钢铁工业电能质量高度分析
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（3）设置高通滤波器可使谐振点移至非特征谐波处，并有效地滤除高次谐波。
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——测试图 110kV 80MVA
滤波 器组
IS,h
IL1,h 电工
钢
10kV-HB IN,h
交-直-交变频 的TCM酸轧机
IN,h—负载（谐波源）向系统网络的h次谐波电流； IS,h— 系统负载（谐波源）流向系统电源的h次谐波电流； IL1,h—负载（谐波源）流向负载L1的h次谐波电流。
谐波电压和谐波电流按照如下标准计算：
GB/Z 17625.4-2000/IEC61000-3-6:1996（TR2） 电磁兼容 限值 中高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估
二、电能质量限值计算
3.电力用户内部供电点的电能质量限值
要特别强调的几个问题：
（1）对于电机负荷，供电终端电压偏差应控制在-3%~ +2%之间； （2）对于电机负荷，供电终端负序电压应控制在1%以内； （3）对于电弧炉等专线供电的电热负荷，供电终端的电压波动与闪变指标可以
3
低压电力设备电磁兼容限值
34
二、电能质量限值计算
1.电能质量（PQ）限值计算的意义和存在问题
供电公司
用电质量限值（电流、功率）
公用电网PQ标准
电力用户 电力设备
供电质量限值（电压、频率）
用电质量限值（电流、功率）
电力用户
电磁兼容PQ标准
电力设备
供电质量限值（电压、频率）
电能质量标准通过电能质量限值协调供电公司、电力用户 和设备制造商三者之间的利益，使全社会电力成本最低。
放宽为公用电网PQ标准限值的2倍左右。
二、电能质量限值计算
4.低压电力设备电磁兼容限值
谐波电压和谐波电流按照如下标准计算：
GB 17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001 电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）
GB/Z 17625.6-2003/IEC61000-3-4:1998（TR） 电磁兼容 限值 对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生 的谐波电流的限值
二、电能质量限值计算
3.电力用户内部供电点的电能质量限值
系统频率偏差、电压偏差、波动与闪变、三相不平衡度的限值参照以下标准计算：
GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T15543-2008 电能质量 三相电压不平衡
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
摘要
1
测试分析
2
仿真与治理
3
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
1.摘要
（1）现代变频装置由于开关器件工作频率高，会出现50次～100次的高次谐波， 几乎所有的大型轧钢都存在此类问题。
（2）轧钢厂10kV配电系统的配电电缆密度高，电缆电容会使50次～100次的高 次谐波严重放大，严重影响系统的安全经济运行。
ZN,h（Ω） ZS,h（Ω） KI,h=ZN,h/ZS,h PN,h（kW） QN,h(kvar)
67.7
4.0 2.2 -154.2
-138.1 47.5 15.85 3.00 -0.566 -0.508
-94.4 -66.8 140.6
11.0
5.0
7.0
5.9
2.7
3.8
43.7
84.0 -67.9
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
3.仿真与治理——治理前谐波潮流仿真结果
8
7
6
5
Kh
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
H a rm o n ic o rd e r
h
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13
KI,h 1.1 0.37 1.54 0.13 0.98 0.1 0.43 0.52 0.56 0.59 0.61 0.63
测量值 ZS,h（Ω） 计算值
测量值 XS,1（Ω） 计算值
KI,h=IS,h/IN,h PS,h（kW）
QS,h(kVar)
65 260 4.7 0.7 1.0 22.2 16 2.42 116.3 -94.1 16.25 15.85 0.250
4.0 -0.297 -4.149
66
67
68
420
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱图
10kV-HB段母线进线测点电压电流波形与频谱
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱分析报表
10kV-HB段母线进线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）
h
Uh (V)
HRUh (%)
测量值 限值 限值*
αh(°)
IS,h (A)
HRIS,h(%) βs,h(°) αh-βs,h(°)
αh-βL,h(°) 阻抗 ZL,h（Ω） 电抗 XL,h（jΩ） 电阻 RL,h（Ω）
SL,h(kVA) PL,h（kW）
