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(shí)間：2020-05-26作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：212

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(shí)際運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，運(yùn)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(duì)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(shí)現(xiàn)諧波治理及智能電容技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(shí)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(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)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(dòng)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(duì)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(shí)會(huì)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(duì)電動(dòng)機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、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(huì)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(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。
      5）諧波會(huì)對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性安全性要求越來越高，也催生了對(duì)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(duì)電流型諧波有較強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)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(diǎn)。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(diǎn)。因而并聯(lián)有源濾波器及智能電容技并使用的同時(shí)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(diǎn)。
      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(dòng)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(shí)，也給電網(wǎng)造成了大量的諧波污染。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，以上這些設(shè)備掛網(wǎng)運(yùn)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(diǎn)，消除諧波的同時(shí)精細(xì)地補(bǔ)償無功不但對(duì)**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?yàn)槭髽I(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(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)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(hào)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(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送人高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)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(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)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(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)、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(diǎn)。
      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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
      4)投切無沖擊， 實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)，投切速度快，無機(jī)械觸點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置采用無觸點(diǎn)半導(dǎo)體模塊作為開關(guān)，采用全智能控制，由控制器動(dòng)態(tài)投切開關(guān)、電容器、電抗器和保護(hù)元件組成?？刂破鲗?shí)時(shí)跟蹤測(cè)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)應(yīng)用
      將有源濾波裝置和低壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置, 應(yīng)用在水務(wù)CRP配電間?，F(xiàn)場(chǎng)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(tái)ABB變頻器，電解支路全部投運(yùn)，4臺(tái)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(chǎng)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(cè)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(shí)
      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(dú)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(dòng)模式，無功補(bǔ)償裝置為自動(dòng)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(diǎn)
      1）DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)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(duì)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(jì)，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(shí)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(duì)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(jí)；
      8）擁有自主**技術(shù)。
型號(hào)說明
尺寸說明
 
產(chǎn)品實(shí)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(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)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(dòng)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(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)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(dòng)尋找佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)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(hào)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(shí)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(dú)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(dòng)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(cè)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(duì)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(shí)代 2017

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).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(tái),智能母線監(jiān)控,低壓母線測(cè)溫裝置等, 歡迎致電 15216751208

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