、中频设备的广泛应用，这些换流设备、调压装置、变频装置等对于电网来说都是非线性负荷，这些装置在给人们提供可靠、方便的理想工作电源的同时，也使得谐波大量注入电网。在电网中，无论谐波流向如何，负载本身不产生电能量。当谐波从负载流向电网时，实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后形成的谐波电流返送回电网，这是一种电能污染。
谐波使电网发生谐振的可能性大大增加，使电气设备运行不正常，增加附加损耗，使设备温升过高，降低绝缘强度，加速绝缘老化，其次是产生振动并发出噪声，长时间的振动会使金属疲劳和机械损坏，降低使用寿命，谐波还会引起谐波过电压。严重的谐波电压和谐波电流能导致继电保护和自动控制设备的误动作，产生附加损耗，降低输电效率，甚至损害设备[18]。由于大多数仪器、电气测量仪表是针对工频正弦波设计的，谐波的非线性特性会造成测量仪表的指示数据不正确，产生计量误差。因而谐波污染不仅会给电网造成严重的危害，还将影响用户的电能计量。
电能计量是电力企业与用户、电网与电厂、电网与电网之间进行经济结算、考核的依据。电能计量精度直接关系到电力供需双方的经济效益和社会效益。在电力系统中的发、输、供过程中，电能计量，尤其是高电压大容量的电力系统的电能计量是非常重要的一环。因此确保电能计量的准确、可靠具有十分重要的意义。
近年来，受市场和利益的驱动，中频炼钢电炉的使用越来越多。中频感应加热设备（中频炉）是一种快速稳定的金属加热装置，它靠变频装置把三相工频交流电转变为单相中频交流电，整流变频装置是中频炉的核心设备。这种电力电子装置不可避免地会向电网反送大量谐波[1][2]。由于谐波存在方向不一致性，而目前绝大多数的电能表对50Hz以外的电能不能计量，因此引入的高次谐波会严重影响电能计量仪器的计量精度，对继电保护、自动控制装置等产生干扰，严重时会引起误动作。
中频炉是典型的谐波源，它产生的高次谐波在对电网造成严重危害的同时，也对电力企业的电能计量造成很大的影响。目前所用的电表显示的数据是其基波电能与其发出的谐波电能之差，这样会导致莫名其妙的丢电现象。谐波分量越大，少计的电能越多。当谐波以3、5、7次为主时，其少计电能可达总电量的6.5-8.5%，给电力运营企业造成巨大的经济损失[3]。
为了公平合理的对各类用户计量电能，并制定相应政策从经济上抑制谐波的产生，有必要对谐波对电能计量的影响及相关解决措施进行研究。目前已有大量的谐波滤波装置和无功补偿装置，虽然这些装置可以对电网谐波进行有效地治理，但是，电网中的谐波问题还是比较突出。目前，挂网的大多数电表都是电子式电能表，采用的是全波计量。对于线性用户来说，吸收了谐波却多交了电费；对于非线性用户来说，向电网输送了谐波又少交了电费。因此，分析谐波对电能计量的影响，并对谐波情况下计量装置进行研究是电力系统中涉及经济、技术等多方面问题的重要课题之一。研究谐波情况下中频炉综合计量系统具有很重要的实用价值和很大的市场潜力，有助于提高电网电能质量，对供电部门降低线损和提高城市用电服务水平有重要的意义。
二、国内外研究动态（文献综述、简要评述）（四号字、黑体、居左）
随着电力电子技术的发展，电力电子装置越来越多地应用到工业中，容量也越来越大，与此同时也给电网带来了大量的谐波。谐波不仅对电网运行有巨大的危害，还会影响到计量仪器的使用。目前，有关谐波问题的研究大致可以划分为以下四个方面：1)与谐波有关的功率的定义和功率理论的研究；2)谐波分析及谐波影响和危害的研究；3)谐波的抑制和补偿；4)与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究；5)电能计量装置的改进与研究。
在国际上，早在20世纪初就有大量研究谐波的文章发表，电能质量的测量和电能质量的改善等问题受到越来越多的关注。在我国，虽然电能计量技术有了快速的发展，但对谐波电能计量的起步较晚，发展也比较慢。直到90年代，电网电能质量问题进一步受到人们的关注，谐波电能计量技术才有所发展。目前广泛使用的都是反映基波与谐波综合电能的计量表，在系统存在谐波的情况下此种计量方式显得不太合理[4][5][6]。对于电磁感应式电表，其频响曲线随着频率的增大，误差向负方向变化，少计电量，而对电子式电表影响更大，由于电子式电表的CPU采取正反向功率代数和相加，即E=E1（基波电能）-谐波电能总和，而谐波产生的电能方向相反，从而造成谐波分量越大，少计的电能越多；谐波源用户不仅向系统注入谐波，危害电力系统和其它用户，还少支付了该部分对应电费；而线性用户电能表计量值大于基波电能值，受到谐波危害的同时还要多交电费[7][10]。
总体上说，目前谐波作用下采用计量电能系统主要分成三种：
(1)采用基波电能表只计量用户所消耗的基波功率，成为基波电能计量方式。这种计量方式对于线性负荷用户来讲是相对公平的，但是对于非线性用户来说，这种计量方式没有考虑到非线性负荷向系统发出谐波功率，对系统造成的影响，并且使供电部门承受谐波所造成的损失，不能够对非线性用户做出相应的处罚，也没有使吸收部分谐波功率受到谐波影响的线性用户得到相应的补偿。
