諧波智能濾波裝置在某化工廠生產(chǎn)上的應(yīng)用

王長(zhǎng)幸 江蘇安科瑞電器制造有限公司

1  前言

隨著電力電子變流裝置的應(yīng)用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但非線性電力裝置設(shè)備的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的電流諧波，畸變電流在電網(wǎng)中的流動(dòng)導(dǎo)致了諧波電壓；諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負(fù)載和其它用戶帶來了極大影響。諧波已與電磁干擾、功率因數(shù)降低并列為電力系統(tǒng)的三大公害。所以了解諧波產(chǎn)生的原理、研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對(duì)改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。諧波測(cè)量是諧波問題中的一個(gè)重要分支，對(duì)抑制諧波、解決諧波產(chǎn)生的問題有著重要的指導(dǎo)作用。因此對(duì)諧波的測(cè)量和分析是電力系統(tǒng)分析和控制中的一項(xiàng)重要工作，是繼電保護(hù)、故障測(cè)量等工作開展的重要前提。

ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償。

它具有改善供電質(zhì)量、提高功率因素和設(shè)備利用率、節(jié)約能源降低損耗等多種功能，從而獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，投資回收年限一般為1～2年。本文以某化工廠為例，就低壓諧波濾波裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能作簡(jiǎn)單的介紹。

1. 用戶用電情況簡(jiǎn)況

某化工廠2010年負(fù)荷配電變壓器容量5.2MVA，有1.6MVA配電變壓器兩臺(tái)，2.0MVA配電變壓器一臺(tái)，配電變壓器高壓側(cè)電壓10kV，低壓側(cè)為0.4kV，產(chǎn)生諧波的設(shè)備主要是整流柜，整流設(shè)備容量為1.344MVA。集中接于1號(hào)配變的（1.6MVA）0.4kV側(cè)，如簡(jiǎn)圖1所示。整流設(shè)備產(chǎn)生的主要諧波電流有5次、7次、11次、13次電流，其實(shí)測(cè)值見表1。

                1號(hào)配變?cè)瓉硌b有0.4kV側(cè)的無功補(bǔ)償電容器近600kvar，運(yùn)行兩年來已先后損壞更換約60%，由于無功不足，按力率調(diào)整電費(fèi)每年多交10多萬元（2010年統(tǒng)計(jì)）。

為消除諧波的不良影響，降低生產(chǎn)損耗，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也為滿足無功補(bǔ)償?shù)囊?，某化工廠用低壓諧波濾波器裝置代替了原來的補(bǔ)償電容器組。

表1  1號(hào)配電變壓器總線測(cè)試值

1. ANAPF有源電力濾波裝置

3.1 ANAPF有源電力濾波裝置技術(shù)參數(shù)

3.2 無功補(bǔ)償與電力濾波兼顧

同一般低壓電容補(bǔ)償設(shè)備相比，ANAPF有源諧波濾波裝置除具有無功補(bǔ)償作用外，還具有濾波能力，使用戶注入系統(tǒng)的諧波電流大大降低，表2～3是某化工廠在兩組不同用電條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

從表2可以看出，裝設(shè)諧波濾波裝置前，原有電容補(bǔ)償支路和負(fù)荷及配電變壓器之間構(gòu)成并聯(lián)諧振回路使電容及配電變壓器的諧波電流明顯放大，其諧振點(diǎn)在13次附近。

表3反映了投入諧波濾波裝置后使用戶的各項(xiàng)電能指標(biāo)得到明顯改善；無供需量減少50%，功率因素從0.734提高到0.917,電壓及電流畸變均減少了一半。

ANAPF有源濾波裝置投入使用后，吸收整流設(shè)備產(chǎn)生的大部分高次諧波電流，大大減少對(duì)電網(wǎng)污染。1號(hào)變壓器0.4kV側(cè)投入諧波濾波裝置后，注入系統(tǒng)的諧波電流值5次從301A降至108A，7次從132A降至36A，11次從48A降至24A，13次從36A降至12A；對(duì)5、7、11、13次諧波的吸收效率分別是64%、72%、50%、66%。

表2 原有電容補(bǔ)償設(shè)備對(duì)各次諧波電流的影響（0.4kV側(cè)）

表3 諧波濾波裝置對(duì)電能質(zhì)量的改善

3.3 ANAPF有源電力濾波裝置主要技術(shù)特點(diǎn)

使用方便，易于操作和維護(hù)。DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時(shí)間；先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?，精度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定；模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)調(diào)試；便利的并聯(lián)設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)容；具有完善的橋臂過流、保護(hù)功能；

3.4 諧波抑制及治理的容量設(shè)計(jì)

3.4.1諧波電流估算

諧波是由非線性設(shè)備產(chǎn)生的，而每種設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)都不同。因此實(shí)際諧波電流需采用專門設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，考慮到設(shè)備的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)諧波治理裝置的額定諧波補(bǔ)償電流應(yīng)略大于系統(tǒng)諧波電流。由于諧波電流本身的測(cè)量與計(jì)算比較復(fù)雜，況且在設(shè)計(jì)時(shí)往往很難采集到足夠的電氣設(shè)備使用中的諧波數(shù)據(jù)，可以根據(jù)下列公式以對(duì)諧波電流進(jìn)行估算。

