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諧波智能濾波裝置在某化工廠(chǎng)生產(chǎn)上的應(yīng)用

瀏覽次數(shù):1979更新日期:2013-09-25

 

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(xiàn)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(lái)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(xiàn)性負(fù)載和其它用戶(hù)帶來(lái)了大影響。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、研究供配電系統(tǒng)中的高次諧波問(wèn)題對(duì)供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積的意義。諧波測(cè)量是諧波問(wèn)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(wèn)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(kāi)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(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無(wú)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償。

        它具有供電質(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(chǎng)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。

用戶(hù)用電情況簡(jiǎn)況

        某化工廠(chǎng)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(jiàn)表1。

 

                       圖1  接于配電變壓器低壓側(cè)的負(fù)荷

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

        為諧波的不良影響,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(mǎn)足無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊螅郴S(chǎng)用低壓諧波濾波器裝置代替了原來(lái)的補(bǔ)償電容器組。

表1  1號(hào)配電變壓器總線(xiàn)測(cè)試值

 

諧波次數(shù)

5

7

11

13

電流(A)

483

312

176

184

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)

 

接線(xiàn)方式

三相三線(xiàn)或三相四線(xiàn)

接入電壓

3×380V ±10%

接入頻率

50Hz ±2%

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間

動(dòng)態(tài)響應(yīng)<4ms,全響應(yīng)時(shí)間<20ms;

開(kāi)關(guān)頻率

10kHz

功能設(shè)置

只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無(wú)功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無(wú)功;手動(dòng)、自動(dòng)切換。

諧波補(bǔ)償次數(shù)

2-21次

保護(hù)類(lèi)型

直流過(guò)壓 IGBT過(guò)流 裝置溫度保護(hù)

過(guò)載保護(hù)

自動(dòng)限流在設(shè)定值,不發(fā)生過(guò)載

冷卻方式

智能風(fēng)冷

噪音

< 65db(處于柜內(nèi)并運(yùn)作于額定狀態(tài))

工作環(huán)境溫度

-10℃~+45℃

工作環(huán)境濕度

<85%RH 不凝結(jié)

安裝場(chǎng)合

室內(nèi)安裝

海拔高度

≤1000m(更高海拔需降容使用)

進(jìn)出線(xiàn)方式

下進(jìn)下出

防護(hù)等級(jí)

IP21

智能通信接口

RS485/MODBUS-RTU

遠(yuǎn)程監(jiān)控

可選

外形尺寸(mm)

(W×D×H)

30A

50A

7

100A

600×500×1500

600×500×1500

600×500×1800

800×600×2200

重量(kg)

三相四線(xiàn)

三相三線(xiàn)

30A、50A

7、100A

30A、50A

7、100A

280

360

240

290

3.2 無(wú)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(wú)功補(bǔ)償作用外,還具有濾波能力,使用戶(hù)注入系統(tǒng)的諧波電流大大降低,表2~3是某化工廠(chǎng)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(hù)的各項(xiàng)電能指標(biāo)得到明顯;無(wú)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))

 

工   況

In/I1(%)

3

5

7

11

13

原有補(bǔ)償電容投入后

4.6

33.8

16.9

9.2

18.4

原有補(bǔ)償電容退出后

4.6

26.1

10.7

3.0

1.5

表3 諧波濾波裝置對(duì)電能質(zhì)量的

 

工  況

母線(xiàn)電壓(V)

母線(xiàn)電流(KA)

功率因素

三相視在功率(MVA)

三相有功功率(MW)

三相無(wú)功功率(Mvar)

電壓總畸變率(THDy)

電流總畸變率(THDI

諧波濾波裝置投入前

389.4

2.3

0.734

1.57

1.15

1.067

5.3%

14.57%

諧波濾波裝置投入后

397.3

1.834

0.917

1.26

1.15

0.53

2.55%

7.3%

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,具有快的響應(yīng)時(shí)間;的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǎ雀?、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(guò)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(xiàn)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(zhuān)門(mén)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。

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(wú)源諧波抑制,可根據(jù)無(wú)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(wú)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(mǎn)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(mǎn)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

 

型號(hào):ANAPF50-400/B

參考價(jià)格:7.5萬(wàn)元/臺(tái)

主要產(chǎn)品明細(xì):

序號(hào)

名    稱(chēng)

型    號(hào)

數(shù)量

1

APF電氣柜

600X500X1800

1

2

變流器

APFCOV-CVT50

1

3

控制器

APFMC-C50

1

4

電抗器

APF-RE.(S)DG-50

1

5

有源電流互感器

LT108-S7

3

6

濾波器

DL-1TH1

2

7

斷路器

NSE100N4063

1

8

接觸器

LC1D65 M7C

1

9

微型斷路器

NDM1-63C32

1

10

中間繼電器

MY4NAC

2

11

R型變壓器

R320-0.38/0.22

1

12

諧波檢測(cè)儀

ACR350EGH

1

13

電線(xiàn)

16mm2

若干

14

電線(xiàn)

4mm2

若干

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(guò)去因無(wú)功不足每月需交力率調(diào)整費(fèi)近萬(wàn)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(chǎng)節(jié)約電費(fèi)開(kāi)支20.5萬(wàn)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,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(guò)去該廠(chǎng)損壞約200kvar電容器,濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)近2年來(lái),裝置本身各元件正常運(yùn)行*。

5  結(jié)語(yǔ)

        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(wú)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*的濾波能力,是諧波污染和危害的根本措施,所以應(yīng)大力推廣使用。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]顏曉慶,王兆安.并聯(lián)混合型電力有源濾波器的數(shù)字模型與穩(wěn)定性分析[J].電力電子技術(shù),1998,(4):24~28.

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[5]王建元,紀(jì)延超.一種自動(dòng)無(wú)功功率補(bǔ)償模糊控制策略的研究[J].中國(guó)電力,2002,(2):41-43. 

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