黎明化工研究院 牛辰卉 郭超華 李 超

諧波治理和有源濾波無(wú)功補(bǔ)償裝置及應(yīng)用

黎明化工研究院 牛辰卉 郭超華 李 超

電力電子元件在工業(yè)及家用電器領(lǐng)域的普及應(yīng)用，產(chǎn)生非線性諧波，使電網(wǎng)畸變?nèi)找鎳?yán)重，影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。本文介紹一種有源濾波補(bǔ)償無(wú)功功率的方法，該方法用于非線性沖擊負(fù)荷較大的工業(yè)企業(yè)和電網(wǎng)，有效濾除電網(wǎng)中高次諧波，使電壓畸變率由5.2%降低至1.3%，改善電壓質(zhì)量，提高供、用電設(shè)備效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

諧波 有源濾波 無(wú)功補(bǔ)償 電網(wǎng)畸變

一、引言

隨著電力半導(dǎo)體器件的不斷更新和發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，大功率的整流器、變頻器、UPS、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、節(jié)能燈等設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流注入電網(wǎng)，使電壓波形產(chǎn)生畸變，從而對(duì)電網(wǎng)和所有后端用戶造成嚴(yán)重危害，因此諧波問題及諧波治理問題隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展愈來愈引起人們的重視。本文以項(xiàng)目實(shí)例介紹一種新型無(wú)功補(bǔ)償裝置——有源濾波器，該裝置可有效抑制電網(wǎng)諧波，使電網(wǎng)電壓保持穩(wěn)定，避免了電容器與系統(tǒng)發(fā)生諧振的現(xiàn)象。

二、項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

1. 項(xiàng)目概況。某項(xiàng)目為年產(chǎn)10萬(wàn)噸過氧化氫項(xiàng)目，項(xiàng)目擬建一10/0.4KV變電站，電源進(jìn)線引自原110/10KV變電站，采用專線架空敷設(shè)，該10/0.4KV變電站設(shè)變壓器2臺(tái)，裝置內(nèi)用電負(fù)荷均由該變電站供電。

2. 電網(wǎng)現(xiàn)況。過氧化氫項(xiàng)目與原離子膜項(xiàng)目緊鄰，共用同一電網(wǎng)。現(xiàn)有裝置電容器使用過程中，發(fā)生數(shù)次電容擊穿、燒毀等事故，經(jīng)初步分析事故原因?yàn)椋河捎陔x子膜整流裝置產(chǎn)生高次諧波注入電網(wǎng)，該諧波電流流入電容器，使之過流發(fā)熱，同時(shí)電容器與電網(wǎng)電感發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波的放大， 造成電容器燒毀事故。

在現(xiàn)場(chǎng)采用諧波檢測(cè)器對(duì)電網(wǎng)中一個(gè)支路進(jìn)行檢測(cè)。該支路變壓器容量為1600kVA，電壓等級(jí)為10kV/0.4kV，采用D,Yn11聯(lián)結(jié)方式，阻抗電壓百分比為4.5%，短路容量為35 MVA。圖1為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)所抓拍的電壓畸變圖和電流頻譜圖。從圖中可以看出，諧波成分以5次和7次為主，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析出5次諧波電流大小為238.6A，7次諧波電流大小為162.2A，5次、7次諧波電流均已超出國(guó)標(biāo)值所規(guī)定217A和154A范圍，電壓畸變率為5.2%，超出國(guó)標(biāo)規(guī)定值5.0%。

