基于波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理在整流供電系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用

孫全成，張 磊，李曉寧，王英哲，趙樂樂

（河南神馬氯堿發(fā)展有限責(zé)任公司，河南 平頂山467242）

1 整流供電系統(tǒng)存在的問題

1.1 整流系統(tǒng)供電運(yùn)行現(xiàn)狀

10 萬t/a 離子膜燒堿整流系統(tǒng)供電有兩條35 kV 線路，供電方式特殊，在電網(wǎng)下電的同時(shí)還有部分發(fā)電機(jī)發(fā)電，一條回路中升壓、降壓變壓器多，供電線路長達(dá)7 km，架空地埋混合，每條35 kV 線路各帶2臺容量為1250 kVA 整流變壓器。每臺整流柜額定容量為KHS—15 kA/400 V，每臺整流柜帶一臺離子膜電解槽。整流柜的主電路采用三相橋式同相逆并聯(lián)形式，單柜6 脈波，一套機(jī)組組成等效12 脈波。共4 套機(jī)組8臺整流柜，組成等效48 脈波。該35 kV 線路除了低次諧波外，還有很大的高次諧波，危害頗深，多次造成高壓電纜絕緣擊穿，地埋且長度長，電纜故障后，查找故障點(diǎn)非常難，有時(shí)長達(dá)半個(gè)月，給該公司的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

總之該線路帶載能力差，功率因數(shù)低，諧波嚴(yán)重超標(biāo)，供電電纜多次發(fā)生絕緣擊穿事故，對上級供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行存在影響。

1.2 波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)在整流供電系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用必要性

系統(tǒng)功率因數(shù)較低，功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)。無功量及電壓波動較大，整流柜的導(dǎo)通角不易控制，給整流系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來隱患，如電壓波動大，有載開關(guān)頻繁升降檔，直流電流波動大，造成工藝后續(xù)控制難度大等等。供電線路帶載能力差，尤其35 kV 氯Ⅱ線，線路導(dǎo)線截面積（YJLV-35/26 kV-3×240）相對所帶負(fù)荷（1.7 MW）偏小，導(dǎo)線存在發(fā)熱隱患，限制滿負(fù)荷生產(chǎn)。供電線路的諧波電壓、諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，經(jīng)諧波測試，諧波電流11，13，17，19，23，25 次均超標(biāo)，高的超過國標(biāo)限值2 倍多，諧波電壓總畸變率（19%）超國標(biāo)（3%）6 倍多。

1.3 整流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量測試狀態(tài)

（1）電壓閃變。C 相的長時(shí)間電壓閃變?yōu)?.021，超過國標(biāo)限制1.00 的要求。

（2）電壓偏差。A、B、C 三相供電電壓上下偏差絕對值的和依次為4.66%、8.02%、11.10%，C 相超過規(guī)定限值10%的要求，不符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）三相電壓允許不平衡度。供電系統(tǒng)各測試點(diǎn)的三相電壓允許不平衡度均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的限值。

（4）諧波電壓現(xiàn)狀。35 kV I 段A、B、C 三相電壓總諧波畸變率的95%概率值分別為17.91%、19.03%、18.86%，超過國標(biāo)允許值3%，不滿足國標(biāo)限值要求。其中19 次諧波電壓畸變率分別為15.81%、15.73%、15.84%；23 次諧波電壓畸變率分別為7.69%、7.53%、7.40%；25 次諧波電壓畸變率分別為4.93%、4.95%、5.19%；均超過國標(biāo)允許值2.4%。

35 kV II 段A、B、C 三相電壓總諧波畸變率的95%概率值分別為9.601%、9.387%、9.759%，超過國標(biāo)允許值3%，不滿足國標(biāo)限值要求。其中19 次諧波電壓畸變率分別為3.01%、3.82%、3.10%；23 次諧波電壓畸變率分別為3.96%、4.03%、3.811%；25 次諧波電壓畸變率分別為4.422%、4.037%、4.967%；均超過國標(biāo)允許值2.4%。

（5）諧波電流現(xiàn)狀。35 kV I 段A、B、C 三相19 次諧波電流95%概率值分別為7.12 A、6.92 A、7.22 A，超過了該回路19 次諧波的允許限值4.63 A。23 次諧波電流95%概率值分別為3.12 A、3.21 A、3.13 A；25 次諧波電流95%概率值分別為2.44 A、2.57 A、2.64 A。

35 kV II 段A、B、C 三相11 次諧波電流95%概率值分別為9.3 A、9.27 A、9.12 A，超過了該回路11次諧波的允許限值8.11 A；13 次諧波電流95%概率值分別為6.97 A、7.15 A、7.3 A，超過了該回路13 次諧波的允許限值6.81 A。23 次諧波電流95%概率值分別為2.86 A、2.83 A、2.67 A；25 次諧波電流95%概率值分別為2.63 A、2.63 A、2.92 A。有功功率、無功功率及功率因數(shù)現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 功率和功率因數(shù)情況表

該公司電網(wǎng)高壓側(cè)電能質(zhì)量現(xiàn)狀表現(xiàn)為諧波、功率因數(shù)、電壓偏差和閃變不滿足要求，其主要原因是該公司主要負(fù)載為整流設(shè)備會產(chǎn)生大量諧波，同時(shí)無諧波治理設(shè)備。尤其是其中的高次諧波以波的形式通過較長的電源進(jìn)線電纜產(chǎn)生多次折反射，使得高次諧波問題更為突出。

