諧波智能濾波裝置在某化工廠生產(chǎn)上的應(yīng)用

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)濟運行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負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改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行有著非常積極的意義。諧波測量是諧波問題中的一個重要分支，對抑制諧波、解決諧波產(chǎn)生的問題有著重要的指導(dǎo)作用。因此對諧波的測量和分析是電力系統(tǒng)分析和控制中的一項重要工作，是繼電保護、故障測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)，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個和當前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償。

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)濟性能作簡單的介紹。

2 用戶用電情況簡況

某化工廠2010年負荷配電變壓器容量5.2MVA，有1.6MVA配電變壓器兩臺，2.0MVA配電變壓器一臺，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號配變的（1.6MVA）0.4kV側(cè)，如簡圖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，其實測值見表1。

圖1  接于配電變壓器低壓側(cè)的負荷

1號配變原來裝有0.4kV側(cè)的無功補償電容器近600kvar，運行兩年來已先后損壞更換約60%，由于無功不足，按力率調(diào)整電費每年多交10多萬元（2010年統(tǒng)計）。

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

3 3 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 無功補償與電力濾波兼顧

同一般低壓電容補償設(shè)備相比，ANAPF有源諧波濾波裝置除具有無功補償作用外，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測數(shù)據(jù)分析。

從表2可以看出，裝設(shè)諧波濾波裝置前，原有電容補償支路和負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電能指標得到明顯改善；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，大大減少對電網(wǎng)污染。1號變壓器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5、7、11、13次諧波的吸收效率分別是64%、72%、50%、66%。

3.3 ANAPF有源電力濾波裝置主要技術(shù)特點

使用方便，易于操作和維護。DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時間；先進的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩(wěn)定；模塊化設(shè)計，便于生產(chǎn)調(diào)試；便利的并聯(lián)設(shè)計，方便擴容；具有完善的橋臂過流、保護功能；

3.4 諧波抑制及治理的容量設(shè)計

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)備的實際工作狀態(tài)都不同。因此實際諧波電流需采用專門設(shè)備進行測量，考慮到設(shè)備的技術(shù)及經(jīng)濟性，設(shè)計諧波治理裝置的額定諧波補償電流應(yīng)略大于系統(tǒng)諧波電流。由于諧波電流本身的測量與計算比較復(fù)雜，況且在設(shè)計時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)下列公式以對諧波電流進行估算。

其中 為負荷率：即負荷占變壓器額定容量的比例，通常取0.7-0.8；

為諧波系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)場合不同而不同； 

為變壓器額定容量，單位kVA；

為低壓系統(tǒng)電壓，一般取0.4。

3.4.2 諧波補償裝置容量選型

    補償電流選擇原則：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行設(shè)計選型。

    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格及主要元件清單

4  濾波補償裝置經(jīng)濟效能

（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)整費變罰為獎，即過去因無功不足每月需交力率調(diào)整費近萬元，裝設(shè)補償濾波裝置后功率因數(shù)提高，每月獎勵力率調(diào)整費500多元。
（2） 增容降低損：由于裝設(shè)濾波補償后，能進行有效的就地無功補償，1號配變相當于增加310kVA，同時，損耗大大降低，2012年3月至11月，某化工廠節(jié)約電費開支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，一級品率由97.1%提高到98.29&，2012年增加一級品型材近100t。
（4） 延長設(shè)備壽命：濾波補償裝置投入后，負荷電流和諧波電壓、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，因而提高了安全運行水平。設(shè)備壽命的延長，單電容而言，過去該廠損壞約200kvar電容器，濾波補償裝置投運近2年來，裝置本身各元件正常運行無故障。

5  結(jié)語

綜合所述，諧波濾波裝置兼顧了補償和濾波功能，諧波濾波裝置投運后，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。而且還補償了無功，使功率因數(shù)達到了0.9以上，杜絕了電費罰款現(xiàn)象。由于濾除了諧波，減少了對供電系統(tǒng)的污染，保證裝置運行正常。諧波濾波裝置具有極強的濾波能力，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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