其中K1為負(fù)荷率：即負(fù)荷占變壓器額定容量的比例，通常取0.7-0.8；

K2諧波系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)場(chǎng)合不同而不同；

  ST為變壓器額定容量，單位kVA；

US為低壓系統(tǒng)電壓，一般取0.4。

3.4.2 諧波補(bǔ)償裝置容量選型

    補(bǔ)償電流選擇原則：根據(jù)估算得到諧波電流值。

    如采用無源諧波抑制，可根據(jù)無功容量每千乏（kVar）折算成電流后按0.2-0.3的系數(shù)折算成諧波抑制電流，如100 kVar消諧式無功補(bǔ)償電流為144A，按系數(shù)0.2折算即抑制28.8A的諧波電流。

    如采用有源濾波裝置，可根據(jù)濾波方案選擇框圖中的估算值進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

    例：某公司配電變壓器容量為150kVA，變壓器變比為10/0.4kV，K1取值為0.8，K2取值為25%，試求選用電流等級(jí)為多少的有源濾波器即可滿足抑制諧波的需要。

根據(jù)電流諧波公式為：

考慮到要有一定有裕量，選用50A的有源電力濾波器

故選用容量為35kVA的有源濾波器即可滿足抑制諧波的需求。

3.5 ANAPF有源電力濾波裝置價(jià)格及主要元件清單

4  濾波補(bǔ)償裝置經(jīng)濟(jì)效能

1. 功率因素提高：裝置投入后功率因數(shù)提高至0.9以上，力率調(diào)整費(fèi)變罰為獎(jiǎng)，即過去因無功不足每月需交力率調(diào)整費(fèi)近萬元，裝設(shè)補(bǔ)償濾波裝置后功率因數(shù)提高，每月獎(jiǎng)勵(lì)力率調(diào)整費(fèi)500多元。
2. 增容降低損：由于裝設(shè)濾波補(bǔ)償后，能進(jìn)行有效的就地?zé)o功補(bǔ)償，1號(hào)配變相當(dāng)于增加310kVA，同時(shí)，損耗大大降低，2012年3月至11月，某化工廠節(jié)約電費(fèi)開支20.5萬元，產(chǎn)品用電單耗由514Kw.h/t，降為475.5 Kw.h/t，降幅為7.5%。
3. 提高產(chǎn)品合格率：濾波補(bǔ)償裝置投入后，諧波減少，電壓穩(wěn)定，電能質(zhì)量明顯改善，因而提高產(chǎn)品質(zhì)量，一級(jí)品率由97.1%提高到98.29&，2012年增加一級(jí)品型材近100t。
4. 延長(zhǎng)設(shè)備壽命：濾波補(bǔ)償裝置投入后，負(fù)荷電流和諧波電壓、諧波電流的減少使設(shè)備的發(fā)熱損耗降低，振動(dòng)減少，整流元件損壞率降低、設(shè)備絕緣老化減緩，故障率下降，因而提高了安全運(yùn)行水平。設(shè)備壽命的延長(zhǎng)，單電容而言，過去該廠損壞約200kvar電容器，濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)近2年來，裝置本身各元件正常運(yùn)行無故障。

5  結(jié)語

綜合所述，諧波濾波裝置兼顧了補(bǔ)償和濾波功能，諧波濾波裝置投運(yùn)后，不僅濾去了5、7、11、13次諧波，各次諧波含量均符合《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波》允許的諧波電流值的要求。而且還補(bǔ)償了無功，使功率因數(shù)達(dá)到了0.9以上，杜絕了電費(fèi)罰款現(xiàn)象。由于濾除了諧波，減少了對(duì)供電系統(tǒng)的污染，保證裝置運(yùn)行正常。諧波濾波裝置具有極強(qiáng)的濾波能力，是消除諧波污染和危害的根本措施，所以應(yīng)大力推廣使用。

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[6]安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.版

技術(shù)支持：王長(zhǎng)幸（1985-），女，江蘇安科瑞電器制造有限公司  ,漢族，本科，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芙ㄖ┡潆姳O(jiān)控系統(tǒng) 郵箱：acrelwx@163.com；  0510-86179961  QQ:2880263323  網(wǎng)址：http://www.jyacrel.cn/  http://ipd.acrel.cn/

《ANAPF有源電力濾波裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用圖集》（圖集號(hào)：ACR13CDX701）由安科瑞電氣股份有限公司主編，本圖集結(jié)合ANAPF有源電力濾波裝置產(chǎn)品的特點(diǎn)，依據(jù)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題，達(dá)到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。圖集適用于新建、改建、擴(kuò)建和技改項(xiàng)目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的諧波抑制及綜合治理的設(shè)計(jì)與改造。凡需要圖集的請(qǐng)?zhí)峁┵F單位名稱、部門、地址、郵編、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、郵箱等信息，傳真:0510-86179835、郵件:2880263323@qq.com或QQ2880263323至安科瑞王長(zhǎng)幸工程師收，安科瑞電氣免費(fèi)贈(zèng)送。