無源濾波裝置在電網中的應用及實施

1、交流濾波裝置在寧夏石嘴山地區(qū)電網中的應用及實施摘 要本文針對工業(yè)電石爐非線性負荷在運行過程中，負荷電流電壓急 劇變化，其交流電源側產牛大量的諧波電流和無功問題。根據對電源系統(tǒng)電能質 量的分析與研究，并設計出相對應的交流濾波補償裝置，介紹其濾波原理與模型 仿真，經過理論分析與實際運行，該裝置運行穩(wěn)定，可靠性高，濾波效果好，完 全滿足公用電網系統(tǒng)運行對諧波含量和功率因數的要求。主題詞電石爐 諧波抑制 無功功率功率因數 無源濾波器 防真 引言為認真落實國網公司營銷會議提出的“要加大對冶金、軋鋼、電氣化鐵路等 諧波、負序源的監(jiān)測力度，督促客戶進行諧波、負序治理，加強客戶無功補償裝 置運行管理，實現客戶

2、無功就地平衡”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。通過對石嘴山地區(qū)傳統(tǒng)工 業(yè)鐵合金、電石、碳化硅等非線性負荷入網后對電能質量的影響進行測試評定后, 將具體的治理落實在電石冶煉型負荷上。對寧夏凌云化工新上的31500kva電石 爐工程項fi的電能質量進行了背景測試后，根據測試數據，經過精細縝密的計算 和分析比對，方案論證、提出了具體詳細的電能質量治理方案-一安裝 tal35-18000/13841bl型交流濾波裝置，并予以實施，并對該裝置運行后對終端 需求側電網及石嘴山地區(qū)電網的影響進行了比對測試與效能評估分析，通過測試 后發(fā)現此治理方案無論對需

3、求側電網述是地區(qū)電網的效果都十分明顯，對進一步 優(yōu)化客戶用電、節(jié)約生產成本以及確保電網的安全、經濟、優(yōu)質、可靠運行都具 有顯著的促進作用和電能質量治理工作的帶頭示范作用，同時對指導其它傳統(tǒng)工 業(yè)進行治理也具有積極的實際指導意義。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進線電壓:35kvo35kv母線短路容量：按基準容量250mva計算。電爐變容量：31500kvao目前系統(tǒng)自然功率因數為0.7,要求補償至0. 9302、系統(tǒng)諧波測試與分析2. 1諧波測試現場對用戶一期電石爐的諧波電流電壓進行測試，以此數據作為參考，可估算二期新建電石爐的電流電壓情況，測試的負荷約為

4、新建負荷的一半。測試儀器：ps-6s電能質量分析儀測試波形如下圖：凌云化工岀逆"1/（電殊i若勢分析/基注電a）時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根據現場測試情況及理論評估計算，結合長期以來進行濾波器設計經驗，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側的各次諧波電流值（a）諧波次數注入系統(tǒng)

7、35kv側的諧波電流值（a）允許值（a） k為系數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側的各次諧波電流值(a)諧波次數注入系統(tǒng)35kv側的諧波電流值(a)允許值(a) k為系數212.8115xk33. 0312xk40. 177.7xk50. 7312xk60.95. lxk71. 158.8xk80.

8、633.8xk90. 674. lxk100.413. lxk110. 425. 6xk120. 292. 6xk130. 294.7xkuthd2.2諧波電流計算分析電石爐在運行過程中，工作電流極不穩(wěn)定，變動也極為劇烈，其產生的諧波 成分非常復雜，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，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水平等因素都可能引起電流的隨機變化，從而引起 諧波的變化。綜上所述，一臺電石爐產牛的諧波按表1所示進行評估。表1 一臺電石爐產生的諧波電流含有率諧波次數234567含褲厶/|(%)1.63.

9、60.95.30.60.6-臺電石爐的基波電流有效值為：(35kv側)i產s/ ( v3u)二520a根據表1可知，力次諧波電流有效值如表2所示。表2 臺電石爐產生的諧波電流值諧波次數234567諧波電流(a)8. 3218. 724.6827. 563. 123. 123、治理方案的設計3.1設計目標濾除系統(tǒng)的大部分諧波電流，使系統(tǒng)的月平均功率因數達到0. 93。3. 2裝置選型根據系統(tǒng)測試無功功率和補償容量的分析計算可以看岀，取系統(tǒng)的補償容量 為isookvar，可以滿足系統(tǒng)無功的需求；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、據系 統(tǒng)工況頻繁波動，綜合考慮性價比，選用無源電力濾波裝置，即可滿足系統(tǒng)對諧 波和無功的需求。設備型號:tal35-18000/13841bl3. 2濾波裝置設計采用電力濾波裝置就近吸收諧波源所產生的諧波電流，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組合而成的無源濾波裝置 進行濾波。其工作原理如下圖所示：交流負載電網ic(諧波源)i;無源濾波器也稱為lc調諧濾波器，它利用電容、電感在某一諧波頻率時發(fā) 生諧振，呈低阻抗，與電網阻抗形成分流的關系，使大部分該頻率的諧波流入濾 波器。能夠同時補償電網中的感性無功功率。由于無源濾波器具有投資少、效率 高、結構簡單、運行可靠及

