10KV中頻爐供電系統(tǒng)動態(tài)無功綜合補償濾波裝置

蘇宏立 朱向華 應 濤 楊 路

（中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310022）

在供電系統(tǒng)中，供電的質量指標、電網運行的安全可靠性和經濟性是最根本的問題?？焖俸侠淼卣{節(jié)電網無功功率，對交流電網的穩(wěn)定和系統(tǒng)電壓的調節(jié)、合理分配及限制電網過電壓方面有著十分重要的意義。

無功功率是電力系統(tǒng)的一個重要運行參數，它的平衡程度直接影響著電網電壓的穩(wěn)定程度。因此在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下，有針對性地采用無功補償和諧波抑制措施，降低網損和電壓損耗，提高電壓水平，改善電能質量，是電力生產和電網管理所追求的目標，也是中頻爐供電系統(tǒng)必須遵循的原則。

10KV中頻爐項目，系統(tǒng)負荷主要為六臺中頻爐，由10KV母線進行配電，分別為4臺容量為1500KVA的2T中頻爐、2臺容量3000KVA的5T中頻爐，其中2臺2T和1臺5T的中頻爐在一段母線上，另外的再另一段母線上。中頻爐負荷屬于非線性負荷，運行時不僅會產生大量高次諧波，導致系統(tǒng)電壓、電流波形畸變，降低電能質量；而且還會產生大量的無功，引起電網電壓波動，嚴重時影響帶載設備的安全運行，降低了生產效率。為了保證系統(tǒng)投入后安全經濟運行，濾除系統(tǒng)高次諧波、提高系統(tǒng)功率因數、改善電氣環(huán)境、降低網損、節(jié)約能源，需要采用良好的設備對系統(tǒng)綜合治理。

1 動態(tài)無功補償技術研究與比較

傳統(tǒng)的無功補償模式采用固定并入供電系統(tǒng)一定容量補償裝置的模式，其阻抗是固定的，無法跟蹤負載無功需求的變化，也就是不能實現(xiàn)對無功功率的動態(tài)補償；而應用在10kV中頻爐的無功補償，屬于負載型補償，負荷變化頻繁；因此，固定補償模式不適應于這種場合，應采用快速動態(tài)無功補償模式。

目前，性能可靠在其他供電系統(tǒng)應用較廣泛的靜止型動態(tài)無功補償裝置（SVC）技術包含以下幾種方式：

一是機械式分組投切電容器（MSC）普遍采用真空接觸器投切，投切瞬間開關會產生電弧，電容器回路的通斷過程中產生操作過電壓和沖擊電流，觸頭易產生電弧重燃，對電容和系統(tǒng)的安全運行產生較大影響。同時，這種方式也無法對系統(tǒng)變化快速跟蹤補償，無法滿足負荷頻繁啟停的補償要求，無法滿足頻爐供電系統(tǒng)末端對無功補償的要求，同時，接入系統(tǒng)的電容器組易于系統(tǒng)產生諧振，也不利于其在頻爐供電系統(tǒng)的使用。

二是晶閘管分組投切電容器（TSC）用晶閘管代替接觸器進行電容投切，與接觸器進行電容投切相比，晶閘管的操作壽命長，并通過投切時間的精確控制減少投切的沖擊電流，但同樣不具備連續(xù)無功調節(jié)，而且無法避免諧振隱患。

三是晶閘管控制電抗器（TCR）+固定電容裝置（FC）可以平滑調節(jié)無功補償容量，快速響應系統(tǒng)變化靜止無功發(fā)生器（SVG）：一般指自換相電力半導體變流補償技術，與其他的動態(tài)補償方式相比，具有速度快、諧波小、體積小等優(yōu)點。該技術已成為動態(tài)無功補償技術的發(fā)展方向，特別適用于配電和負荷系統(tǒng)的無功補償。