圖1 濾波裝置使用前電網(wǎng)側(cè)電壓畸變圖和電流頻譜圖

由此可見，現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)中存在多次諧波，并且諧波污染十分嚴(yán)重。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，離子膜項(xiàng)目中使用的多臺(tái)整流器，產(chǎn)生大量諧波電流，進(jìn)而影響電網(wǎng)質(zhì)量。該項(xiàng)目中無(wú)諧波治理裝置，僅在離子膜項(xiàng)目的變配電站內(nèi)設(shè)有無(wú)功補(bǔ)償電容器，雖補(bǔ)償后全廠功率因數(shù)已達(dá)0.9以上，滿足國(guó)標(biāo)要求，但這種傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式通過配置固定電抗率的電抗器，僅能抑制相應(yīng)次數(shù)的諧波電流，對(duì)治理電力系統(tǒng)中存在的多次諧波效果不佳。這會(huì)導(dǎo)致多種安全問題，如變壓器溫度過高，輸出功率降低；電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)，噪聲增大；中性點(diǎn)溫度過高導(dǎo)致保護(hù)跳閘等，這些問題都會(huì)影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3. 設(shè)計(jì)方案。針對(duì)項(xiàng)目中使用整流器較多，諧波污染嚴(yán)重的情況，經(jīng)論證比較，可采用有源濾波裝置進(jìn)行治理，故在企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的主電路上裝設(shè)一套有源濾波裝置。

有源電力濾波器能實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，將諧波與基波分離后，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波。有源濾波器有很快的響應(yīng)速度，對(duì)變化的諧波和無(wú)功功率都能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以同時(shí)濾除多次諧波，特別是高次諧波，其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗參數(shù)影響較小。

本項(xiàng)目中有源濾波裝置采用并聯(lián)方式，它主要適用于電流源型非線性負(fù)載的諧波。并聯(lián)的有源濾波器特性不受系統(tǒng)阻抗影響，不會(huì)與電網(wǎng)發(fā)生諧振，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的工況，且在裝設(shè)過程中便于安裝。圖2為并聯(lián)有源濾波器的原理框圖。圖中Is—系統(tǒng)電流；It—檢測(cè)電流；Ic—補(bǔ)償電流分量。

圖2 并聯(lián)有源濾波器原理框圖

有源電力濾波器通過并聯(lián)的方式連接到該項(xiàng)目電網(wǎng)的主電路中，在主電路中實(shí)時(shí)檢測(cè)并分離出諧波電流，然后控制逆變電路產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流幅值相等、方向相反的補(bǔ)償電流分量，注入到主電路中抵消原諧波電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。

有源濾波設(shè)備投運(yùn)后，原有的變壓器和電機(jī)出現(xiàn)的溫度過高和噪聲較大的現(xiàn)象均得到明顯改善。再對(duì)裝設(shè)有源電力濾波裝置后的電網(wǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明：治理后5次、7次諧波電流分別下降為76.2A、55.3A，電壓畸變率下降為1.3%。如圖可見（圖3）電壓電流波形變得比較光滑，波形畸變也得到很大改善，各主要次數(shù)諧波均實(shí)現(xiàn)有效濾除，濾波效果明顯。

圖3 使用并聯(lián)有源濾波器后電網(wǎng)側(cè)電壓畸變圖和電流頻譜圖

裝設(shè)有源濾波裝置后，系統(tǒng)中的各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，所有的電力負(fù)載運(yùn)行正常，整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

三、結(jié)論

本項(xiàng)目采用有源濾波器補(bǔ)償效果較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（1）補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)功，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和精確補(bǔ)償；

（2）濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；

（3）具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)。

補(bǔ)償后電網(wǎng)功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，各主要次數(shù)諧波均有效濾除，其中5次和7次諧波電流由238.6A和162.2A，分別降至76.2A、55.3A，電壓畸變率由5.2%降低至1.3%，改善了電壓質(zhì)量，避免了諧波的放大及諧波對(duì)電器造成的附加損耗和過電壓影響，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命。同時(shí)，該裝置有效降低線損，穩(wěn)定電壓，降低電氣故障率、提高電能使用效率，取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

四、結(jié)束語(yǔ)

有源電力濾波器具有反應(yīng)及時(shí)、連續(xù)可調(diào)、動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)葍?yōu)越性，成為一種有效的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償裝置。隨著我國(guó)對(duì)電網(wǎng)諧波污染治理的日益重視，“綠色電力電子”的呼聲愈來愈高，有源電力濾波器以巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、強(qiáng)大功能、逐漸下降的價(jià)格，最終必將取代傳統(tǒng)的電容型無(wú)功補(bǔ)償裝置，占據(jù)市場(chǎng)主流。

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