無(wú)源濾波裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用及實(shí)施

1、交流濾波裝置在寧夏石嘴山地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用及實(shí)施摘 要本文針對(duì)工業(yè)電石爐非線性負(fù)荷在運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)荷電流電壓急 劇變化，其交流電源側(cè)產(chǎn)牛大量的諧波電流和無(wú)功問(wèn)題。根據(jù)對(duì)電源系統(tǒng)電能質(zhì) 量的分析與研究，并設(shè)計(jì)出相對(duì)應(yīng)的交流濾波補(bǔ)償裝置，介紹其濾波原理與模型 仿真，經(jīng)過(guò)理論分析與實(shí)際運(yùn)行，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，濾波效果好，完 全滿足公用電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)諧波含量和功率因數(shù)的要求。主題詞電石爐 諧波抑制 無(wú)功功率功率因數(shù) 無(wú)源濾波器 防真 引言為認(rèn)真落實(shí)國(guó)網(wǎng)公司營(yíng)銷會(huì)議提出的“要加大對(duì)冶金、軋鋼、電氣化鐵路等 諧波、負(fù)序源的監(jiān)測(cè)力度，督促客戶進(jìn)行諧波、負(fù)序治理，加強(qiáng)客戶無(wú)功補(bǔ)償裝 置運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)客戶

2、無(wú)功就地平衡”的精神要求，寧夏石嘴山供電局本著為客 戶優(yōu)化用電，挖掘電能的潛在效益和節(jié)約用電的空間。通過(guò)對(duì)石嘴山地區(qū)傳統(tǒng)工 業(yè)鐵合金、電石、碳化硅等非線性負(fù)荷入網(wǎng)后對(duì)電能質(zhì)量的影響進(jìn)行測(cè)試評(píng)定后, 將具體的治理落實(shí)在電石冶煉型負(fù)荷上。對(duì)寧夏凌云化工新上的31500kva電石 爐工程項(xiàng)fi的電能質(zhì)量進(jìn)行了背景測(cè)試后，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)精細(xì)縝密的計(jì)算 和分析比對(duì)，方案論證、提出了具體詳細(xì)的電能質(zhì)量治理方案-一安裝 tal35-18000/13841bl型交流濾波裝置，并予以實(shí)施，并對(duì)該裝置運(yùn)行后對(duì)終端 需求側(cè)電網(wǎng)及石嘴山地區(qū)電網(wǎng)的影響進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試與效能評(píng)估分析，通過(guò)測(cè)試 后發(fā)現(xiàn)此治理方案無(wú)論對(duì)需

3、求側(cè)電網(wǎng)述是地區(qū)電網(wǎng)的效果都十分明顯，對(duì)進(jìn)一步 優(yōu)化客戶用電、節(jié)約生產(chǎn)成本以及確保電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、可靠運(yùn)行都具 有顯著的促進(jìn)作用和電能質(zhì)量治理工作的帶頭示范作用，同時(shí)對(duì)指導(dǎo)其它傳統(tǒng)工 業(yè)進(jìn)行治理也具有積極的實(shí)際指導(dǎo)意義。1、系統(tǒng)情況介紹系統(tǒng)供電主接線示意圖如下：35kv電爐31500kva進(jìn)線電壓:35kvo35kv母線短路容量：按基準(zhǔn)容量250mva計(jì)算。電爐變?nèi)萘浚?1500kvao目前系統(tǒng)自然功率因數(shù)為0.7,要求補(bǔ)償至0. 9302、系統(tǒng)諧波測(cè)試與分析2. 1諧波測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)對(duì)用戶一期電石爐的諧波電流電壓進(jìn)行測(cè)試，以此數(shù)據(jù)作為參考，可估算二期新建電石爐的電流電壓情況，測(cè)試的負(fù)荷約為

4、新建負(fù)荷的一半。測(cè)試儀器：ps-6s電能質(zhì)量分析儀測(cè)試波形如下圖：凌云化工岀逆"1/（電殊i若勢(shì)分析/基注電a）時(shí)i日:2co9-02-18 k 00 00 3 200xx2-18 15 42 0015* affl巧 *1 7 y-r ci8«274 333269 533264 533259 533棊波電流2s4 3332009-2-18 14 03 54 2009-2-1814 15032009-2-1814 27 212009-2-1814 39 392009-2-1814 51 542009-2-18 15 04182009.2-18 1516:332009-2-18