文中針對10KV頻爐供電系統(tǒng)的特點，提出了無源HVC自動諧波濾波裝置與高壓有源APF動態(tài)無功綜合補償濾波裝置相結合的技術方案，整套裝置在對負荷進行補償濾波的整個控制過程中，HVC與APF互相配合，既能保證濾波補償效果，又可避免無功過補，屬于一種比較先進的補償、濾波方式。

2 系統(tǒng)總體設計

針對用戶供電系統(tǒng)的負荷分布狀況及負荷生產特點，本文建議采用高壓APF+動態(tài)無功綜合補償濾波裝置的技術方案，即無源HVC自動諧波濾波裝置與高壓有源APF動態(tài)無功綜合補償濾波裝置有機結合，整套裝置在補償濾波整個過程中，補償實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)調節(jié)，濾除系統(tǒng)各次諧波，保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

對中頻爐整流裝置所產生的特征性諧波采用HVC自動諧波濾波裝置方的案進行諧波治理。對系統(tǒng)其他低次諧波及系統(tǒng)無功補償，采用高壓有源APF動態(tài)無功綜合補償濾波裝置的方案，APF的容量設置充分考慮濾波支路所能提供的基波無功，有效對系統(tǒng)的非特征性5、7次以下各次諧波進行濾除。

HVC采用真空接觸器自動投切濾波電容器組，主要用來吸收系統(tǒng)特定次數諧波兼起無功補償的作用。APF采用半導體電力電子器件來構建整流和逆變電路，可以濾除系統(tǒng)5、7次以下低次諧波，還可以對負荷實現(xiàn)雙向補償和連續(xù)調節(jié)，補償容量設計足夠時實現(xiàn)功率因數補償接近為1。在對負荷進行補償濾波的整個控制過程中，HVC與APF互相配合，既能保證濾波補償效果，又可避免無功過補，屬于一種比較先進的補償、濾波方式。

3 系統(tǒng)詳細設計過程

3.1 無功補償容量的計算

為了使系統(tǒng)功率因數達到0.95以上，對2臺2T和1臺5T中頻爐為一組在10KV母線上進行集中補償。計算建議補償容量如下：

單段母線補償容量：Q 補=S×COSΦ1（tanΦ1－tanΦ2）=2000Kvar。

序號 名稱 容量 補償前功率因數 補償后功率因數 補償容量Kvar 備注1 2T中頻爐 1500KVA 0.8 0.95 500 2 2T中頻爐 1500KVA 0.8 0.95 500 3 5T中頻爐 3000kVA 0.8 0.95 1000 4合計補償容量2000

3.2 系統(tǒng)諧波總電流及濾波裝置容量確定

3.2.1 濾波容量確定。對于整流裝置而言，產生的諧波電流次數為：n=kp±1

式中：n－諧波次數

k－正整數，取 1、2、3、4…

p－脈動數（6脈動、12脈動）

﹙對于 6脈動整流器特征諧波為 5、7、11、13…﹚對于12 脈動整流器特征諧波為 11、13、23、25…，5、7、11、13…次諧波是非特征諧波。特征諧波電流值大小為：In=I1/n。非特征諧波電流值大小取決于控制角、負荷及系統(tǒng)阻抗，取In=（0.1～0.2）I1/n。

3.2.2 總諧波電流計算

名稱 容量（KVA） 基波電流（A） 11次諧波（A） 13次諧波（A） 23次諧波（A） 25次諧波（A）2T中頻爐 1500 86.6 7.9 6.7 3.8 3.5 2T中頻爐 1500 86.6 7.9 6.7 3.8 3.5 5T中頻爐 3000 173.2 15.8 13.4 7.6 7 20.5 16.8 9.2 8.4合計 20.5 21

3.2.3 10KV母線諧波國標允許值。國家標準限制GB/T14549-93《電能質量 公用電網諧波》給出了基準容量為100MVA，10kV公共連接點的各次諧波電流允許值，諧波電流限制如下表所示：

