谐波治理方案

高峰五洲人造板有限公司谐波治理方案

1、项目背景

高峰五洲人造板有限公司有3台变压器,分别给压板车间、削片车间、砂光车间供电,其容量分别为2500kVA、2000kVA、2000kVA。每台变低压侧配备3个电容补偿柜,无功补偿容量为900kVar(电容补偿柜容量为:30kVar×10×3,电容柜配有XD1-30型限流电抗器,额定电流为56.3A),电容柜采用2用1备的运行方式。根据企业运行记录,企业所配备的电容柜出现电抗器损坏情况,经更换投入运行后,依旧出现电抗器,电容器发热量大,而造成电抗器不同程度裂开情况,其中削片车间曾因电器温度过高燃烧,电容柜严重烧毁,从而导致电容柜不能正常投入使用,造成功率因数偏低。

2、测量数据

压板车间变压器容量2500kVA,所带负载电动机大部分采用变频驱动。其低压400V侧总线测量数据如下:

电压趋势图 电流趋势图

电流谐波趋势图 电流谐波各次畸变率

削片车间变压器2000KVA,主要设备为引风机、鼓风机、削片机等,风机大部分采用变频调速,其低压400V侧总线测量数据如下:

电压趋势图 电流趋势图

电流谐波趋势图 电流谐波各次畸变率

砂光车间变压器2000KVA主要设备为砂光机、收尘风机、液压泵等,部分设备采用变频驱动,其低压400V侧总线测量数据如下

电压趋势图 电流趋势图

电流谐波趋势图 电流各次畸变率

根据对3台变压器监测计量,其测算数据如下表所示:

表1 电能质量测试数据

3、事故分析

根据现场调研及数据测算分析可知,企业电力系统中存在高次谐波,其主要以3次、5次、7次为主,高次谐波产生的原因是因企业生产过程中存在大量非线性负载,特别是以晶闸管,逆变器等作为换流元件的电力半导体器件,由于它以开关方式工作,引起电网电流、电压波形的畸变,产生大量高次谐波,从而影响企业配电系统电网电源质量,降低了供电的可靠性,导致设备无法正常工作,引起供电事故的发生。 1、谐波对电容器组的影响

补偿用并联电容器对谐波最为敏感,谐波电压加速电容器老化,缩短使用寿命,谐波电流将使电容器过负荷、出现不允许的温升。从(1)~(3)公式可以看出,即当电容器组投入运行时,电流的有效值比电压的有效值增长要快,高次谐波更加明显。谐波电流的增长使电容器组的损耗功率增加,而框架式电容器组的介质聚丙烯,其电阻具有负的温度系数,即温度的上升电阻将变小,这又会使电流进一步增大,损耗亦增大,最终导致电容器组异常发热、介质材料老化、电容值变化,从而引发事故。

UU

(1) II (2) 222QQ113a35a57a7 (3)

其中a3

U3UU

a55a77 UUU

另外因企业低压电容补偿柜中所采用的XD1-30限流电抗器在运行过程中

会与高次谐波发生串、并联谐振,对谐波电流起到放大作用,当出现谐波放大时,电流、电压的有效值、电压峰值、负荷都会大大超过电容器和电抗器的额定值,长时间运行就会导致电容器介质击穿,串联电抗器匝间绝缘破坏甚至烧毁。

2、谐波电压导致介质局放

由于3次、5次、7次谐波的叠加,电网中的电压波形呈尖顶状。在尖顶状电压波的作用下,每个周波的局部放电能量显著增加。而固体介质中的树枝长度,即细沟状的放电通路与每周波最大放电电荷量密切相关。每周波放电电荷量越大,

树枝长度越长,越易诱发局部放电。这样,使介质的绝缘下降,缩短了并联电容器组的寿命。

4、解决方案

目前电网主要采用并联电容器组串联一定电抗率及容量的电抗器组成串联谐振回路来抑制谐波。串联电抗器不仅可以抑制电网谐波,还可以限制一定程度的合闸涌流,但其仍有不足之处:

1)可能发生串、并联谐振,导致过电压、过电流损坏电容器和电抗器。 2)由于负荷的可变性,不易实时监控电网谐波,及时抑制。

3)串联电抗器抬高了电容器端电压,而电容器组能承受1.1倍的长期工频过电压。

4)串联电抗器抵消了一部分电容器无功补偿的能力,对提高功率因数是不利的。 针对串联电抗器的不足,以及结合企业实际运行工况,对各线路采取有源滤波方式进行谐波治理 4.1有源滤波器原理

有源滤波器APF(Active Power Filter),它通过实时检测电网的电压电流经运算处理后,得到补偿控制指令控制主电路产生谐波补偿电流,此电流与所要滤除谐波电流的幅值大小相等相位相差180°,从而可以相互抵消,使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值变化的谐波进行跟踪补偿,滤波特性不受系统阻抗的影响可消除与系统阻抗或负载发生谐振的危险。另外,此装置不仅能补偿无功和各次谐波还可抑制闪变,具有高度可控性和快速响应性。 4.2有源滤波器结构

有源滤波装置包括电力变换器、串联的电感和电容、高频纹波过滤器。如图1所示,当电网中含有谐波分量时,电力变换器将补偿电压转换成补偿电流,补偿电流通过串联的电感和电容流入电网以抵消谐波电流成分。电感的作用是过滤电力变换器的开关纹波,电容则是提供稳定的无功功率。高频纹波过滤器由一系列电容和电抗组成,用来进一步过滤电力变换器的开关纹波。

