石化電網(wǎng)諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

楊國(guó)峰，侯延軍，劉憲利

（中國(guó)石油吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林 132022）

0 引言

描述石化公司某車間采用可控硅整流裝置供電的直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)，控制觸發(fā)角引起電流的畸變，產(chǎn)生諧波。采用KWWB-400 系列高壓補(bǔ)償及調(diào)壓控制裝置對(duì)無(wú)功和電壓進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)改造，改造后取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 現(xiàn)狀分析

石化公司某車間35 kV 供電系統(tǒng)由甲乙線兩路組成，高壓配電系統(tǒng)是2 臺(tái)一用一備35 kV 主變壓器（35 kV/6kV，16 000 kVA），降壓變壓器分別是6 臺(tái)6 kV 動(dòng)力變壓器（6 kV/400 V）和8 臺(tái)6 kV 整流變壓器（6 kV/600 V，6 kV/400 V）。低壓配室有3 部分：各類輥道、傳送鏈、設(shè)備，為輔傳動(dòng)低配室；整流變壓器給軋線供電設(shè)備為主傳動(dòng)低配室；各種泵類、風(fēng)機(jī)、照明類負(fù)載供電設(shè)備為MCC 室。

1.1 諧波的產(chǎn)生及其危害

車間的傳動(dòng)設(shè)備是16 組ABB 公司DCS600 和2 組DCS800 系列直流轉(zhuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)，都是使用可控硅式整流裝置進(jìn)行供電。送到整流電路的電壓是正弦交流電壓，流過(guò)的電流已不是正弦交流電流，而是與控制角α 相關(guān)的函數(shù)，所以控制觸發(fā)角必然會(huì)引起電流的畸變，產(chǎn)生諧波。晶閘管作為非線性原件，在電路中的應(yīng)用中也會(huì)產(chǎn)生諧波。

1.2 無(wú)功功率的產(chǎn)生及其影響

其他電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)功功率。這就導(dǎo)致了電力設(shè)備與電網(wǎng)之間大量的無(wú)功功率交換，這將導(dǎo)致輸電線路和變壓器輸送大量無(wú)功功率而造成大量的功率損耗，這是不經(jīng)濟(jì)的。

1.3 提高功率因數(shù)的必要性

車間供電系統(tǒng)濾波補(bǔ)償裝置1 套，分5、7、11 次3 個(gè)支路。隨著電氣設(shè)備的不斷擴(kuò)建和滾筒電機(jī)變頻改造，大量感性負(fù)載的使用使得變壓器容量不足，長(zhǎng)期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，特別是在夏季，變壓器工作在60 ℃以上的高溫下，加速變壓器的老化。

近幾年來(lái)，由于諧波原因，中小型生產(chǎn)線的供電系統(tǒng)、保護(hù)裝置和電氣設(shè)備遭受巨大損失。有功功率因數(shù)達(dá)不到電力管理部門(mén)規(guī)定的0.9，影響經(jīng)濟(jì)效益的創(chuàng)造，被有關(guān)部門(mén)罰款。因此，有必要對(duì)車間諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

2 改造方案

2.1 中小型供電網(wǎng)絡(luò)圖（圖1）

圖1 中小型供電網(wǎng)絡(luò)

2.2 項(xiàng)目可行性分析

國(guó)家規(guī)定6 kV 電網(wǎng)月平均功率因數(shù)應(yīng)≥0.95，現(xiàn)在平均功率因數(shù)約為0.83，將現(xiàn)有功率因數(shù)提高到0.95 以上，需在原有基礎(chǔ)上增加電容。由測(cè)試結(jié)果可知，平均有功功率為9295 kW，功率因數(shù)為0.83，要提高到0.95 需增加無(wú)功功率3191 kvar。

2.3 方案確定

隨著產(chǎn)能提升，對(duì)交流異步電機(jī)大量進(jìn)行變頻拖動(dòng)改造，經(jīng)過(guò)對(duì)軋線主機(jī)設(shè)備的擴(kuò)容改造，尤其是17#、18#主機(jī)擴(kuò)容后車間電能質(zhì)量明顯下降，通過(guò)及時(shí)對(duì)TF 變壓器的擴(kuò)容，已經(jīng)能夠達(dá)到車間正常用電的需求。需要在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步來(lái)提升電能穩(wěn)定性，以此來(lái)提升變壓設(shè)備和濾波設(shè)備整體使用效率。對(duì)6 kV 濾波系統(tǒng)進(jìn)行整體的集中動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在車間整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)中，這些中小型降壓變壓器有8 臺(tái)6 kV 整流變壓器（6 kV/600 V，6 kV/400 V），6 臺(tái)6 kV 動(dòng)力變壓器（6 kV/400 V）。前者的供電范圍為主傳動(dòng)室，服務(wù)于軋線設(shè)備。由于有功功率與無(wú)功功率隨時(shí)間變化速率快，電壓波動(dòng)巨大，波形畸變，功率因數(shù)較低，因此采用靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器（SVC），其補(bǔ)償過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，可以根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功功率的需求或電壓變化自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償；后者供電范圍為輔傳動(dòng)和MCC 室，控制輥道電機(jī)和照明、泵類及風(fēng)機(jī)負(fù)載。由于負(fù)載沖擊小，采用性價(jià)比較高靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)（并聯(lián)電容器）即可滿足要求。改造的技術(shù)核心是諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償。

