有源濾波及智能電容技術(shù)在某石化諧波治理上的應(yīng)用

時間：2020-05-26作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：202

周曉麗
安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定 201801
以某石化水務(wù)部CRP配電間的實際運行情況為基礎(chǔ)，運用有源濾波和智能電容補(bǔ)償技術(shù)，開發(fā)一套經(jīng)濟(jì)高效的具有較大容量無功補(bǔ)償功能的諧波治理系統(tǒng)，主要針對系統(tǒng)諧波及無功電流進(jìn)行治理，目標(biāo)是滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，將功率因數(shù)控制在0.95以上，減少系統(tǒng)諧波污染。實現(xiàn)諧波治理及智能電容技術(shù)的現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用。


諧波的概念
      理想的供電系統(tǒng)，電流和電壓都是正弦波。在線性負(fù)載上加上正弦波電壓時，電流也是同頻率的正弦波，但在非線性負(fù)載上施加正弦波電壓時將偏離正弦波形，引起諧波。從嚴(yán)格的意義來講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。諧波產(chǎn)生的原因主要是由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線性負(fù)載有UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器和逆變器等。
 
諧波的危害
      隨著電力技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，當(dāng)今用戶不論是家用電器還是辦公自動化或者工業(yè)控制設(shè)備，越來越多使用電子整流、高頻電路等非線性元件。這些非線性元件的引入產(chǎn)生了各種高次諧波，直接侵入電網(wǎng)，使電網(wǎng)正弦波發(fā)生畸變，所造成的不良影響和危害也越來越大。因此諧波問題正逐步被**電力系統(tǒng)的技術(shù)人員所重視。
      諧波對供電系統(tǒng)的要危害如下：
      1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
      2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電動機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機(jī)械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化和壽命縮短，以致?lián)p壞。
      3）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述1）和2）的危害人大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。
      4）諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作。
      5）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信啟、丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
 
有源濾波及智能電容技術(shù)
      有源濾波器的概念往20世紀(jì)70年代初期就已提出，由于受到當(dāng)時技術(shù)條件的影響使得已策劃出的電路結(jié)構(gòu)沒有得到實施。20世紀(jì)80年代起，大量有關(guān)源濾波器技術(shù)和改良問題的文章舉不勝數(shù)。
      隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，中大功率和小功率電子設(shè)備的大量應(yīng)用及普及，對電網(wǎng)穩(wěn)定性安全性要求越來越高，也催生了對諧波治理及功率補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)技術(shù)設(shè)備越來越高的要求。有源濾波器對電流型諧波有較強(qiáng)的抑制作用，同時還能進(jìn)行無功補(bǔ)償，因而得到了廣泛的研究和應(yīng)用。有源濾波器雖然能有效地抑制電流偕波，進(jìn)行可控的無功補(bǔ)償，但其具有成本較高、容量較低和損耗較大的缺點。而采用電容器并聯(lián)補(bǔ)償電網(wǎng)的無功負(fù)荷，則具有單位投資少、容量大、電能損耗小和維護(hù)簡單等優(yōu)點。因而并聯(lián)有源濾波器及智能電容技并使用的同時具有有源濾波器良好的諧波抑制能力和無功補(bǔ)償電容器補(bǔ)償容量大的優(yōu)點。
      目前該石化公司較多的使用變頻裝置、電脫鹽、電除塵、電解槽、電加熱器、開關(guān)電源和UPS等許多電力電子設(shè)備及大電動機(jī)、變壓器等大部分感性負(fù)荷，造成無功出力不足、功率因數(shù)較低的同時，也給電網(wǎng)造成了大量的諧波污染。運行經(jīng)驗表明，以上這些設(shè)備掛網(wǎng)運行，將導(dǎo)致供電系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重和無功損耗發(fā)熱，誘發(fā)電氣設(shè)備事故，造成設(shè)備停電、裝置停車 敞發(fā)生。因此，開創(chuàng)性地將有源濾波及智能電容技術(shù)結(jié)合起來利用有源濾波器良好的諧波抑制能力和無功補(bǔ)償電容器補(bǔ)償容量大的優(yōu)點，消除諧波的同時精細(xì)地補(bǔ)償無功不但對**供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，提高電能質(zhì)量，降低電能損耗等都具有非常重要的意義，而且研究在石化企業(yè)電力設(shè)備上應(yīng)用諧波治理及無功補(bǔ)償技術(shù)，能夠為石化企業(yè)電力設(shè)備開發(fā)出*、效果良好、安全便捷和穩(wěn)定性好的節(jié)能降耗技術(shù)，達(dá)到故障預(yù)警、安全增效等多重目的。
1.有源濾波諧波治理的關(guān)鍵技術(shù)
      有源電力濾波器的基本原理如圖1所示，檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補(bǔ)償電流的指令信號，該信號經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無功等電流抵消，終得到期望的電源電流(圖1中，i L為負(fù)載電流；iLf為基波電流； iLh為諧波電流；i c為補(bǔ)償電流； i S為電源電流)。
 
圖1 有源電力濾波器基本原理
      有源濾波裝置采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理**設(shè)備。它由指令電流運算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送人高速數(shù)字信號處理器(DSP)對信號進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制(PWM)信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或1PM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動消除電力諧波。有源濾波裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
 
