有源濾波及智能電容技術在某石化諧波治理上的應用

時間：2022-04-22

以某石化水務部CRP配電間的實際運行情況為基礎，運用有源濾波和智能電容補償技術，開發(fā)一套經濟高效的具有較大容量無功補償功能的諧波治理系統(tǒng)，主要針對系統(tǒng)諧波及無功電流進行治理，目標是滿足電能質量標準要求，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的現(xiàn)場工業(yè)應用。

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，但在非線性負載上施加正弦波電壓時將偏離正弦波形，引起諧波。從嚴格的意義來講，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行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。諧波產生的原因主要是由于正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發(fā)生畸變產生諧波。主要非線性負載有UPS、開關電源、整流器、變頻器和逆變器等。

諧波的危害

隨著電力技術和控制技術的發(fā)展和應用，當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)中的元件產生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，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。

2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電動機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、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，甚至引起嚴重事故。

4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作。

5）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致信啟、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

有源濾波器的概念往20世紀70年代初期就已提出，由于受到當時技術條件的影響使得已策劃出的電路結構沒有得到實施。20世紀80年代起，大量有關源濾波器技術和改良問題的文章舉不勝數(shù)。

隨著我國經濟和科技的飛速發(fā)展，*功率和小功率電子設備的大量應用及普及，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償?shù)认嚓P技術設備越來越高的要求。有源濾波器對電流型諧波有較強的抑制作用，同時還能進行無功補償，因而得到了廣泛的研究和應用。有源濾波器雖然能有效地抑制電流偕波，進行可控的無功補償，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)補償電網(wǎng)的無功負荷，則具有單位投資少、容量大、電能損耗小和維護簡單等優(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償電容器補償容量大的優(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、開關電源和UPS等許多電力電子設備及大電動機、變壓器等大部分感性負荷，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。運行經驗表明，以上這些設備掛網(wǎng)運行，將導致供電系統(tǒng)諧波污染嚴重和無功損耗發(fā)熱，誘發(fā)電氣設備事故，造成設備停電、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結合起來利用有源濾波器良好的諧波抑制能力和無功補償電容器補償容量大的優(yōu)點，消除諧波的同時精細地補償無功不但對**供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，提高電能質量，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)電力設備上應用諧波治理及無功補償技術，能夠為石化企業(yè)電力設備開發(fā)出*、效果良好、安全便捷和穩(wěn)定性好的節(jié)能降耗技術，達到故障預警、安全增效等多重目的。

1.有源濾波諧波治理的關鍵技術

有源電力濾波器的基本原理如圖1所示，檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消，較終得到期望的電源電流(圖1中，i L為負載電流；iLf為基波電流； iLh為諧波電流；i c為補償電流； 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)代電力電子技術和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術制成的新型電力諧波治理**設備。它由指令電流運算電路和補償電流發(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換為數(shù)字信號，送人高速數(shù)字信號處理器(DSP)對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調制(PWM)信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅動脈沖，驅動IGBT或1PM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。有源濾波裝置系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2三相四線并聯(lián)型有源濾波裝置的系統(tǒng)結構圖

2．智能電容無功補償?shù)年P鍵技術

1)采用進口晶閘管控制電容器實現(xiàn)無觸點、無沖擊和無過濾投切，與普通補償柜相比還具有低損耗低，元件壽命長，免維護的優(yōu)點。

2)避免諧波諧振，防止諧波放大。

3)快速跟蹤系統(tǒng)負荷無功變化，實時動態(tài)響應。

4)投切無沖擊，實現(xiàn)過零觸發(fā)，投切速度快，無機械觸點，無電弧重燃。

通過上述關鍵技術的克服，研制出現(xiàn)代電力電子綠色節(jié)能產品，為石化企業(yè)提供性能可靠的自動化、智能化節(jié)能型綠色產品，達到節(jié)能降耗、降低成本、保護環(huán)境的目的。

動態(tài)無功補償裝置采用無觸點半導體模塊作為開關，采用全智能控制，由控制器動態(tài)投切開關、電容器、電抗器和保護元件組成?？刂破鲗崟r跟蹤測量負荷的基波功率因數(shù)，無功電流，與預先設定的給定值進行比較，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)無功補償裝置硬件布置圖如圖3所示，其中一組無功補償模組配置圖如圖4所示。

圖3無功補償裝置硬件布置圖

圖4 無功補償模組配置圖

現(xiàn)場應用

將有源濾波裝置和低壓動態(tài)無功補償裝置, 應用在水務CRP配電間。現(xiàn)場安裝圖如圖5所示。水務部CRP配電間低壓側總開關柜下帶有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。

1.有源濾波裝置和無功補償裝置均未投入時

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償裝置均投入

有源濾波裝置工作模式為補償諧波，智能補償自動模式，無功補償裝置為自動控制，F(xiàn)luket434采集畫面，如圖9所示。

圖9 Fluke434采集的波形

安科瑞APF有源濾波器產品選型

產品特點

1）DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

2）一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或*特定次諧波進行補償；

3）具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

4）模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

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）多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

8）擁有自主**技術。

型號說明

尺寸說明

產品實物展示

ANAPF有源濾波器

安科瑞智能電容器產品選型

產品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于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)和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積較小，功耗較低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)妮^高要求。

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。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找較佳投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

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

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

結束語

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，功率因數(shù)由0.87提高到0.92。

2）有源濾波和無功補償裝置都投入后，有源濾波選擇消除諧波模式，無功補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，功率因數(shù)由0.87提高到0.99。

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

【參考文獻】

[1] 張青.有源濾波及智能電容技術在諧波治理上的應用.電氣時代 2017

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019版

18702111791

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