改造的主體電氣設(shè)備為高壓無(wú)功功率自動(dòng)濾波補(bǔ)償裝置，主要對(duì)系統(tǒng)中5 次、7 次諧波進(jìn)行治理，改造方案采用KWWB-400 系列高壓補(bǔ)償及調(diào)壓控制裝置對(duì)無(wú)功和電壓進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，輔以JHA651 數(shù)字式電容器保護(hù)裝置實(shí)施全面的保護(hù)。

3 改造措施

3.1 濾波補(bǔ)償裝置工作的理論基礎(chǔ)

工頻狀態(tài)下濾波器的阻抗為式（1）：

基波電流為式（2）：

安裝容量為式（3）：

在工頻狀況下，濾波器阻抗呈容性，可以提供超前無(wú)功功率，補(bǔ)償電網(wǎng)中的感性無(wú)功。

在測(cè)試的時(shí)候相繼投入5、7、11 次支路，經(jīng)過(guò)測(cè)得5 次支路所發(fā)射的基波是870 kvar，7 次支路所發(fā)射的基波是870 kvar，11 次支路所發(fā)射的基波是1929 kvar，這3 個(gè)支路總共發(fā)射的基波是3669 kvar。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，5 次電容值為94 μF，電抗值為4.5 mH，7 次電容值為87 μF，電抗值為2.2 mH，11 次電容值為182 μF，電抗值為0.5 mH，由式（1）、（2）、（3）可推算出5次安裝容量約為1500 kvar，7 次安裝容量約為1500 kvar，11 次安裝容量約為3000 kvar。

3.2 自動(dòng)濾波補(bǔ)償裝置工作過(guò)程

靜止性無(wú)功功率補(bǔ)償器SVC 的核心是晶閘管控制電抗器（TCR），依靠調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)延遲角實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功的快速、平滑調(diào)節(jié)。單獨(dú)的晶閘管可控電抗器只能吸收感性無(wú)功功率，功能單一，因而常與并聯(lián)電容器配合使用組成FC+TCR 型SVC 系統(tǒng)。工作原理如圖2 所示。

圖2 靜止性無(wú)功功率補(bǔ)償器SVC 工作原理

QC為并聯(lián)電容器組發(fā)出的超前無(wú)功功率，QL為補(bǔ)償電抗器吸收的無(wú)功功率，QF為負(fù)荷側(cè)所需要的無(wú)功功率，QS為系統(tǒng)所提供的無(wú)功功率，QLC為T(mén)CR調(diào)諧系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率。當(dāng)負(fù)載變化滯后于QF時(shí)，連續(xù)控制滯后無(wú)功功率QL，引起（QL-QC）變化，使系統(tǒng)供給的無(wú)功功率QS=QF+QL-QC為接近常數(shù)，達(dá)到限制電壓波動(dòng)的目的。

3.3 改造的措施

改造的方案是在原設(shè)備基礎(chǔ)上增加設(shè)備，在3 組電抗器上增加適當(dāng)?shù)淖枘?，?lái)實(shí)現(xiàn)消除諧波，同時(shí)提升功率因數(shù)至0.9 效果。將現(xiàn)有功率因數(shù)提高到0.95 以上，需在原有基礎(chǔ)上增加電容。但是，由于現(xiàn)有電容室場(chǎng)地有限，且原5 次濾波器經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后諧振頻率有所偏移，不能滿足需要，因此應(yīng)對(duì)原有5 次及7 次濾波器進(jìn)行更換?，F(xiàn)有5、7 次濾波器停用后，減小基波無(wú)功功率1740 kvar，則改造后的5、7 次濾波器應(yīng)發(fā)出無(wú)功功率4931 kvar。5 次和7 次濾波系統(tǒng)整體更換所需設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 濾波系統(tǒng)改造所需設(shè)備