QL,h(kvar)
65 330 6.0 0.7 1.0 60.7 7.9 4.76 138.9 -78.2 41.772 -40.889 8.542 2.607 0.533 -2.552
B 仿真条件 10kV各段母线独立运行，10kV-HB段母线运行短路容量为410MVA ，各供配
电设备及用电设备正常工作，原3、5、7次滤波器投入运行。
C 仿真内容 输出KI,h—h 曲线，h=0～80,电缆电容是工作频率的函数，电缆电容随频率升
高而减小，目前供应商还不能提供准确的函数关系，我们只是测量了电缆电容在 3300Hz附近电缆电容C与基波时电缆电容C1的定量关系：C=0.55C1 。对于本案例， 电缆相电容为6.752×0.55=3.714µf，对于低频段，由于容抗远大于系统阻抗，对仿 真结果几乎没有影响。
4.1
1.2
3.9
-0.317 -0.064 -0.445
-11.336 -0.536 -12.142
UH (V)=779.4 THDU(%)=13.5 THDU(%)<8.0 THDU(%)<6.0
IS,H (A)=47.6 THDS,I(%)=7.2
平均值：0.244
KI,h= ZN,h/ZS,h PS,h =－1.123 QS,h =－28.163
-138.1
50.91 16.10 3.16 -4.585 -4.114
-150.8
52 16.34 3.18 -1.135 -0.634
-151.5
51.43 16.59 3.10 -2.215 -1.202
IN,H (A)=22.0
THDN,I(%)=11.9
计算值 KI,h=IS,h/IN,h PN,h =－8.501 QN,h =－6.458
90
450
7.6
1.7
8.1
0.7
0.7
0.7
1.0
1.0
1.0
-163.8 84.9 -131.0
27
6
27
4.08
0.91 4.08
-72.2 -178.3 -38.9
-91.6 -96.8 -92.1
15.56
15
16.67
16.10 16.34 16.59
0.236 0.244 0.244
0.244
PS,h =3.403 QS,h =-15.742
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
3.仿真与治理——治理前谐波潮流仿真说明
A.电缆电容 10kV-HB段电缆电容基波电流为46.24A，酸轧机组电缆电容基波电流为9.48A，
因此从TCM酸轧机馈线测点往系统网络看，系统网络电缆电容基波电流为36.76A。 于是，在基波频率时，系统网络电缆工频电容为C1=6.752µf。
10.144 8.015 7.267
6.448 1.508 5.546
1.550 0.270 1.030
-6.256 -1.484 -5.450
UH (V)=929.5 THDU(%)=16.1 THDU(%)<8.0 THDU(%)<6.0 IL,H (A)=26.24 THDL,I(%)=15.80
60
10 0.61
70
11
12
0.65 0.69
80
13 0.72
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
47
49
KI,h 0.87 0.98 1.33 1.66 3.34 5.25 2.48 1.64 0.93 0.75 0.53 0.46
h
59
60 61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
KI,h 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.2 0.19 0.19 0.18 0.17 0.17
二、电能质量限值计算
1.电能质量（PQ）限值计算的意义和存在问题
目前，PQ限值计算中存在如下问题： （1）用公用电网PQ标准计算电力用户内部供电点的PQ限值，增加了电力
用户和电力设备制造商的PQ成本。
（2）混淆了供电质量和用电质量的区别，造成供用电合同责任条款错置。
（3）混淆了电压质量和电流质量的区别，造成PQ控制方案的错误。
本报告将对现代钢铁配电技术中的PQ限值计算、变频轧机 的高次谐波放大、电弧炉的无功冲击和间谐波、含分布式电源 配电网的高级仿真等重要问题进行高度分析，并给出了解决方 案，供相关工程技术人员参考。
二、电能质量限值计算
电能质量限值计算意义和存在问题
1
公用电网与电力用户连接点的电能质量限值
2
电力用户内部供电点的电能质量限值
注：IS,h与IN,h同时测量；IS,h与IL1,h不是同时测量。
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱图
TCM酸轧机馈线测点电压电流波形与频谱
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱分析报表
TCM酸轧机馈线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）
h
65
Uh (V)
190
测量值
h 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49
KI,h 0.67 0.68 0.72 0.74 0.78 0.8 0.85 0.89 0.97 1.01 1.13 1.21
h 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
KI,h 1.84 1.94 2.06 2.18 2.31 2.44 2.59 2.73 2.86 2.96 3.04 3.07
