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谐波智能滤波装置在某化工厂生产上的应用

2013-06-27 15:38:56 来源：安科瑞王海芹

谐波智能滤波装置在某化工厂生产上的应用

王海芹

安科瑞电气股份有限公司嘉定 201801

1  前言
   随着电力电子变流装置的应用日益广泛，电能得到了更加充分的利用。但非线性电力装置设备的广泛应用产生了大量畸变的电流谐波，畸变电流在电网中的流动导致了谐波电压；谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行，给同一网络的线性负载和其它用户带来了*影响。谐波已与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。所以了解谐波产生的原理、研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波、解决谐波产生的问题有着重要的指导作用。因此对谐波的测量和分析是电力系统分析和控制中的一项重要工作，是继电保护、故障测量等工作开展的重要前提。
    ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。
它具有改善供电质量、提高功率因素和设备利用率、节约能源降低损耗等多种功能，从而获得明显的经济效益，投资回收年限一般为1～2年。本文以某化工厂为例，就低压谐波滤波装置的技术经济性能作简单的介绍。
2 用户用电情况简况
    某化工厂2010年负荷配电变压器容量5.2MVA，有1.6MVA配电变压器两台，2.0MVA配电变压器一台，配电变压器高压侧电压10kV，低压侧为0.4kV，产生谐波的设备主要是整流柜，整流设备容量为1.344MVA。集中接于1号配变的（1.6MVA）0.4kV侧，如简图1所示。整流设备产生的主要谐波电流有5次、7次、11次、13次电流，其实测值见表1。

                       图1  接于配电变压器低压侧的负荷
    1号配变原来装有0.4kV侧的无功补偿电容器近600kvar，运行两年来已先后损坏更换约60%，由于无功不足，按力率调整电费每年多交10多万元（2010年统计）。
为消除谐波的不良影响，降低生产损耗，延长设备寿命，提高生产效率和产品质量，同时也为满足无功补偿的要求，某化工厂用低压谐波滤波器装置代替了原来的补偿电容器组。
表1  1号配电变压器总线测试值

谐波次数	5	7	11	13
电流（A）	483	312	176	184

3 ANAPF有源电力滤波装置
3.1 ANAPF有源电力滤波装置技术参数

接线方式	三相三线或三相四线
接入电压	3×380V ±10%
接入频率	50Hz ±2%
动态补偿响应时间	动态响应＜4ms，全响应时间＜20ms；
开关频率	10kHz
功能设置	只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功；手动、自动切换。
谐波补偿次数	2-21次
保护类型	直流过压　IGBT过流　装置温度保护
过载保护	自动限流在设定值，不发生过载
冷却方式	智能风冷
噪音	＜ 65db(处于柜内并运作于额定状态)
工作环境温度	-10℃～+45℃
工作环境湿度	＜85%RH 不凝结
安装场合	室内安装
海拔高度	≤1000m（更高海拔需降容使用）
进出线方式	下进下出
防护等级	IP21
智能通信接口	RS485/MODBUS-RTU
远程监控	可选
外形尺寸(mm) (W×D×H)	30A	50A	75A	100A
	600×500×1500	600×500×1500	600×500×1800	800×600×2200
重量(kg)	三相四线		三相三线
	30A、50A	75A、100A	30A、50A	75A、100A
	280	360	240	290

3.2 无功补偿与电力滤波兼顾
    同一般低压电容补偿设备相比，ANAPF有源谐波滤波装置除具有无功补偿作用外，还具有滤波能力，使用户注入系统的谐波电流大大降低，表2～3是某化工厂在两组不同用电条件下的实测数据分析。
    从表2可以看出，装设谐波滤波装置前，原有电容补偿支路和负荷及配电变压器之间构成并联谐振回路使电容及配电变压器的谐波电流明显放大，其谐振点在13次附近。
表3反映了投入谐波滤波装置后使用户的各项电能指标得到明显改善；无供需量减少50%，功率因素从0.734提高到0.917,电压及电流畸变均减少了一半。
    ANAPF有源滤波装置投入使用后，吸收整流设备产生的大部分高次谐波电流，大大减少对电网污染。1号变压器0.4kV侧投入谐波滤波装置后，注入系统的谐波电流值5次从301A降至108A，7次从132A降至36A，11次从48A降至24A，13次从36A降至12A；对5、7、11、13次谐波的吸收效率分别是64%、72%、50%、66%。
表2 原有电容补偿设备对各次谐波电流的影响（0.4kV侧）

工况	In/I1(%)
工况	3	5	7	11	13
原有补偿电容投入后	4.6	33.8	16.9	9.2	18.4
原有补偿电容退出后	4.6	26.1	10.7	3.0	1.5

表3 谐波滤波装置对电能质量的改善

工况	母线电压（V）	母线电流（KA）	功率因素	三相视在功率（MVA）	三相有功功率（MW）	三相无功功率（Mvar）	电压总畸变率（THDy）	电流总畸变率（THDI）
谐波滤波装置投入前	389.4	2.3	0.734	1.57	1.15	1.067	5.3%	14.57%
谐波滤波装置投入后	397.3	1.834	0.917	1.26	1.15	0.53	2.55%	7.3%