(2)采用频响较宽的电能表计量，成为电能全计量方式。这种计量方式将用户所消耗的基波功率和吸收或发出的谐波功率全部计入，最后相加得到用户所消耗的电能[17]。这样会造成线性负荷用户被多计量了电能，非线性负荷用户被少计量了所耗电能，造成了计费的不公平，相当于鼓励了对电网造成污染的非线性负荷用户。
(3)分别使用基波表和谐波表来测量用户所消耗的基波功率和谐波功率，成为谐波电能计量方式。当所得谐波功率为正时即表明负载吸收谐波；所得谐波功率为负时，表明负载发出谐波，以此为据来判断负载吸收或发出的谐波功率，进行收费奖罚[51]。但具体谐波的功率方向、大小得不到确定，不能够判断负载从电网中吸收和向电网中发出的谐波各是多少，以至于所计量的电能并不能真正地反映出非线性负荷对电网所产生的影响，并且该计量方式要求电能计量装置应能够分别计量基波与谐波电能，同时也对计量装置提出了更高要求，将基波电能和谐波电能分别进行计量实施较困难，成本较高。因此该方法仅适用于大中型电力用户和目前谐波污染较严重的供电系统。还有，目前基波谐波分别计量的收费政策和考核办法还未形成，这也影响了这种计量方式的推广[16]。
当前针对谐波对电能计量影响问题的研究主要是对已有的电能表采取相应的措施。集中在两大类：一类是加装滤波装置，通过低通滤波器滤除高次谐波成分，仅计量基波有功功率[15][28][33][34]。1996年，湖北电力试验研究所研制出了能测量基波电能的FEE-3型电能表。这种表的主要功能特点在于：能有效地将畸变信号中的谐波电能部分去掉，只计量信号中的基波电能。这样做，可以完成基波准确计量和收费任务，但并不能反映出非线性负荷对电网的危害和线性负荷受到的侵害[13][16]。另一类是在以单片机为核心的智能电表中采用频谱分析的算法(以FFT为主)，分别计算出基波和谐波的有功电能。1997年，清华大学电机系研制的基于微机技术的基波和谐波电能同时计量的电能表，这种表的优势就是能同时计量基波电能和各次谐波的总电能。这样，既充分地完成了计量和收费任务，又反映了谐波的流向，理论上可以根本解决上述问题。但为了FFT准确测量谐波电能，必须对信号进行精确同步采样，否则，会在算法中造成频谱泄漏[11][16]。当前，解决这一问题所采用的方法主要有：硬件上采用锁相环技术，软件上采用补偿算法，如双速率采样法，快速准同步方法等。而且还必须精确地在同一时刻对电压、电流信号进行采样；否则，在后面的运算中，会在功率因数角上造成很大误差。
文献[14]研究出以单片机为核心，采用准同步算法的权系数表对10个周期内的数据进行累加计算，显示的谐波电能为负值时，说明用户就是谐波源，绝对值就是谐波源向供电网络输送的谐波能量。文献[19]是一种基于DSP的谐波电能计量装置，采用FFT变换检测出谐波，通过功率算法，计算出基波和各次谐波电能。文献[20]设计一种虚拟仪器与数据采集板相结合的电能计量系统，分别计量基波功率、谐波功率和潮流方向。现有的多功能电能计量系统其性能和品质尚不能完全满足电力用户的要求，国内外电能计量系统企业不断推出智能化多功能电能计量系统的新产品以满足新的应用需求，三相多功能电能表就是智能化电能计量系统的典型代表。
三、课题研究内容（四号字、黑体、居左）
本课题的核心工作是高压计量系统的研究。
中频炉是典型的谐波源，中频炉大量投入到生产当中，其容量越来越大。由于其自身的工作特性使电力企业因为谐波引起的电能计量不准确而每年都会有大量的经济损失。本课题的研究内容主要包括以下几个方面：
（1） 分析电力系统谐波产生的机理和危害。电力系统中各种大容量电力设备、用电整流或换流设备，以及其他电力电子设备等非线性负荷。这些电力设备从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量，这样就产生了谐波电流。电网谐波使电力设备的降低绝缘性能、产生附加损耗和减少出力；使电子设备工作失误，性能劣化；使电能计量不准确，引起电能管理的混乱。
（2）结合实际炼钢中频炉系统的谐波测试情况及其电气特性与主电路结构，分析中频炉谐波特点及其产生机理。中频感应炉是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应来传递的。中频炉装置通常采用6脉波整流，其5次和7次谐波含量所占比例较高，对总谐波含量影响最大。
（3）对谐波对电能计量的影响进行分析。当电压和电流为工频正弦波时，感应式和电子式两类电能表都能够准确反映被测电能值。谐波情况下全电能计量方式具有缺陷，线性用户受谐波危害，却被多计量了电能；非线性用户发出谐波，污染了电网，却少计了电能。
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