66
67
68
520
260
470
9.5
4.7
8.5
0.7
0.7
0.7
1.0
1.0
1.0
-87.0 -34.1 -161.5
12.4
5.8
11.8
7.47
3.49 7.10
-11.0
45.6 -82.2
-76
-79.7 -79.3
41.935 44.828 39.831
-40.689 -44.106 -39.138
（4）对接于同一公共供电点的电力用户等权分配电能质量限值，增加了全 社会的PQ成本。
二、电能质量限值计算
2.公用电网与电力用户连接点的电能质量限值
PQ限值按以下标准规定计算：
GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/T 24337-2009 电能质量 公用电网间谐波
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱图
SAL电工钢馈线测点电压电流波形与频谱
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱分析报表
SAL电工钢馈线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）
h
Uh (V) 测量值
HRUh(%)
限值 限值*
αh(°)
IL,h (A)
HRIL,h(%)
βL,h(°)
钢铁工业电能质量高度分析
主题内容
引言
1
电能质量限值计算
2
变频轧机电能质量高度分析
243
交流电弧炉电能质量高度分析
4
配电网高级仿真技术
45
结论
46
一、 引言
现代钢铁厂生产的规模化、现代化、高速化及分布式电源 接入使其配电系统结构越来越复杂，运行越来越接近极限状态。 电网中任一单元失控都可能使系统陷入生存危机状态，给钢铁 生产造成重大损失。
3.4
HRUh(%) 限值
0.7
限值*
1.0
66
67
68
560
260
360
10.2
4.7
6.6
0.7
0.7
0.7
1.0
1.0
1.0
UH (V)=814.1 THDU(%)=14.1 THDU(%)<8.0 THDU(%)<6.0
αh(°)
IN,h (A)
HRIN,h(%)
βN,h(°)
αh(°)-βN,h(°)
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
3.仿真与治理——治理方案
治理方案：在10kV-HB段母线上安装电容器组，每相电容4.92µf。
9
8
7
6
5
Kh
4
3
2
1
0 0
h KI,h h
10
2
31.1 0.37源自204 1.5830
40
50
H arm onic order
5
6
7
8
9
0.13 1.03 0.1 0.44 0.55
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——测试图 110kV 80MVA
滤波 器组
IS,h
IL1,h 电工
钢
10kV-HB IN,h
交-直-交变频 的TCM酸轧机
IN,h—负载（谐波源）向系统网络的h次谐波电流； IS,h— 系统负载（谐波源）流向系统电源的h次谐波电流； IL1,h—负载（谐波源）流向负载L1的h次谐波电流。
谐波电压和谐波电流按照如下标准计算：
GB/Z 17625.4-2000/IEC61000-3-6:1996（TR2） 电磁兼容 限值 中高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估
二、电能质量限值计算
3.电力用户内部供电点的电能质量限值
要特别强调的几个问题：
（1）对于电机负荷，供电终端电压偏差应控制在-3%~ +2%之间； （2）对于电机负荷，供电终端负序电压应控制在1%以内； （3）对于电弧炉等专线供电的电热负荷，供电终端的电压波动与闪变指标可以
3
低压电力设备电磁兼容限值
34
二、电能质量限值计算
1.电能质量（PQ）限值计算的意义和存在问题
供电公司
用电质量限值（电流、功率）
公用电网PQ标准
电力用户 电力设备
供电质量限值（电压、频率）
用电质量限值（电流、功率）
电力用户
电磁兼容PQ标准
电力设备
供电质量限值（电压、频率）
电能质量标准通过电能质量限值协调供电公司、电力用户 和设备制造商三者之间的利益，使全社会电力成本最低。
放宽为公用电网PQ标准限值的2倍左右。
二、电能质量限值计算
4.低压电力设备电磁兼容限值
谐波电压和谐波电流按照如下标准计算：
GB 17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001 电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）
GB/Z 17625.6-2003/IEC61000-3-4:1998（TR） 电磁兼容 限值 对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生 的谐波电流的限值
二、电能质量限值计算
3.电力用户内部供电点的电能质量限值
系统频率偏差、电压偏差、波动与闪变、三相不平衡度的限值参照以下标准计算：
GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T15543-2008 电能质量 三相电压不平衡
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
摘要
1
测试分析
2
仿真与治理
3