3.3 ANAPF有源电力滤波装置主要技术特点
和控制算法，精度更高、运行更稳定；模块化设计，便于生产调试；便利的并联设计，方便扩容；具有完善的桥臂过流、保护功能；

3.4 谐波抑制及治理的容量设计
3.4.1谐波电流估算
谐波是由非线性设备产生的，而每种设备的实际工作状态都不同。因此实际谐波电流需采用专门设备进行测量，考虑到设备的技术及经济性，设计谐波治理装置的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流。由于谐波电流本身的测量与计算比较复杂，况且在设计时往往很难采集到足够的电气设备使用中的谐波数据，可以根据下列公式以对谐波电流进行估算。

其中

为负荷率：即负荷占变压器额定容量的比例，通常取0.7-0.8；

为谐波系数，根据系统场合不同而不同；

为变压器额定容量，单位kVA；

为低压系统电压，一般取0.4。

3.4.2 谐波补偿装置容量选型
    补偿电流选择原则：根据估算得到谐波电流值。
    如采用无源谐波抑制，可根据无功容量每千乏（kVar）折算成电流后按0.2-0.3的系数折算成谐波抑制电流，如100 kVar消谐式无功补偿电流为144A，按系数0.2折算即抑制28.8A的谐波电流。
    如采用有源滤波装置，可根据滤波方案选择框图中的估算值进行设计选型。
    例：某公司配电变压器容量为150kVA，变压器变比为10/0.4kV，K1取值为0.8，K2取值为25%，试求选用电流等级为多少的有源滤波器即可满足抑制谐波的需要。
根据电流谐波公式为：

考虑到要有一定有裕量，选用50A的有源电力滤波器

故选用容量为35kVA的有源滤波器即可满足抑制谐波的需求。

3.5 ANAPF有源电力滤波装置价格及主要元件清单

型号：ANAPF50-400/B
参考价格：7.5万元/台
主要产品明细：
序号	名称	型号	数量
1	APF电气柜	600X500X1800	1
2	变流器	APFCOV-CVT50	1
3	控制器	APFMC-C50	1
4	电抗器	APF-RE.(S)DG-50	1
5	有源电流互感器	LT108-S7	3
6	滤波器	DL-1TH1	2
7	断路器	NSE100N4063	1
8	接触器	LC1D65 M7C	1
9	微型断路器	NDM1-63C32	1
10	中间继电器	MY4NAC	2
11	R型变压器	R320-0.38/0.22	1
12	谐波检测仪	ACR350EGH	1
13	电线	16mm2	若干
14	电线	4mm2	若干

4  滤波补偿装置经济效能
（1）功率因素提高：装置投入后功率因数提高至0.9以上，力率调整费变罚为奖，即过去因无功不足每月需交力率调整费近万元，装设补偿滤波装置后功率因数提高，每月奖励力率调整费500多元。
（2）增容降低损：由于装设滤波补偿后，能进行有效的就地无功补偿，1号配变相当于增加310kVA，同时，损耗大大降低，2012年3月至11月，某化工厂节约电费开支20.5万元，产品用电单耗由514Kw.h/t，降为475.5 Kw.h/t，降幅为7.5%。
（3）提高产品合格率：滤波补偿装置投入后，谐波减少，电压稳定，电能质量明显改善，因而提高产品质量，一级品率由97.1%提高到98.29&，2012年增加一级品型材近100t。
（4）延长设备寿命：滤波补偿装置投入后，负荷电流和谐波电压、谐波电流的减少使设备的发热损耗降低，振动减少，整流元件损坏率降低、设备绝缘老化减缓，故障率下降，因而提高了安全运行水平。设备寿命的延长，单电容而言，过去该厂损坏约200kvar电容器，滤波补偿装置投运近2年来，装置本身各元件正常运行无故障。
5  结语
    综合所述，谐波滤波装置兼顾了补偿和滤波功能，谐波滤波装置投运后，不仅滤去了5、7、11、13次谐波，各次谐波含量均符合《电能质量·公用电网谐波》允许的谐波电流值的要求。而且还补偿了无功，使功率因数达到了0.9以上，杜绝了电费罚款现象。由于滤除了谐波，减少了对供电系统的污染，保证装置运行正常。谐波滤波装置具有极强的滤波能力，是消除谐波污染和危害的根本措施，所以应大力推广使用。
【参考文献】
[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功率补偿[M].机械工业出版社，1998.
[2]颜晓庆，王兆安.并联混合型电力有源滤波器的数字模型与稳定性分析[J].电力电子技术，1998，(4):24～28.
[3]赵智大.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2001.
[4]史承逵.电网电容器组的谐波谐振和谐波放大的研究.安徽电力职工大学学报[J].2001(7)
[5]王建元，纪延超.一种自动无功功率补偿模糊控制策略的研究[J].中国电力，2002,（2）：41-43.
[6]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版

《ANAPF有源电力滤波装置设计与应用图集》（图集号：ACR13CDX701）由安科瑞电气股份有限公司主编，本图集结合ANAPF有源电力滤波装置产品的特点，依据电气设计规范，研究消除供配电系统中的高次谐波问题，达到改善供电质量和确保电力系统安全运行的目的。图集适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的谐波抑制及综合治理的设计与改造。凡需要图集的请提供贵单位名称、部门、地址、邮编、联系人、联系电话、邮箱等信息，传真021-69158302、邮件acrelwhq@163.com或QQ2880157862至安科瑞王海芹工程师收，安科瑞电气免费赠送。

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