圖2三相四線并聯(lián)型有源濾波裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2．智能電容無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)
      1)采用進(jìn)口晶閘管控制電容器實現(xiàn)無觸點、無沖擊和無過濾投切， 與普通補(bǔ)償柜相比還具有低損耗低，元件壽命長，免維護(hù)的優(yōu)點。
      2)避免諧波諧振，防止諧波放大。
      3)跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷無功變化，實時動態(tài)響應(yīng)。
      4)投切無沖擊， 實現(xiàn)過零觸發(fā)，投切速度快，無機(jī)械觸點，無電弧重燃。
      通過上述關(guān)鍵技術(shù)的克服，研制出現(xiàn)代電力電子綠色節(jié)能產(chǎn)品，為石化企業(yè)提供性能可靠的自動化、智能化節(jié)能型綠色產(chǎn)品，達(dá)到節(jié)能降耗、降低成本、保護(hù)環(huán)境的目的。
      動態(tài)無功補(bǔ)償裝置采用無觸點半導(dǎo)體模塊作為開關(guān)，采用全智能控制，由控制器動態(tài)投切開關(guān)、電容器、電抗器和保護(hù)元件組成?？刂破鲗崟r跟蹤測量負(fù)荷的基波功率因數(shù)，無功電流，與預(yù)先設(shè)定的給定值進(jìn)行比較，動態(tài)控制投切不同組數(shù)的電容器，以保證功率因數(shù)始終滿足設(shè)定要求。晶閘管過零觸發(fā)確保投切電容無沖擊、無涌流、無過渡過程。動態(tài)無功補(bǔ)償裝置硬件布置圖如圖3所示，其中一組無功補(bǔ)償模組配置圖如圖4所示。
 
圖3無功補(bǔ)償裝置硬件布置圖
 
圖4 無功補(bǔ)償模組配置圖
現(xiàn)場應(yīng)用
      將有源濾波裝置和低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置, 應(yīng)用在水務(wù)CRP配電間?，F(xiàn)場安裝圖如圖5所示。水務(wù)部CRP配電間低壓側(cè)總開關(guān)柜下帶有7條CRP電解支路及4臺ABB變頻器，電解支路全部投運，4臺ABB變頻器2用2備。系統(tǒng)接線示意圖如圖6所示。
 
圖5 現(xiàn)場安裝后照片
 
圖6 系統(tǒng)接線示意圖
利用Fluke434電能質(zhì)量分析儀分以下3種情況測量回路電流電壓值、諧波和功率等指標(biāo)。
      1.有源濾波裝置和無功補(bǔ)償裝置均未投入時
      利用Fluke434示波器采集三相電壓電流波形、三相電壓電流值、功率因數(shù)、電壓諧波和電流諧波。采集波形如圖7所示。
 
圖7 Fluke434采集的波形
      2.單獨投入有源濾波裝置
      工作模式選擇諧波補(bǔ)償。Fluke434采集電壓電流值、電壓電流諧波、功率因數(shù)和電流波形，波形如圖8所示。
 
圖8 Fluke434采集的波形
      3.有源濾波裝置和無功補(bǔ)償裝置均投入
      有源濾波裝置工作模式為補(bǔ)償諧波，智能補(bǔ)償自動模式，無功補(bǔ)償裝置為自動控制，F(xiàn)luket434采集畫面，如圖9所示。
 
圖9 Fluke434采集的波形
 
安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型
產(chǎn)品特點
      1）DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；
      2）一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或指定特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；
      3）具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能；
      4）模塊化設(shè)計，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；
      5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；
      6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；
      7）多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級；
      8）擁有自主**技術(shù)。
型號說明
尺寸說明
 
產(chǎn)品實物展示
 ANAPF有源濾波器
 
安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型
產(chǎn)品概述
      AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz 低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺共補(bǔ)或一臺分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/div>

      AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD 液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動尋找佳投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

型號說明

AZC 系列智能電容器選型：

AZCL 系列智能電容器選型：

 

 

產(chǎn)品實物展示

             

AZC系列智能電容模塊            AZCL系列智能電容模塊

 

安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案 

 

結(jié)束語

      1）單獨投入有源濾波消除諧波，電網(wǎng)三相相電流波形畸變率THDI由36.8%，35.4%，35.4降低至6.6%、6.6%、7.3%，三相電流波形畸變程度明顯好轉(zhuǎn)，功率因數(shù)由0.87提高到0.92。

      2）有源濾波和無功補(bǔ)償裝置都投入后，有源濾波選擇消除諧波模式，無功補(bǔ)償裝置選擇自動控制模式，三相THDI由36.8%，35.4%，35.4降低至3.8%，3.9%，4.5%，三相電流波形畸變程度明顯好轉(zhuǎn)，功率因數(shù)由0.87提高到0.99。

由以上測試結(jié)論可知，通過有源濾波及智能電容技術(shù)的配合使用消除諧波效果明顯，減少了諧波對電氣設(shè)備的危害，并可節(jié)約能耗消耗。

 

【參考文獻(xiàn)】

[1] 張青.有源濾波及智能電容技術(shù)在諧波治理上的應(yīng)用.電氣時代 2017

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019版

 

作者簡介：

何花，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。主要從事智能電力電容器


安科瑞電氣股份有限公司專注于智能照明控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng),電能質(zhì)量治理系統(tǒng),安科瑞電氣,智慧用電云平臺,智能母線監(jiān)控,低壓母線測溫裝置等, 歡迎致電 18721096061

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