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
1.摘要
（1）现代变频装置由于开关器件工作频率高，会出现50次～100次的高次谐波， 几乎所有的大型轧钢都存在此类问题。
（2）轧钢厂10kV配电系统的配电电缆密度高，电缆电容会使50次～100次的高 次谐波严重放大，严重影响系统的安全经济运行。
ZN,h（Ω） ZS,h（Ω） KI,h=ZN,h/ZS,h PN,h（kW） QN,h(kvar)
67.7
4.0 2.2 -154.2
-138.1 47.5 15.85 3.00 -0.566 -0.508
-94.4 -66.8 140.6
11.0
5.0
7.0
5.9
2.7
3.8
43.7
84.0 -67.9
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
3.仿真与治理——治理前谐波潮流仿真结果
8
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H a rm o n ic o rd e r
h
2
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9 10 11 12 13
KI,h 1.1 0.37 1.54 0.13 0.98 0.1 0.43 0.52 0.56 0.59 0.61 0.63
测量值 ZS,h（Ω） 计算值
测量值 XS,1（Ω） 计算值
KI,h=IS,h/IN,h PS,h（kW）
QS,h(kVar)
65 260 4.7 0.7 1.0 22.2 16 2.42 116.3 -94.1 16.25 15.85 0.250
4.0 -0.297 -4.149
66
67
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420
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱图
10kV-HB段母线进线测点电压电流波形与频谱
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱分析报表
10kV-HB段母线进线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）
h
Uh (V)
HRUh (%)
测量值 限值 限值*
αh(°)
IS,h (A)
HRIS,h(%) βs,h(°) αh-βs,h(°)
αh-βL,h(°) 阻抗 ZL,h（Ω） 电抗 XL,h（jΩ） 电阻 RL,h（Ω）
SL,h(kVA) PL,h（kW）
QL,h(kvar)
65 330 6.0 0.7 1.0 60.7 7.9 4.76 138.9 -78.2 41.772 -40.889 8.542 2.607 0.533 -2.552
B 仿真条件 10kV各段母线独立运行，10kV-HB段母线运行短路容量为410MVA ，各供配
电设备及用电设备正常工作，原3、5、7次滤波器投入运行。
C 仿真内容 输出KI,h—h 曲线，h=0～80,电缆电容是工作频率的函数，电缆电容随频率升
高而减小，目前供应商还不能提供准确的函数关系，我们只是测量了电缆电容在 3300Hz附近电缆电容C与基波时电缆电容C1的定量关系：C=0.55C1 。对于本案例， 电缆相电容为6.752×0.55=3.714µf，对于低频段，由于容抗远大于系统阻抗，对仿 真结果几乎没有影响。
4.1
1.2
3.9
-0.317 -0.064 -0.445
-11.336 -0.536 -12.142
UH (V)=779.4 THDU(%)=13.5 THDU(%)<8.0 THDU(%)<6.0
IS,H (A)=47.6 THDS,I(%)=7.2
平均值：0.244
KI,h= ZN,h/ZS,h PS,h =－1.123 QS,h =－28.163
-138.1
50.91 16.10 3.16 -4.585 -4.114
-150.8
52 16.34 3.18 -1.135 -0.634
-151.5
51.43 16.59 3.10 -2.215 -1.202
IN,H (A)=22.0
THDN,I(%)=11.9
计算值 KI,h=IS,h/IN,h PN,h =－8.501 QN,h =－6.458
90
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7.6
1.7
8.1
0.7
0.7
0.7
1.0
1.0
1.0
-163.8 84.9 -131.0
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4.08
0.91 4.08
-72.2 -178.3 -38.9
-91.6 -96.8 -92.1
15.56
15
16.67
16.10 16.34 16.59
0.236 0.244 0.244
0.244
PS,h =3.403 QS,h =-15.742
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
3.仿真与治理——治理前谐波潮流仿真说明
A.电缆电容 10kV-HB段电缆电容基波电流为46.24A，酸轧机组电缆电容基波电流为9.48A，
因此从TCM酸轧机馈线测点往系统网络看，系统网络电缆电容基波电流为36.76A。 于是，在基波频率时，系统网络电缆工频电容为C1=6.752µf。
10.144 8.015 7.267
6.448 1.508 5.546