5、15:28 512009-2-1815 41 06凌云化工岀錢小/（電總）勢(shì)分折as諧童電流（a）州目：2009-02-18 h 00 00至2009-02-18 15 42 00總諧波電流2009-2-1814:(»54 2009-2-18 14 14 572009-2.18 14 27 032002-1814 39 092009-2-18 14 51 182009-2-18302ow-2-181&15 362ocb-2-1815 27 4520»2-1815:»51廢云化工出線/"/(電和折計(jì)菲和綁iff!】: 2009-02-18 14 0

6、0 00至20040218 15 42 005224諧波電流值47244 22437243 2242 7242224172412240.7240x42 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2$ 26 27 26 29 » 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況及理論評(píng)估計(jì)算，結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給出諧波電流的發(fā)生量如下：1.不投濾波器的情況下注入系統(tǒng)35kv側(cè)的各次諧波電流值（a）諧波次數(shù)注入系統(tǒng)

7、35kv側(cè)的諧波電流值（a）允許值（a） k為系數(shù)2& 7215xk321.8312xk44. 987. 7xk532.4412xk63. 15. lxk73. 1& 8xk81.543. 8xk91.544. lxk100. 933. lxk110. 935. 6xk120.612.6xk130. 624.7xkuthd2.投入濾波器的情況下注入系統(tǒng)35kv側(cè)的各次諧波電流值(a)諧波次數(shù)注入系統(tǒng)35kv側(cè)的諧波電流值(a)允許值(a) k為系數(shù)212.8115xk33. 0312xk40. 177.7xk50. 7312xk60.95. lxk71. 158.8xk80.

8、633.8xk90. 674. lxk100.413. lxk110. 425. 6xk120. 292. 6xk130. 294.7xkuthd2.2諧波電流計(jì)算分析電石爐在運(yùn)行過(guò)程中，工作電流極不穩(wěn)定，變動(dòng)也極為劇烈，其產(chǎn)生的諧波 成分非常復(fù)雜，且頻譜連續(xù)，主要為2、3、4、5、6、7次諧波。電流變化的程 度及速度與諸多因素有關(guān)，如原料的大小、成分、電極的位置、變壓器分接頭的 位置等，以及操作人員的技術(shù)水平等因素都可能引起電流的隨機(jī)變化，從而引起 諧波的變化。綜上所述，一臺(tái)電石爐產(chǎn)牛的諧波按表1所示進(jìn)行評(píng)估。表1 一臺(tái)電石爐產(chǎn)生的諧波電流含有率諧波次數(shù)234567含褲厶/|(%)1.63.

9、60.95.30.60.6-臺(tái)電石爐的基波電流有效值為：(35kv側(cè))i產(chǎn)s/ ( v3u)二520a根據(jù)表1可知，力次諧波電流有效值如表2所示。表2 臺(tái)電石爐產(chǎn)生的諧波電流值諧波次數(shù)234567諧波電流(a)8. 3218. 724.6827. 563. 123. 123、治理方案的設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)目標(biāo)濾除系統(tǒng)的大部分諧波電流，使系統(tǒng)的月平均功率因數(shù)達(dá)到0. 93。3. 2裝置選型根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試無(wú)功功率和補(bǔ)償容量的分析計(jì)算可以看岀，取系統(tǒng)的補(bǔ)償容量 為isookvar，可以滿足系統(tǒng)無(wú)功的需求；由表2的諧波分析可以看出系統(tǒng)主要 的諧波電流為3、4、5次，同吋還兼有7、11次及以上的高次諧波電流，根

10、據(jù)系 統(tǒng)工況頻繁波動(dòng)，綜合考慮性價(jià)比，選用無(wú)源電力濾波裝置，即可滿足系統(tǒng)對(duì)諧 波和無(wú)功的需求。設(shè)備型號(hào):tal35-18000/13841bl3. 2濾波裝置設(shè)計(jì)采用電力濾波裝置就近吸收諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，是抑制諧波污染的有 效措施。通常采用由電力電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的無(wú)源濾波裝置 進(jìn)行濾波。其工作原理如下圖所示：交流負(fù)載電網(wǎng)ic(諧波源)i;無(wú)源濾波器也稱為lc調(diào)諧濾波器，它利用電容、電感在某一諧波頻率時(shí)發(fā) 生諧振，呈低阻抗，與電網(wǎng)阻抗形成分流的關(guān)系，使大部分該頻率的諧波流入濾 波器。能夠同時(shí)補(bǔ)償電網(wǎng)中的感性無(wú)功功率。由于無(wú)源濾波器具有投資少、效率 高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及

