有源濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置在糖廠的應(yīng)用

杜科毅，莫若華，龐金標(biāo)，蒙文芳，江澤豪

（1.中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司，廣西 崇左 532200；2.勝業(yè)電氣股份有限公司，廣東 高州 330520）

1 引言

中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司是一家以甘蔗為基礎(chǔ)原材料加工蔗糖為主的專業(yè)公司。在工廠內(nèi)負(fù)載類型主要是車間生產(chǎn)用壓榨機(jī)、減速機(jī)、真空泵、消防泵等電機(jī)類負(fù)載以及直流調(diào)速器、變頻器這類AC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)備，為典型的非線性和沖擊性負(fù)荷。其工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)、閃變以及諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題，影響系統(tǒng)及周圍設(shè)備的正常運(yùn)行，并造成極大的設(shè)備安全隱患。

2 企業(yè)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)況

壓榨車間榨機(jī)饋線共三臺(tái)690V的變壓器：1#變壓器容量為4000kVA、2#變壓器容量為4000kVA和3#變壓器容量為2000kVA。其中1#、2#變壓器低壓側(cè)分別配置兩臺(tái)300kvar電容補(bǔ)償柜TSC，3#變壓器無(wú)補(bǔ)償。糖廠壓榨車間直流電機(jī)較多，且用電負(fù)荷非常大。壓榨車間榨機(jī)饋線如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為新增設(shè)備。

圖1 壓榨車間榨機(jī)饋線

2.1 改造前供電系統(tǒng)主要問(wèn)題和原因分析

2.1.1 主要問(wèn)題

一是功率因數(shù)低只有0.74，達(dá)不到功率因數(shù)大于0.90的要求。

二是變壓器噪聲大，油溫高經(jīng)常達(dá)到80℃。電纜線溫度高。

三是系統(tǒng)在滿負(fù)載時(shí)即單位時(shí)間內(nèi)壓榨甘蔗量過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電壓跌落的情況，當(dāng)出現(xiàn)該情況時(shí)功率因素最低為0.4左右。

四是無(wú)功補(bǔ)償柜電容器衰減比較嚴(yán)重，出現(xiàn)故障不能正常工作。電纜、銅排等設(shè)備過(guò)熱，絕緣老化。2.1.2 原因分析

糖廠壓榨車間能耗占據(jù)全廠能耗60%以上，榨機(jī)能耗在壓榨車間占比70%，所以解決榨機(jī)能耗問(wèn)題是糖廠節(jié)能降耗的關(guān)鍵。根據(jù)壓榨現(xiàn)場(chǎng)直流電機(jī)、直流調(diào)速器特性，我們分析基本認(rèn)定這些問(wèn)題是榨機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于蔗層的不穩(wěn)定，導(dǎo)致榨機(jī)頻繁調(diào)節(jié)速度，致使榨機(jī)自控系統(tǒng)中諧波電流含量較大引起。電容器投入后，諧波電流放大，從而導(dǎo)致電容器支路和熔斷器等設(shè)備發(fā)熱，引起電容器長(zhǎng)時(shí)間過(guò)溫衰減，電纜、銅排等設(shè)備過(guò)熱。

功率因數(shù)低只有0.74，大量無(wú)功由變壓器提供，加之存在大量的諧波電流，增加了大量的線路損耗和加重了變壓器的負(fù)擔(dān)。由于線路損耗是以熱能的方式消耗掉，無(wú)形之中增大了設(shè)備運(yùn)行溫度，嚴(yán)重降低設(shè)備的使用壽命。由于電容器衰減故障，不能正常工作，造成功率因數(shù)偏低，變壓器使用率低。

2.2 諧波和電能質(zhì)量簡(jiǎn)述

正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變，正弦波形畸變成不規(guī)則非正弦波形，對(duì)非正弦波進(jìn)行傅立葉分解，除了基波頻率的電量，其余大于基波頻率如：150、250、350Hz等的電流產(chǎn)生的電量，稱為諧波。

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，廣泛的使用各種整流功能的電力電子裝置都是非線性負(fù)載，如直流電機(jī)、UPS、變頻器、電弧爐、中頻爐、機(jī)車直流牽引系統(tǒng)、可控硅調(diào)光系統(tǒng)、電梯、熒光燈、電腦辦公設(shè)備、變頻空調(diào)等。這些非線性負(fù)載產(chǎn)生大量諧波電流，注入電網(wǎng)。