1.550 0.270 1.030
-6.256 -1.484 -5.450
UH (V)=929.5 THDU(%)=16.1 THDU(%)<8.0 THDU(%)<6.0 IL,H (A)=26.24 THDL,I(%)=15.80
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0.65 0.69
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47
49
KI,h 0.87 0.98 1.33 1.66 3.34 5.25 2.48 1.64 0.93 0.75 0.53 0.46
h
59
60 61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
KI,h 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.2 0.19 0.19 0.18 0.17 0.17
二、电能质量限值计算
1.电能质量（PQ）限值计算的意义和存在问题
目前，PQ限值计算中存在如下问题： （1）用公用电网PQ标准计算电力用户内部供电点的PQ限值，增加了电力
用户和电力设备制造商的PQ成本。
（2）混淆了供电质量和用电质量的区别，造成供用电合同责任条款错置。
（3）混淆了电压质量和电流质量的区别，造成PQ控制方案的错误。
本报告将对现代钢铁配电技术中的PQ限值计算、变频轧机 的高次谐波放大、电弧炉的无功冲击和间谐波、含分布式电源 配电网的高级仿真等重要问题进行高度分析，并给出了解决方 案，供相关工程技术人员参考。
二、电能质量限值计算
电能质量限值计算意义和存在问题
1
公用电网与电力用户连接点的电能质量限值
2
电力用户内部供电点的电能质量限值
注：IS,h与IN,h同时测量；IS,h与IL1,h不是同时测量。
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱图
TCM酸轧机馈线测点电压电流波形与频谱
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱分析报表
TCM酸轧机馈线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）
h
65
Uh (V)
190
测量值
h 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49
KI,h 0.67 0.68 0.72 0.74 0.78 0.8 0.85 0.89 0.97 1.01 1.13 1.21
h 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
KI,h 1.84 1.94 2.06 2.18 2.31 2.44 2.59 2.73 2.86 2.96 3.04 3.07
66
67
68
520
260
470
9.5
4.7
8.5
0.7
0.7
0.7
1.0
1.0
1.0
-87.0 -34.1 -161.5
12.4
5.8
11.8
7.47
3.49 7.10
-11.0
45.6 -82.2
-76
-79.7 -79.3
41.935 44.828 39.831
-40.689 -44.106 -39.138
（4）对接于同一公共供电点的电力用户等权分配电能质量限值，增加了全 社会的PQ成本。
二、电能质量限值计算
2.公用电网与电力用户连接点的电能质量限值
PQ限值按以下标准规定计算：
GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/T 24337-2009 电能质量 公用电网间谐波
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱图
SAL电工钢馈线测点电压电流波形与频谱
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
2.测试分析——频谱分析报表
SAL电工钢馈线测点主导谐波电压和谐波电流（C相）
h
Uh (V) 测量值
HRUh(%)
限值 限值*
αh(°)
IL,h (A)
HRIL,h(%)
βL,h(°)
钢铁工业电能质量高度分析
主题内容
引言
1
电能质量限值计算
2
变频轧机电能质量高度分析
243
交流电弧炉电能质量高度分析
4
配电网高级仿真技术
45
结论
46
一、 引言
现代钢铁厂生产的规模化、现代化、高速化及分布式电源 接入使其配电系统结构越来越复杂，运行越来越接近极限状态。 电网中任一单元失控都可能使系统陷入生存危机状态，给钢铁 生产造成重大损失。
3.4
HRUh(%) 限值
0.7
限值*
1.0
66
67
68
560
260
360
10.2
4.7
6.6
0.7
0.7
0.7
1.0
1.0
1.0
UH (V)=814.1 THDU(%)=14.1 THDU(%)<8.0 THDU(%)<6.0
αh(°)
IN,h (A)
HRIN,h(%)
βN,h(°)
αh(°)-βN,h(°)
三、变频轧机高次谐波问题高度分析
3.仿真与治理——治理方案
治理方案：在10kV-HB段母线上安装电容器组，每相电容4.92µf。
9
8
7
6
5
Kh
4
3
2
1
0 0
h KI,h h
10
2
31.1 0.37源自204 1.5830
40
50
H arm onic order
5
6
7
8
9
0.13 1.03 0.1 0.44 0.55