11、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此無(wú)源濾波器是目前廣泛采用的 抑制諧波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕侄巍?. 3濾波支路分配1)容量分配支路安裝容量 (kvar)基波容量 (kvar)額定電容 (uf)額定電感 (mh)3次600040779. 421204次6000494012. 0352. 75次6000482412. 0333. 7合主要設(shè)備參數(shù)元件參數(shù)組別h3h4h5濾波電容器單臺(tái)容量kvar250250250臺(tái)數(shù)242424單臺(tái)額定電壓kv75.755.75每相額定電壓282323濾波電抗器額定電感12052.733.7額定電流a758586基波品質(zhì)因數(shù)302525繞組結(jié)構(gòu)干式空心，

12、膜包鋁線調(diào)感范圍±5%3. 3建立數(shù)學(xué)模型為建立模型方便，先做一些假設(shè)：負(fù)載（整流變壓器）為理想諧波電流源;分析負(fù)載諧波屯流與流入電網(wǎng)諧波電流吋，電壓源可等效為短路。根據(jù)這些條 件，分別建立一條濾波支路、兩條濾波支路、三條濾波支路、四條濾波支路的數(shù) 學(xué)模型，分析電網(wǎng)電流與負(fù)載電流的關(guān)系。單條濾波支路的電路原理圖為：5l圖3.1單條濾波支路電路原理圖 電網(wǎng)電流與負(fù)載電流的傳遞函數(shù)為：l（s）_z（s）以 s） zs（s） + z（s）濾波器電流與負(fù)載電流的傳遞函數(shù)為：%）二 zs（s） 茹 _zs（s） + z門（s）兩條濾波支路的電路原理圖為:s/ i mas2mzss / i t

13、4圖3. 2兩條濾波支路電路原理圖電網(wǎng)電流與負(fù)載電流的傳遞函數(shù)為：z 門（s）*z/2（s）l（s）譏s）z 門（s） + z/2（s）zs（s） +z 門（s）*z/2（s）z 門（s） + z2（s）z2（s）zs（s） + z2（s）濾波器電流與負(fù)載電流的傳遞函數(shù)為:zs（s）us）z,.（s） +z（s）*z/2（s）z 門（s） + z/2 z/】2（s） + zs（s）三條濾波支路的電路原理圖為:圖3. 3三條濾波支路電路原理圖ssf3(s z屯網(wǎng)屯流與負(fù)載屯流的傳遞函數(shù)為：z/i2（5）*z/3 （s）z/23（s）zs（s） + z/23（s）l（s） _z/2（s） + z/

14、3（s）' zc2（s） + zf3（s）濾波器電流與負(fù)載電流的傳遞函數(shù)為:if(s) zs(s) z、.(s)l(s)二 z | z門2(s)*藥喬=z(s)+z心(s) s z2(s) + z/3(s)四條濾波支路的電路原理圖為：zfsxi% f4 zj s ls(s zsz-%s7f1x圖3.4四條濾波支路電路原理圖電網(wǎng)電流與負(fù)載電流的傳遞函數(shù)為:z/123(s)*z/4(s)l(s) _zg(s) + zf4(s)_z/234(s)茴=7 g i z"(s)*z“(s) =z,(s) + z®(s) s zg(s) + z/4(s)濾波器電流與負(fù)載電流的傳遞

15、函數(shù)為:if(s) z$(s) zs.(s)z (s) i z/123 (s)*z(s) =z$(s) + zg4(s) ' zg(s) + z“(s)其中:zm(s) =z 門(s)*z2(s)z 門(s) + zq(s)(s) =z門 2(s)*z/3(s)z/2(s) + zf3(s)心一 zg(s)*z“(s) /1234)_z門 23(s) + z"(s)/1234以上各式屮zs(s)為電網(wǎng)阻抗在頻域表達(dá)式zs = ls客s + rs ； z門(s)為第一條濾波支路頻域表達(dá)式z/|(s) = s*s + + ® ； z/2(s)為第二條濾波支路頻域 c門*