11、維護方便等優(yōu)點，因此無源濾波器是目前廣泛采用的 抑制諧波及無功補償的主要手段。3. 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合主要設備參數元件參數組別h3h4h5濾波電容器單臺容量kvar250250250臺數242424單臺額定電壓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基波品質因數302525繞組結構干式空心，

12、膜包鋁線調感范圍±5%3. 3建立數學模型為建立模型方便，先做一些假設：負載（整流變壓器）為理想諧波電流源;分析負載諧波屯流與流入電網諧波電流吋，電壓源可等效為短路。根據這些條 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 學模型，分析電網電流與負載電流的關系。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 電網電流與負載電流的傳遞函數為：l（s）_z（s）以 s） zs（s） + z（s）濾波器電流與負載電流的傳遞函數為：%）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電流與負載電流的傳遞函數為：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）濾波器電流與負載電流的傳遞函數為: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屯網屯流與負載屯流的傳遞函數為：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）濾波器電流與負載電流的傳遞函數為: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電流與負載電流的傳遞函數為: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)濾波器電流與負載電流的傳遞

15、函數為: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)為電網阻抗在頻域表達式zs = ls客s + rs ； z門(s)為第一條濾波支路頻域表達式z/|(s) = s*s + + ® ； z/2(s)為第二條濾波支路頻域 c門*

16、 s表達式z/2（s） =厶/2*s + r/2z/3（s）為第三條濾波支路頻域表達式z/3（s）= s*s+=+®z/4（s）為第四條濾波支路頻域表達式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£iwj/fx、系僦行方式a雖小運行方式最大運行方式濾波固運行工況 廠漱支路r傲姻廠漱支路杲示電壓位置c主受一次側a主交二次側濾波器投運前的電壓波形/、/濾波器投運下卡twj/、f系圻運行方式g最小運行方式最大運行方式濾注器運行工況p 3

17、灶路p &欠支路v 5?欠支路顯示電壓位置c主費一次側介主吏二次側退出濾波器投運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)運行方式17歎支路頻率范圍從廠次到阪次更改i最小運行方式阻抗頻率曲線浣波冊運行工況f沁路p 4?欠支路f $欠支路系統(tǒng)運行方式從廠次到rt次更改v顯示系倔抗打印i最小運行方式阻抗頻率曲線5>工程應用效果對比分析本套無源濾波裝置在凌云化工投入運行后，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凌云化工進線和新利變電站2#主變35kv側進行了 測試。檢測結果對比如下：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 秒起始時間：10-29 13:35:00結束時間:財目b相c相起始時間：10-29 13:30:30結束時間: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進線星小值:2.617%叭f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凌云化工進線和新利變2#主變35kv側電壓總畸變率變化曲線三相電壓變動-變化曲線b相c相圖2凌云化工進線三相電壓變動曲線三相電壓閃變-變化曲線起始時間：10-29 13:35:00結束時間：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凌云化工進線三相電壓閃變化曲線功率因數-變化曲線起始時間:10-29 13:35:00結束時間:10-29 14:55:00間隔：15秒圖4凌云化工進線功率因數變化曲線6、結論1）由于石嘴山供電局新利變另一個炭化硅用戶的影響，在凌云化工全退、 投3次、5次、3、4次、3、4、5次濾波器過程中，新利變2#主變35kv側和凌 云化工進線電壓總畸變率電壓畸變率超過了國家標準。其中11次、13次和23 次、25次電壓諧波較高。2）在整個測試過程中新利變2#主變35kv側和凌云化工進線電壓總畸變率 電壓不平衡度、電壓波動和閃變都符合國家標準，未發(fā)牛超標現象。3）凌云化工不投濾波器時凌云化工進線和新利變2#主變35kv側電壓總畸 變率95%概率值分別為4. 517%和4.