改造后能5 次諧波發(fā)出基波無(wú)功功率2551 kvar，7 次諧波能發(fā)出基波無(wú)功功率2500 kvar。

另外，原控制保護(hù)屏經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行后性能有所下降，經(jīng)測(cè)試柜內(nèi)電流互感器電流值與實(shí)際值相差很大，應(yīng)該更換。新研制的控制保護(hù)裝置在性能、可靠性、人機(jī)界面上均有很大程度的提高，因此用新的控制保護(hù)屏對(duì)濾波支路進(jìn)行控制保護(hù)能達(dá)到更好的效果。

3.4 KWWB-400 系列高壓補(bǔ)償和調(diào)壓控制的裝置

保護(hù)控制系統(tǒng)使用中國(guó)電力科學(xué)院研發(fā)的高壓濾波回路式自動(dòng)控制器，對(duì)這3 條回路達(dá)到自動(dòng)投切的控制。提升有源濾波的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，以及增加和無(wú)源濾波技術(shù)相結(jié)合的一種實(shí)時(shí)諧波濾除及動(dòng)態(tài)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难b置，高壓無(wú)功功率自動(dòng)濾波補(bǔ)償裝置由真空接觸器、補(bǔ)償電容器、空心電抗器、隔離接地開(kāi)關(guān)以及放電線圈等適當(dāng)組成，可吸收系統(tǒng)中5 次諧波，裝置同時(shí)使用KWWB-400 系列高壓補(bǔ)償及調(diào)壓控制裝置對(duì)無(wú)功和電壓進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。

3.5 JHA651 數(shù)字式電容器保護(hù)裝置實(shí)施全面的保護(hù)

二段式過(guò)流保護(hù)；零序電流保護(hù)，跳閘或告警；過(guò)電、欠電壓保護(hù)；故障顯示和記憶功能；不平衡電流、電壓保護(hù)；裝置中具有光電隔離式高速RS485 通信接口的通信功能，能夠通過(guò)RS485通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

4 實(shí)施效果

改造后，電能質(zhì)量明顯提高。穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，降低負(fù)荷電壓降，抑制電壓閃變，提高供電質(zhì)量；補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率，保證處理后用戶功率因數(shù)提高到0.95 以上，節(jié)約電費(fèi)；濾除部分系統(tǒng)諧波，減少諧波對(duì)供電系統(tǒng)、保護(hù)裝置和電氣設(shè)備的危害，系統(tǒng)噪聲明顯降低。

4.1 實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過(guò)濾波系統(tǒng)裝置改造后，電氣功率因數(shù)能夠提升至0.95。這就避免因功率因數(shù)達(dá)不到要求而被電力部門(mén)罰款，同時(shí)也節(jié)省電費(fèi)支出費(fèi)用。

電力部門(mén)7 個(gè)月罰款35 萬(wàn)多元，每月高至5 萬(wàn)多元。進(jìn)行改造后每年就能夠降低因功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)而多支出的電費(fèi)50多萬(wàn)元。綜合計(jì)算得到，每年預(yù)計(jì)能夠得到經(jīng)濟(jì)效益60 多萬(wàn)元。因?yàn)楣β室驍?shù)提升，每年能夠節(jié)省電費(fèi)300 多萬(wàn)元。

4.2 改造效果

利用PSCAD 仿真軟件，檢測(cè)系統(tǒng)功率因數(shù)變化和5 次諧波濾波及補(bǔ)償效果明顯改善。

5 后續(xù)措施

通過(guò)對(duì)電流、電壓的檢測(cè)，進(jìn)一步完善系統(tǒng)性能，我們對(duì)整個(gè)系統(tǒng)加了許多監(jiān)測(cè)點(diǎn)，充分利用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基礎(chǔ)裝置并加以擴(kuò)展。如從監(jiān)測(cè)點(diǎn)引一信號(hào)至主電室，并設(shè)某一定值、當(dāng)電壓急劇變化時(shí)引起蜂鳴器報(bào)報(bào)警裝置啟動(dòng)。

為了加強(qiáng)PSCAD 仿真軟件的研究和應(yīng)用，可以利用PSCAD 軟件發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作過(guò)電壓、故障和雷擊等。該方法可以精確地模擬含有復(fù)雜非線性元件（如直流輸電設(shè)備）的大型電力系統(tǒng)。其輸入輸出界面非常直觀方便。它還可用于電力系統(tǒng)的時(shí)域或頻域計(jì)算與仿真，電力電子領(lǐng)域的電力系統(tǒng)諧波分析與仿真計(jì)算。