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一种无功补偿和有源滤波混合补偿方案在工业场

  一种无功补偿和有源滤波混合补偿方案在工业场合的应用摘要:针对某工业场合在谐波污染较严重和电容补偿装置已投入运行的工况下,文中通过对实际测量数据进行分析,验证电容柜和谐波之间的相互影响,说明现有方案的危害性,并提出了一种串联电抗形式的无功补偿和有源滤波混合使用的补偿方案,在讨论现有治理装置的基础上,对该混合补偿装置进行了实际工程应用,数据显示效果明显,从而为该工业场合电力系统保驾护航,取得了客户的极大认可,并为其他类似案例带来较高的工程应用价值。

  由于电力电子技术的飞速发展,非线性设备大量应用,给电网带来严重的电能质量问题,大多数场合对电能质量要求越来越高,传统无功补偿和谐波治理措施已难以满足当前工况需求, 特别现场后期电力系统增容改造或停运维修,导致系统阻抗发生改变,影响补偿效果,甚至引发串并联谐振,为了弥补缺陷,更好得解决当前工况遇到的电能质量问题,本文提出一种“晶闸管控制的串抗无功补偿和有源滤波混合补偿”方案,并验证其实际应用效果。

  大量谐波在电网中流动加速线路和变压器等设备损耗,降低使用效率和寿命,降低供电系统的可靠性,增加电力运行成本;谐波易流入电容柜,引发串并联谐振,放大谐波,加速电容老化,不能正常使用,甚至出现鼓肚、漏油等等现象,诱发供电事故的发生;高次谐波易引起各类继电保护和自动装置的误动作,使计量装置和测量仪表产生误差,导致计量混乱;由于谐波的干扰,降低信号传输质量,从而影响通讯系统的正常工作。总之,谐波将对整个电网存在带来隐患。

  谐波治理和无功功率补偿的方式有很多,常见无功补偿以并联电容器组为主,谐波治理主要分为有源和无源两大类。

  传统的并联电容器因其结构简单、成本低廉在公用电网和工业系统中得到广泛的应用,随着电力电子技术的迅猛发展,出现了一些先进的无功补偿装置,比如SVG,尽管如此,并联无功电容器无功补偿装置低成本优势使得其仍然是实际电网中用来提高功率因数的主流装置。

  在谐波治理方面,无源滤波装置是采用电抗、电容的调谐原理,在谐波频次下形成低阻抗通道,吸收谐波。但是其滤波特性很容易受到系统参数的影响,极易与系统或者其他滤波支路发生串并联谐振;只能消除特定的几次谐波,甚至对其他频次谐波有放大隐患;滤波、无功补偿、调压等要求之间有时难以协调;谐波电流增大时,无保护作用,会造成滤波本身过载,甚至损坏设备等,在很多场合使用受到阻碍。

  而有源滤波器的出现扭转了局面,与无源滤波技术相比,可实现主动式动态补偿,有极快的响应速度,不受电网阻抗影响,不存在与电网阻抗发生谐振的隐患;补偿频次范围广,可兼补无功,实现无功的无极可调,不会出现过补与欠补现象;具有完善的过载保护功能,无需与系统断开,限幅输出;补偿容量大、体积小,安装、维护、扩容等作业方便,使用范围广。

  本次以某工业场合为例,该场合配电系统中分别由两台变压器T1、T2分列运行,所带负载分别为三套不同马力VSD测量平台,基本供电拓扑类似,在每个VSD测量平台均是并联电容柜就地无功补偿,据现场反馈,由于VSD产生的较大谐波引起无功补偿装置损坏,功率因数低,严重影响生产制造,给客户带来经济损失,为此对该系统进行详细检测,测量示意图如下图1所示,测量仪器为:日置PW3198电能质量分析仪。

  本次对比以419平台为例,A、B、C为三点同时测量,分别为419马力变频器A相经过就地无功补偿前后以及无功电流情况,测量数据如图2所示。

  其中I1为变频器没有进行无功补偿时A相电流,I2为无功柜A相电流,I3为补偿无功后A相电流,I4为SSSDA相电流,可见SSSD谐波含量较小可忽略。通过数据可发现两个问题,一是无功柜内有谐波灌入,含量高达28.26%,二是变频器谐波经过纯容无功补偿后严重放大,具体放大数据对比如表1所示。

  从表1中可发现,变频器产生谐波主要以5/7/11/13次为主,无功补偿后,THDi由原来26.34%放大到96.31%,5次谐波由原来55.94A放大到88.3,7次谐波由原来20.1A放大到37.86A,且在放大谐波后,系统的谐波电流比基波电流大,在变频器满载时将会十分危险。

  解决上述问题的关键在于:需从根本上抑制这种谐振放大现象,若仅用有源滤波(以下简称APF)进行谐波治理,并不能避免谐波放大,甚至当APF补偿率越高放大效果反而越明显。

  所以对原电容补偿支路进行串联7%电抗器,抑制5、7次以上谐波流入无功柜,同时避免谐振现象,用晶闸管替换接触器投切方式,保证过零投切,有无涌流、触点不烧结、微能耗等优势,可有效保证无功柜性能和使用寿命。无功柜改造示意如图3所示。

  无功改造基础上增加APF进行谐波治理,并联于无功柜与负载之间,一段时间使用后,测量效果如图4~图9所示,电流波形由马鞍状趋向正弦波,电流畸变率由原来32.82%降低至3.91%,电压畸变率由6.09%降至1.42%,满足国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中谐波电压不超过5%的限值,当前工况下,无功柜可正常工作,功率因数得到提高,从跟本上解决谐波放大问题,消除负载谐波电流,使电压谐波畸变率大大减小,提高供电质量,给生产带来保障。

  上述分析说明,该串抗无功补偿和APF混合补偿方案不但可有效消除负载谐波电流,而且可抑制电容器组对系统谐波的放大,充分发挥无功柜的经济性和APF滤除谐波的性等优势,具有较高的工程应用价值。该方案适用性广,可广泛应用于其他行业的类似工况场合,为电力系统保驾护航。

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