16、 s表達(dá)式z/2（s） =厶/2*s + r/2z/3（s）為第三條濾波支路頻域表達(dá)式z/3（s）= s*s+=+®z/4（s）為第四條濾波支路頻域表達(dá)式z/4（s） = lm*s +4、濾波器防真效果分析投入前后母線電壓總畸變率投入濾波器前：4. 79%；投入濾波器后:2. 26%；投入濾波器前后波形仿真效果圖in； x/、/濾波器不投運(yùn)£iwj/fx、系僦行方式a雖小運(yùn)行方式最大運(yùn)行方式濾波固運(yùn)行工況 廠漱支路r傲姻廠漱支路杲示電壓位置c主受一次側(cè)a主交二次側(cè)濾波器投運(yùn)前的電壓波形/、/濾波器投運(yùn)下卡twj/、f系圻運(yùn)行方式g最小運(yùn)行方式最大運(yùn)行方式濾注器運(yùn)行工況p 3

17、灶路p &欠支路v 5?欠支路顯示電壓位置c主費(fèi)一次側(cè)介主吏二次側(cè)退出濾波器投運(yùn)后的電壓波形盤陰抗頻率待性- xv顯示系統(tǒng)陰抗 打印ii退出系統(tǒng)運(yùn)行方式17歎支路頻率范圍從廠次到阪次更改i最小運(yùn)行方式阻抗頻率曲線浣波冊(cè)運(yùn)行工況f沁路p 4?欠支路f $欠支路系統(tǒng)運(yùn)行方式從廠次到rt次更改v顯示系倔抗打印i最小運(yùn)行方式阻抗頻率曲線5>工程應(yīng)用效果對(duì)比分析本套無(wú)源濾波裝置在凌云化工投入運(yùn)行后，為了掌握濾波器的濾波效果，分 別在不同濾波器組合情況下對(duì)凌云化工進(jìn)線和新利變電站2#主變35kv側(cè)進(jìn)行了 測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如下：從目c相三相電壓總畸變率-變化曲線10-29 14:55:00間

18、隔：15 秒起始時(shí)間：10-29 13:35:00結(jié)束時(shí)間:財(cái)目b相c相起始時(shí)間：10-29 13:30:30結(jié)束時(shí)間:00 間隔:5抄星大值4 63610-29 14:51建云化工段3、4戰(zhàn)減液醫(yī)凌云化工35ku進(jìn)線星小值:2.617%叭f(wàn)沖二打阿科 屮yswywm新利變2徉主爽35kv惻謔云化工檢3 4、5炊曲竝化不妙黔圖1凌云化工進(jìn)線和新利變2#主變35kv側(cè)電壓總畸變率變化曲線三相電壓變動(dòng)-變化曲線b相c相圖2凌云化工進(jìn)線三相電壓變動(dòng)曲線三相電壓閃變-變化曲線起始時(shí)間：10-29 13:35:00結(jié)束時(shí)間：10-29 14:55:00 間隔：15秒 攝大值:0.060杲小值：0.019

19、甘目b相圖3凌云化工進(jìn)線三相電壓閃變化曲線功率因數(shù)-變化曲線起始時(shí)間:10-29 13:35:00結(jié)束時(shí)間:10-29 14:55:00間隔：15秒圖4凌云化工進(jìn)線功率因數(shù)變化曲線6、結(jié)論1）由于石嘴山供電局新利變另一個(gè)炭化硅用戶的影響，在凌云化工全退、 投3次、5次、3、4次、3、4、5次濾波器過(guò)程中，新利變2#主變35kv側(cè)和凌 云化工進(jìn)線電壓總畸變率電壓畸變率超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其中11次、13次和23 次、25次電壓諧波較高。2）在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中新利變2#主變35kv側(cè)和凌云化工進(jìn)線電壓總畸變率 電壓不平衡度、電壓波動(dòng)和閃變都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，未發(fā)牛超標(biāo)現(xiàn)象。3）凌云化工不投濾波器時(shí)凌云化工進(jìn)線和新利變2#主變35kv側(cè)電壓總畸 變率95%概率值分別為4. 517%和4.