電能質(zhì)量是指關(guān)于諧波、三相不平衡、頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、暫時(shí)或瞬態(tài)過(guò)電壓、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性一系列供用電的問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人們對(duì)電能使用要求的提高，電能質(zhì)量已經(jīng)成為維護(hù)電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生產(chǎn)提高的一個(gè)關(guān)鍵要素。

2.3 無(wú)功功率的影響和諧波的危害

2.3.1 無(wú)功功率對(duì)公用電網(wǎng)的影響

第一，增加設(shè)備容量。無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加。同時(shí)，電力用戶的啟動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的尺寸和規(guī)格也要加大。

第二，設(shè)備及線路損耗增加。無(wú)功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加，這是顯而易見(jiàn)的。

第三，使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無(wú)功功率負(fù)載，還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。

2.3.2 諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害

第一，諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

第二，諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對(duì)電機(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(guò)電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

第三，諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴(yán)重事故。

第四，諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

第五，諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重則導(dǎo)致信息丟失。

3 供電系統(tǒng)改造后

3.1 壓榨車間變壓器新增裝置

2017年8月，為了集中治理對(duì)壓榨車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了改造，其中1#、2#變壓器分別新增了2臺(tái)300kvar無(wú)功補(bǔ)償柜TSC，1臺(tái)300A有源濾波柜APF。3#變壓器新增了2臺(tái)300kvar無(wú)功補(bǔ)償柜TSC。裝置投入后，解決了電能質(zhì)量問(wèn)題。功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益。壓榨車間變壓器新增裝置，如表1所示。新增設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖，如圖1所示。

表1 壓榨車間變壓器新增裝置表

圖2 壓榨車間變壓器新增的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 新增裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本次改造的目的是滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省電費(fèi)；在有限的投資成本下，最大化進(jìn)行諧波有效治理。有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置由有源濾波柜、無(wú)功補(bǔ)償柜組成。

3.2.1 有源濾波柜

有源濾波器與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有特殊優(yōu)勢(shì)，寬范圍濾波、單柜大容量、模塊化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化柜體，這些優(yōu)勢(shì)使其能輕松解決電能質(zhì)量問(wèn)題。

濾波效果＞95%。

補(bǔ)償方式：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求可對(duì)諧波補(bǔ)償、無(wú)功補(bǔ)償、不平衡補(bǔ)償模式進(jìn)行優(yōu)先設(shè)定，并可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。

動(dòng)態(tài)全響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間≤100us；全響應(yīng)時(shí)間≤10ms。

濾波范圍：2～25次可任意選定濾波次數(shù)，滿足25～50次集中濾波。

啟動(dòng)方式：軟啟動(dòng)，無(wú)沖擊啟動(dòng)。

治理效果：通過(guò)諧波治理，有明顯的電能質(zhì)量改善效果。

主要核心器件：設(shè)計(jì)裕量充足，過(guò)載能力強(qiáng)，裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠。IGBT選用國(guó)內(nèi)外知名品牌IGBT器件；控制器選用美國(guó)TI及Altera公司的處理器芯片，控制架構(gòu)成熟穩(wěn)定。

裝置實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，自動(dòng)檢測(cè)并跟蹤電網(wǎng)諧波變化，投運(yùn)后定期維護(hù)即可。

有源濾波裝置獨(dú)立于電網(wǎng)阻抗及系統(tǒng)阻抗，不受電網(wǎng)阻抗和系統(tǒng)阻抗變化的影響。

功率損耗：裝置采用專有的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，成套裝置損耗小于總?cè)萘康?%。

控制系統(tǒng)采用特有的軟啟動(dòng)方案，從而消除投退瞬間對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)沖擊啟動(dòng)。

3.2.2 無(wú)功補(bǔ)償柜

采用可控硅投切開關(guān)，過(guò)零投切，無(wú)涌流，性能可靠，損耗小。具有超限保護(hù)報(bào)警功能，報(bào)警值可由用戶自行設(shè)置，具有手動(dòng)和自動(dòng)二種控制方式，便于調(diào)試。

電容器：采用特殊設(shè)計(jì)，降低自身發(fā)熱、增大場(chǎng)強(qiáng)延長(zhǎng)使用壽命長(zhǎng)，損耗小，可長(zhǎng)期在線投入使用。具有雙重保護(hù)即過(guò)壓力防爆功能，二次溫度保護(hù)。

