单晶炉配电系统电能质量分析与解决方案

王海涛，董海波，王 怡

（1.山东山大华天科技集团股份有限公司，济南 250101；2.国网山东省电力公司检修公司，济南 250118；3.青岛恒源送变电工程有限公司，青岛 266000）

引言

蓝宝石是一种化学性质非常稳定的单晶体，不受酸、碱腐蚀，硬度高，具有很好的透光性、热传导性和电气绝缘性，耐磨抗风蚀，在科学技术、国防与民用工业的许多领域有着广泛的应用。目前人工合成蓝宝石主要采用单晶生长炉，其配套的直流加热电源多采用可控硅整流电路，向电网注入了大量的谐波电流，导致电网畸变严重，严重影响了蓝宝石的正常生长及品质。研究单晶炉配电系统的电能质量问题对提高蓝宝石成品率有着重要的意义。

1 蓝宝石晶体生长特性及单晶炉配电要求

蓝宝石单晶具有高硬度、高强度、高导热率、高抗热冲击等品质，其生长条件比较苛刻。晶体生长方法可分为两大类：大温梯度法和小温梯度法，包括提拉法、导模法、泡生法、导向温梯法等，每一种方法对单晶炉内温度梯度的控制要求都非常严格。温度控制不好，不仅影响晶体的生长速度、外形尺寸，还会导致晶体中出现微小气泡、杂质坑等缺陷，降低晶体品质。生成蓝宝石常用的提拉法还会对籽晶进行旋转、提拉，任何外界干扰导致电机的震动都会影响到晶体的生长及最终品质。因而单晶炉的配电系统对电能质量有着非常高的要求，其用电品质要保证不能对控制系统中的信号采集和PLC控制产生干扰，不能影响电机的正常运转。

2 单晶炉配电系统电能质量问题及治理方案

单晶炉除炉体外，还包括真空设备、加热设备和运动设备，其中含有变频器、中频加热炉、中频电源、可控硅等非线性负荷。这些负荷会导致电流波形发生畸变，产生高频次的谐波电流，影响其他设备的正常工作。以变频器、可控硅为例，如为三相六脉冲相控整流电路，电流中以6k±1（k为正整数）次谐波为主，尤以5次、7次谐波含量最高，危害也最严重。中频加热炉、中频电源产生的中频泄露虽然幅值不高，但由于谐波频率较高，对控制系统的影响不可忽略。由于谐波源产生的谐波电流能够回灌电网，通过回路阻抗产生谐波电压，导致整个配电系统的电网电压发生畸变，影响到配电系统所有设备的用电质量。

谐波对单晶炉配电系统的主要危害有：①产生脉动转矩致使电动机振动，不仅影响晶体生长，还降低电机使用寿命；②高频谐波会干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，导致信号采样和PLC控制发生错误，影响设备的正常运行，降低晶体的品质；③由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化；④谐波电压正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命；⑤谐波会改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱。

根据上述分析，由于系统中含有大量非线性负荷产生的谐波，导致电能质量状况恶劣，不仅影响了单晶炉的正常工作，降低了晶体的品质，还对配电系统的安全生产带来危害，必须采取谐波治理措施提高电能质量，净化用电环境。目前，治理电网谐波最有效、性价比最高的方法就是采用有源电力滤波器APF（active power filter），通过其多样化的电能质量治理功能和高效率的补偿能力，全面改善电网环境。

山大华天研制的HTQF系列有源电力滤波器，是采用国内外最新技术和研究成果，自主开发研制的一种用于动态抑制电力谐波、动态补偿无功功率并校正三相不平衡的新型电力电子设备，其具有以下特点：①主控制器采用多DSP协同控制，控制精度高、响应速度快；②采用FFT或瞬时无功理论，既可分次滤除谐波，也可全部滤除；同时滤除多达20种谐波，最高可滤除50次谐波；对目标谐波，有效滤除能力可达97%；③山大华天发明专利《交错驱动PWM补偿电流发生器及其控制方法》（200910019887.8）和《交错滞环跟踪补偿电流发生器及其控制方法》（201010180701.X）， 通过补偿电流发生器纹波交错对消技术，大幅降低了输出电流中的开关纹波，从而降低了输出电感，提高了变流器的电流跟踪能力，同时也降低了输出电抗器的损耗和噪音，避免了对电网的二次污染；④采用低损耗微晶合金磁芯电抗器，噪声低，效率高。该电抗器所用环型合金磁芯具有饱和磁通密度高、高频损耗低、分布气隙结构等特点，是HTQF有源电力滤波器高功率密度、高效率、低噪声技术特征的重要保证；⑤具有谐波、无功综合补偿功能，可分滤波优先、无功优先、只滤谐波、只补无功4种工作模式，满足各种配电系统补偿需求；同时具有平衡补偿功能，可平衡各相之间的负载电流。

图1 HTQF系列有源电力滤波器工作原理Fig.1 HTQF series active power filter working principle

3 单晶炉配电系统电能质量治理应用实例

与某晶体材料公司合作，对其中一条单晶炉生产线进行电能质量测试及治理，通过治理前后的数据比较，验证有源电力滤波器对晶体炉配电系统的电能质量治理效果。

通过对该晶体材料有限公司用电负荷的测试及技术交流，得知单晶炉配电系统中，由于加热源存在整流电路导致配电系统中含有大量的5次、7次等高次谐波，选定一条带8个晶体炉的生产线，安装1台小容量的有源电力滤波器进行谐波治理实验。实验结果见图2及表1。

图2 HTQF系列有源电力滤波器治理效果对比Fig.2 HTQF series active power filter control effect comparison

表1 HTQF系列有源电力滤波器治理数据对比Tab.1 HTQF series active power filter control data comparison

由于滤波器容量有限，为了验证对特征次谐波的滤波效果，滤波器滤波次数只开放到15次。从对比数据中可以看出，有源滤波器启动后，负载电流波形接近正弦波，电流畸变率从37.88%降低到14.04%，5 次、7 次、11 次、13 次谐波电流已基本消除。

从功率和电能表中可以看出，在有功功率稍微增加的情况下，总电流反而有所下降，说明用电设备的利用率得到提升，起到了节能的效果，而总功率因数的提升也证明了这一点。

根据厂方的反馈，设备故障率有所降低，结晶成品率小幅提高，如能大规模推广效果会更加明显。

4 结语

通过实际案例可以看出，有源电力滤波器在单晶炉配电系统中的电能质量治理效果非常明显，不但圆满地完成了谐波消除任务，而且降低了谐波对晶体生长环境的影响，使得整个配电系统安全可靠性大幅提升；同时还降低了无谓的损耗，达到了既滤波又节能的效果，值得广泛推广。

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