树枝长度越长,越易诱发局部放电。这样,使介质的绝缘下降,缩短了并联电容器组的寿命。

4、解决方案

目前电网主要采用并联电容器组串联一定电抗率及容量的电抗器组成串联谐振回路来抑制谐波。串联电抗器不仅可以抑制电网谐波,还可以限制一定程度的合闸涌流,但其仍有不足之处:

1)可能发生串、并联谐振,导致过电压、过电流损坏电容器和电抗器。

2)由于负荷的可变性,不易实时监控电网谐波,及时抑制。

3)串联电抗器抬高了电容器端电压,而电容器组能承受1.1倍的长期工频过电压。

4)串联电抗器抵消了一部分电容器无功补偿的能力,对提高功率因数是不利的。 针对串联电抗器的不足,以及结合企业实际运行工况,对各线路采取有源滤波方式进行谐波治理

4.1有源滤波器原理

有源滤波器APF(Active Power Filter),它通过实时检测电网的电压电流经运算处理后,得到补偿控制指令控制主电路产生谐波补偿电流,此电流与所要滤除谐波电流的幅值大小相等相位相差180°,从而可以相互抵消,使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值变化的谐波进行跟踪补偿,滤波特性不受系统阻抗的影响可消除与系统阻抗或负载发生谐振的危险。另外,此装置不仅能补偿无功和各次谐波还可抑制闪变,具有高度可控性和快速响应性。

4.2有源滤波器结构

有源滤波装置包括电力变换器、串联的电感和电容、高频纹波过滤器。如图1所示,当电网中含有谐波分量时,电力变换器将补偿电压转换成补偿电流,补偿电流通过串联的电感和电容流入电网以抵消谐波电流成分。电感的作用是过滤电力变换器的开关纹波,电容则是提供稳定的无功功率。高频纹波过滤器由一系列电容和电抗组成,用来进一步过滤电力变换器的开关纹波。

图1有源滤波器电路图 图2有源滤波器等效电路图

图2是有源串联滤波器的等效电路图,图中两个电压源,一个是电网电压源,另一个是电力变换器电压源。图2可以进一步分成工频等效电路和谐波等效电路,如图3所示 。图3(a)所示为工频等效电路,若电源损耗忽略不计,电力变换器产生的补偿电压仅含有谐波成分。因此,工频下电力变换器的电压源视为短路,由图3(a)可以看出,串联的电感和电容在工频下为容性,这样就提供了稳定的无功补偿。图3(b)为谐波下的等效电路。由于电力变换器的开关频率大于串联电感和电容的谐振频率,所以串联电感和电容呈感性,整体作为电感过滤电力变换器的开关纹波。为了抑制谐波电流,补偿电压可以写为表达式:

VahZLCILh (4)

其中ILh为负荷谐波电流,ZLC为串联电感和电容的阻抗。若电力变换器产

生补偿电压如表达式(4),那么这个电压转化成补偿电流,与电网谐波电流方向相反,这样谐波电流就抵消了。

图3(a)、工频等效电路图 图3(b)、高频等效电路图

4.3电力变换器的控制回路

从图4可以看出,控制回路主要有负荷电流、电网电流、电力变换器输出电流和直流母线电压四种信号,相应地控制过程分为四部分:

图4电力开关控制过程框图

第一部分为了实现谐波电流和串联阻抗的乘积,即表达式(4)。负荷电流首先通过带阻滤波器得到谐波电流,然后通过PID控制器就是补偿电压。

第二部分是为了修正第一部分所得补偿电压的误差。电网电流通过带阻滤波器得到谐波电流,然后通过放大器得到比例放大的谐波电流。

第三部分是为了避免高频振荡,产生一个和电感电容串联的虚拟电阻。电力变换器输出电流通过带通滤波器得到其工频电流,然后将电力变换器输出电流和其工频电流经过减法器得到电力变换器谐波电流。然后经过放大器

放大的信号。

第四部分用来校正直流母线电压。直流母线电压通过低通滤波器滤去直流纹波。

4.4设计选型

根据表1数值计算,压板车间低压配电房供电线路电流谐波总畸变率THDI为8.9﹪,谐波电流为227A,削片车间低压配电房供电线路电流谐波总畸变率THDI为8.8﹪,谐波电流为147A,低压配电房供电线路电流谐波总畸变率THDI为6.9﹪,谐波电流为114A。依据谐波电流计算结果,考虑其裕量,分别采用250A、200A、150A三相四线有源滤波器进行集中治理。 得到比例

图5集中治理

4.5基本技术参数

4.6安装技术要求

1、基础要求

有源电力滤波器一般为标准柜式和抽屉式结构,立柜式滤波器安装时应避免倒置或平放,抽屉式滤波器安装时只可平放,外形尺寸由所选谐波补偿电流值决定,平面布置形式一般由谐波电流补偿点位置决定。其平面布置要求如下:

1)离墙安装:正常情况下建议与低压开关柜并列离墙布置,正面操作,双面维护,50A和100A滤波器背面维护通道不小于600mm,150A和200A滤波器背面维护通道不小于800mm。

2)设计人员在考虑系统接线及平面布置时应注意将APF的补偿接入点尽量靠近补偿对象,在末端预留空间供设计安装,CT采样处下游不能包含容性负荷。平面布置示意如下图:

3)PF所有正常情况下不带电的金属外壳均应根据设计要求的接地制式(TN-S、TN-C-S、TT等)严格做好相应的保护接零或保护接地。

图6平面布置图

2)接线方式

主接线如图1和图2所示。有源滤波器直接并联在系统中,其一次回路通过主开关和熔断器连接到系统中,CT位置选择在进线断路器侧。需要特别说明的是,有源滤波器滤波回路主开关主要起隔离作用,而熔断器起保护作用。

图7 一次主接线图


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