電抗器：采用干式鐵芯銅線電抗器，具有損耗低，電抗器正常運(yùn)行時(shí)溫升不超過(guò)40K。抑制5次以上諧波的放大及諧振現(xiàn)象的發(fā)生，并濾除部分諧波。

圖3 APF投入前后的電流畸變率

圖4 APF投入前后的功率因數(shù)和電能

3.3 改造后的綜合效益

3.3.1 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

用FLUKE435電能質(zhì)量分析儀在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示，其中數(shù)據(jù)僅體現(xiàn)當(dāng)時(shí)工況。圖3中APF投入前，在相同負(fù)荷下，壓榨榨機(jī)饋線電流畸變率為22.8%；APF投入后，在相同負(fù)荷下，壓榨榨機(jī)饋線電流畸變率下降到12.8%，降低了10個(gè)百分點(diǎn)。圖4有源濾波裝置和無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)投入前，壓榨榨機(jī)饋線功率因數(shù)只有0.74；有源濾波裝置和無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)投入后，壓榨榨機(jī)饋線功率因數(shù)達(dá)到0.95，高出國(guó)家要求0.05個(gè)百分點(diǎn)，其中國(guó)家要求系統(tǒng)功率因數(shù)不能低于0.9。

2017年新增了有源濾波裝置壓榨車間榨機(jī)饋線未出現(xiàn)故障情況。2017年以前未增加時(shí)設(shè)備故障情況，如表2所示。改造前，功率因數(shù)只有0.74，電網(wǎng)中還存在大量的諧波電流，對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生一定的影響。其中APF未投運(yùn)前，電網(wǎng)電流畸變率達(dá)到22.8%，主要以5次和7次諧波為主。其中，5次諧波電流平均值達(dá)到491A，無(wú)功補(bǔ)償投入后，功率因數(shù)提高到0.95。APF投運(yùn)后，5次諧波電流平均值為220A，5次諧波電流共濾除271A，設(shè)備總?cè)萘繛?00A，因?yàn)?次總諧波電流超出設(shè)備總?cè)萘康?00A，所以，濾除率按照設(shè)備容量計(jì)算，5次諧波電流濾除率=271/300=90.3%；APF投運(yùn)前，7次諧波電流平均值為115A，投運(yùn)后，7次諧波電流平均值為9A，7次諧波電流共濾除106A，7次濾除率=106/115=92%，分別到達(dá)技術(shù)要求。

表2 2017年以前未增加有源濾波裝置壓榨車間榨機(jī)饋線設(shè)備故障情況表

3.3.2 經(jīng)濟(jì)效益

一是功率因數(shù)提高。功率因數(shù)從0.73提高到0.9以上。變壓器的平均負(fù)荷電流減少，變壓器銅損減少。變壓油溫從80℃降到60℃，電纜線溫度大幅度下降。

二是提高生產(chǎn)效率。無(wú)功補(bǔ)償兼有源濾波裝置投入后，功率因數(shù)提高了，壓榨速度有大幅度提高。原來(lái)有三個(gè)變壓器供電，現(xiàn)將3#停用作備用變壓器，由1#、2#變壓器供電。

三是提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。無(wú)功補(bǔ)償和有源濾波裝置投入后，負(fù)荷無(wú)功電流、諧波電流減少，設(shè)備的發(fā)熱、損耗降低。系統(tǒng)內(nèi)各元件損壞率降低，設(shè)備絕緣老化減緩，故障率下降，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，因而提高了糖廠整體用電的安全性。

四是供電系統(tǒng)效益。無(wú)功功率的減少，不僅節(jié)約企業(yè)自身的電費(fèi)開支，還減少了電網(wǎng)的線損和變壓器容量的占用。諧波污染的減少，降低了對(duì)通迅、自動(dòng)控制裝置、電能計(jì)量和繼電器保護(hù)的干擾、提高了電網(wǎng)的安全性能。

4 結(jié)論

綜上所述，糖廠壓榨車間榨機(jī)饋線系統(tǒng)增加有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置具有很高經(jīng)濟(jì)效益，不但具有提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備故障和變壓器及線路損耗，降低變壓器運(yùn)行溫度，增加變壓器使用壽命，保證糖廠壓榨車間榨機(jī)自控系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且還具有節(jié)省電能和優(yōu)化電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。為糖廠清潔能源的有效利用奠定基礎(chǔ)。