表1 諧波電流限制

表2 公用電網諧波電壓限制

因此，可得出結論：系統(tǒng)產生的11、13…次諧波電流均已超標。

3.2.4 濾波支路確定。濾波裝置各支路的設計根據諧波發(fā)生量的次數和大小進行，滿足公共連接點的電壓畸變率和流入系統(tǒng)的各次諧波電流要求的前提下，要避免在某次諧波頻率下產生諧波諧振，以保證濾波裝置的長期安全運行。

中頻爐12脈動整流裝置運行時除了產生11、13…次特征諧波電流，還會產生5、7…次非特征諧波。濾波支路設計11、13次二組濾波通道，11次做成單調諧濾波通道，13次做成高通濾波通道，能達到良好的濾波效果。設計時考慮10KV系統(tǒng)背景諧波及安裝維護的方便問題，為了在盡可能小的電容器容量下同時滿足本工程要求，選擇濾波器實際安裝容量如下：

濾波裝置各支路的設計根據諧波發(fā)生量的次數和大小進行，滿足公共連接點的電壓畸變率和流入系統(tǒng)的各次諧波電流要求的前提下，要避免在某次諧波頻率下產生諧波諧振，以保證濾波裝置的長期安全運行。濾波支路容量參數的確定詳見如下：

序號 濾波次數 11 13次高通1電容器安裝容量（Kvar） 1200 1200 2每臺電容器額定容量（Kvar） 200 200 3電容器安裝臺數 6 6 4每相電容器額定電壓（KV） 8.2 8.2 5基波補償容量（Kvar） 600 600 6 HVC濾波器安裝總容量（Kvar） 2400 7 HVC基波補償總容量（Kvar） 1200 8 APF 容量（Kvar）1000 9設備選型 H.APF-10/3400（1000A+1200H11+1200HP13）10 總基波補償容量（Kvar） 2200

3.3 設備組成及柜體尺寸 單套APF+HVC-10/3400kvar組成及尺寸如下表

數量：共計兩套

序號 項目 型號 數量（套） 單套尺寸（寬×深×高mm）1控制柜 APF+HVC-WH 1 1200×1600×2600

2連接變壓器柜 DYB-10/1 1 2200×1600×3000 3進線電抗器柜 DK-1 1 1200×1600×2600 4功率單元柜 APF-10/1000 1 1200×1600×2600 5 HVC 濾波電容柜（11次濾波） HVC-10/1200-11 1 1600×1600×2600 6 HVC 濾波電容柜（13次濾波） HVC-10/1200-13 1 1600×1600×2600 7合計 3400kvar 6 9000×1600×2600

說明：由于濾波電抗器是空芯結構，整體采用的是框架式結構。

3.4 設備安裝示意圖

10KV側加裝濾波裝置如圖1所示。

4 總結

本文提出了一種無源HVC自動諧波濾波裝置與高壓有源APF動態(tài)無功綜合補償濾波裝置相結合的方法，在對負荷進行補償濾波的整個控制過程中，HVC與APF互相配合，既能保證濾波補償效果，又可避免無功過補，屬于一種比較先進的補償、濾波方式。

其效果總結如下：

一是有效濾除5、7、11、13次及高次諧波，注入系統(tǒng)的特征諧波電流在國標GB/T14549-93允許值之內。

二是補償后系統(tǒng)10KV母線功率因數≥0.95。

三是增加變壓器帶載容量，降低網損，高效節(jié)能，提高功率因數，減少無功功率在網絡中輸送所造成的功率損耗。

四是減小無功電流，有效利用原有變壓器和輸電線路的容量。

五是裝置投入運行以后，不會對系統(tǒng)的其它設備產生影響，不會危害電網安全。

六是諧波不會引起補償裝置與系統(tǒng)產生諧振，確保補償裝置和系統(tǒng)的安全，補償裝置本身安全可靠工作。

七是抑制系統(tǒng)諧波，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高設備使用壽命，降低現(xiàn)有設備的維護成本。

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