低壓配電室電網(wǎng)諧波分析及改造

　　摘要:隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，引起了電網(wǎng)電流、電壓波形的崎變，高次諧波顯著增加，成為電網(wǎng)中的“公害”。結(jié)合實(shí)際對(duì)低壓配電室諧波電壓、電流及分布進(jìn)行了實(shí)測(cè)，提出了采用動(dòng)態(tài)混合有源濾波器進(jìn)行改造的方案，并給出了具體的計(jì)算。

　　隨著 電 力 電子技術(shù)的發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，從低壓小容量的家用電器到大容量的工業(yè)變流裝置的廣泛應(yīng)用，引起了電網(wǎng)電流、電壓波形的畸變，高次諧波顯著增加，成為了電網(wǎng)中的“公害”。這些非線性負(fù)載產(chǎn)生高頻諧波有3次、5次、7次、9次等更高次，而在這些高次諧波中，對(duì)于工業(yè)用戶，5次、7次，11次、13次成為最大含量的諧波分布。如果供電系統(tǒng)長(zhǎng)期處于這種運(yùn)行狀況，將可能導(dǎo)致變壓器過(guò)熱故障，能量損耗增加，功率因素降低;干擾電子設(shè)備(UPS、發(fā)電機(jī)、電容)，造成電能和設(shè)備利用率不足，出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱，絕緣老化現(xiàn)象，最終導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)處于一個(gè)不安全的運(yùn)行狀態(tài)。

　　1 低壓配電室技術(shù)數(shù)據(jù)測(cè)量

　　測(cè)試 工 具 為FULKE4 3B型電能質(zhì)量分析儀。測(cè)試對(duì)象為變壓器(S10一1u一1000/10型號(hào)，1000kVA,10/0.4 k V,DY nI1)。非線性負(fù)載共計(jì)6臺(tái)，功率為550 kW?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表1中的數(shù)據(jù)表明，諧波電流超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3倍以上。

　　2 電網(wǎng)系統(tǒng)凈化改造方案

　　目前 ， 國(guó) 內(nèi)先進(jìn)的低壓電網(wǎng)凈化裝置是動(dòng)態(tài)混合有源濾波器，它由有源濾波器和無(wú)源濾波器及自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。

　　(1 )無(wú) 源 濾波器。無(wú)源濾波器組成主要由電容器、電抗器、電阻器串聯(lián)而成。工作原理及特點(diǎn):濾波器并聯(lián)在含有諧波的電網(wǎng)上，根據(jù)需要補(bǔ)償無(wú)功功率和濾除諧波。該濾波器對(duì)基波頻率補(bǔ)償無(wú)功功率，對(duì)諧波呈現(xiàn)低阻抗，從而濾除各次諧波電流。它采用特殊設(shè)計(jì)的電容器、電抗器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，濾波效果顯著，結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，保護(hù)齊全。同時(shí)解決電流諧波與無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。

　　(2 )有 源 濾波器。有源濾波器組成主要由控制器、IGBT組成的逆變器、電容器組成。工作原理:通過(guò)實(shí)時(shí)地檢測(cè)負(fù)荷電流，并將所測(cè)量的諧波在高性能的控制器中處理，輸出負(fù)荷中諧波信號(hào)，用于控制PWM(脈寬調(diào)制)的IGBT功率模塊，并通過(guò)線路電抗器注人反相位的諧波電流，精確地把諧波電流互相抵消。

　　(3) 動(dòng) 態(tài) 混合有源濾波器。動(dòng)態(tài)有源濾波器性能優(yōu)越，但價(jià)格高，無(wú)源濾波器雖然存在一定缺點(diǎn)，但價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，兩者有機(jī)結(jié)合，則會(huì)在技術(shù)、價(jià)格、性能指標(biāo)、工作效率等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。無(wú)源濾波器和有源濾波器容量比例，取決于負(fù)載的種類、補(bǔ)償?shù)哪康?、?fù)載諧波的特點(diǎn)。一般情況，混合濾波器在采用了無(wú)源濾波器后，有源濾波器主要用來(lái)補(bǔ)償無(wú)源濾波器沒(méi)有補(bǔ)償?shù)钠渌沃C波電流，其中較大的是3次諧波電流及少量的其它次諧波電流。無(wú)源濾波器容量占整個(gè)濾波容量的70%一80%，有源濾波器容量占整個(gè)濾波容量的20%一30%。動(dòng)態(tài)混合有源濾波器采用并聯(lián)有源濾波器與無(wú)源濾波器串聯(lián)的混合濾波器系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。

　　圖 1 動(dòng) 態(tài) 混 合 源濾 波 器 系 統(tǒng)

　　動(dòng)態(tài) 混 合 有源濾波中無(wú)源濾波器的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要原則如下:

　　(1) 系 統(tǒng) 的L,C參數(shù)必須滿足不產(chǎn)生串、并聯(lián)諧振的要求;

　　(2) 系 統(tǒng) 運(yùn)行后，基波無(wú)功容量應(yīng)滿足系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?

　　(3 )系 統(tǒng) 運(yùn)行后，電網(wǎng)的諧波含量應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14549一93);

　　(4) 考 慮 背景諧波，一般將各次諧波電流加大10% ;

　　(5 )確 定 電網(wǎng)頻率的最大正負(fù)偏差量，選擇合適的調(diào)諧銳度(Q值);

　　(6 )各 次 單調(diào)諧濾波器的Q值相等。

　　對(duì)于 無(wú) 源 電力濾波器參數(shù)的優(yōu)化，單憑一項(xiàng)指標(biāo)難以*價(jià)其設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮多個(gè)指標(biāo)。本改造方案中采用遺傳算法對(duì)混合電力濾波器的L,C參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，全面的考慮動(dòng)態(tài)混合有源濾波器的諧波濾波、無(wú)功補(bǔ)償、諧振和成本等綜合問(wèn)題。

　　3 動(dòng)態(tài)混合有源濾波器容量計(jì)算

　　根據(jù) 現(xiàn) 場(chǎng) 測(cè)試的無(wú)功功率因數(shù)及總諧波電流，確定諧波濾波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘俊Ｓ捎谧儔浩鞯呢?fù)載大小在實(shí)際負(fù)荷波動(dòng)時(shí)總是變化的，三相負(fù)載的諧波電流、諧波電壓、功率因數(shù)也是變化的，測(cè)試記錄的數(shù)據(jù)只是一個(gè)瞬間數(shù)據(jù)，是一個(gè)典型值。考慮到變壓器所帶負(fù)載中有部分負(fù)載在測(cè)試時(shí)沒(méi)有投人運(yùn)行，且負(fù)載變化時(shí)電流、功率有進(jìn)一步增加的可能，據(jù)此，在數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)考慮一定的負(fù)荷變化系數(shù)，以1.35倍數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于均為三相平衡負(fù)載，所以只以A相數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。即:
　　A相 總 電 流:528A x 1 .35 = 713A
　　A相 基 波 電流:514Ax1.35=694A
　　A相 諧 波 電流:713A x 2 2.8%=163A
　　A相 有 功 電流:694A x O .80 = 555A
　　A相 無(wú) 功 電流:/6942一5552

= 4 17A
　　變壓 器 供 出的總?cè)萘?
　　3x 2 2 9. 5 V x 7 13 A = 490 kVA
　　負(fù)載 的 有 功容量:
　　3x 2 29 . 5 V x 55 5 A = 382 kW
　　濾波 器 只 補(bǔ)償諧波的容量:
　　3x X 2 9 .5 V x 1 63 A = 112k VA
　　濾波 器 只 補(bǔ)償無(wú)功的容量:
　　3 x2 2 9. 5 V x 4 17 A = 287 kVar
　　濾波 器 補(bǔ) 償總?cè)萘?
　　/1 12 2 +2 8 72

= 30 8 k VA

　　　考 慮到 變 壓器現(xiàn)在負(fù)載還不到額定負(fù)載的一半，今后還有負(fù)荷擴(kuò)展的可能。另外，經(jīng)驗(yàn)的混合濾波器選型應(yīng)為設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的1.25一1.35倍，并靠大一檔為最佳容量選型方案，故此本設(shè)計(jì)擬選動(dòng)態(tài)混合濾波器補(bǔ)償總?cè)萘繛?50 kVA

　　4 效益分析

　　(1) 改 善 電能質(zhì)量。電網(wǎng)凈化裝置能全面改善電網(wǎng)質(zhì)量，能濾除電網(wǎng)諧波，補(bǔ)償無(wú)功，防止電網(wǎng)串并聯(lián)諧振，防止電壓波動(dòng)和閃變，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，減少事故率，減少電器設(shè)維修費(fèi)用和維修時(shí)間。

　　(2) 降 低 電能損耗。由于補(bǔ)償了諧波電流和無(wú)功電流，使變壓器和輸電栽路的電流減少，變壓器和輸電線路的損耗減少，節(jié)能約10%.

　　(3) 提 高 配供電能力。進(jìn)行諧波補(bǔ)償后，功率因數(shù)由0.8提高到0.95，諧波電流由22.8%下降到接近于零，使變壓器的實(shí)際負(fù)荷大大下降，有更大的供電富裕能力。