2 波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）采用IGBT 管級聯(lián)直掛式進(jìn)行35 kV 高壓供電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理（屬國內(nèi)首次），改變常規(guī)的經(jīng)變壓器變壓后再連接。在國內(nèi)首次采用電抗器+IGBT 直掛式主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而非普遍的變壓器+IGBT 結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)效，精化了數(shù)據(jù)采集楨幅，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、高效的收集及控制。在提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)振蕩等方面，該設(shè)備的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)裝置；靜止運(yùn)行，安全穩(wěn)定，沒有調(diào)相機(jī)那樣的大型轉(zhuǎn)動設(shè)備，無磨損，無機(jī)械噪聲，將大大提高裝置壽命，改善環(huán)境影響。

（2）采用數(shù)字控制技術(shù)，系統(tǒng)可靠性高，基本不需要維護(hù)，可以節(jié)省大量維護(hù)費(fèi)用；同時(shí)，可通過電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)（SCADA/EMS）實(shí)現(xiàn)無功潮流和電壓最優(yōu)控制，是建設(shè)中的數(shù)字電力系統(tǒng)（DPS）的組成部分；控制靈活、調(diào)節(jié)范圍廣，在感性和容性運(yùn)行工況下均可連續(xù)快速調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度可達(dá)毫秒級。

（3）連接電抗小，該設(shè)備接入電網(wǎng)的連接電抗，其作用是濾除電流中存在的較高次諧波，另外起到將變流器和電網(wǎng)這兩個(gè)交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量并不大，也遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的TCR 等SVC 裝置所需的電感量，如果使用降壓變壓器將該設(shè)備連入電網(wǎng)，則還可以利用降壓變壓器的漏抗，使所需的連接電抗器進(jìn)一步減小。

（4）諧波量小，在多種型式的SVC 裝置中，SVC本身產(chǎn)生一定量的諧波，如TCR 型的5、7 次特征諧波量比較大，占基波值的5%～10%；其他型式如SR、TCT 等也產(chǎn)生3、5、7、11 等次的諧波，這給SVC 系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)帶來許多困難，而該設(shè)備則可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來進(jìn)行處理，以消除次數(shù)較低的諧波，并使較高次數(shù)如7、11 等次諧波減小到可以接受的程度。

（5）該設(shè)備中的電容器容量小，在網(wǎng)絡(luò)中普遍使用也不會產(chǎn)生諧振，而使用SVC 或固定電容器補(bǔ)償，如果系統(tǒng)安裝臺數(shù)較多，有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)諧振的產(chǎn)生；由于對電容器的容量要求不高，這樣可以省去常規(guī)裝置中的大電感和大電容及龐大的切換機(jī)構(gòu)，使該設(shè)備裝置的體積小、損耗低。

（6）對系統(tǒng)電壓進(jìn)行瞬時(shí)補(bǔ)償，即使系統(tǒng)電壓降低，它仍然可以維持最大無功電流，即該設(shè)備產(chǎn)生無功電流基本不受系統(tǒng)電壓的影響； 該設(shè)備的端電壓對外部系統(tǒng)的運(yùn)行條件和結(jié)構(gòu)變化是不敏感的。當(dāng)外部系統(tǒng)容量與補(bǔ)償裝置容量可比時(shí)，SVC 將會變得不穩(wěn)定，而該設(shè)備仍然可以保持穩(wěn)定，即輸出穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓。

（7）該設(shè)備的直流側(cè)采用較大的儲能電容，或者其他直流電源（如蓄電池組）后，不僅可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率。對于電力網(wǎng)來說是非常有益的，這是SVC 裝置所不能比擬的。

3 波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用研究的思路

對于測試中發(fā)現(xiàn)諧波超標(biāo)的問題，用無功補(bǔ)償裝置SVG 裝置配套波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)（SVG）的方式進(jìn)行綜合治理。因?yàn)镾VG 可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、 多電平技術(shù)或PWM 技術(shù)來進(jìn)行處理，可使低次諧波減小到可以接受的程度，而35 kV I 段和35 kV II 段除了低次諧波外，其高次諧波也很大，如35 kV I 段A、B、C 3 相19 次諧波電流、23 次諧波電流、25 次諧波電流等；35 kV II段A、B、C 3 相23 次諧波電流、25 次諧波電流等，因此需要無功補(bǔ)償裝置SVG 裝置配套波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)（SVG+ZN）的方式進(jìn)行綜合治理。

3.2 系統(tǒng)采用主要設(shè)備

本次采用SVG 裝置和波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)進(jìn)行綜合治理，SVG 的主電路主要包括控制系統(tǒng)、IGBT 功率變換器和電抗器部分。通過對功率變換器的控制，可以調(diào)節(jié)功率變換器的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電抗器上的電流，使SVG 吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康模?同時(shí)使SVG 產(chǎn)生指定的諧波來補(bǔ)償負(fù)荷中的電流諧波，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｗ枘犭妷褐C振抑制裝置有電抗器、電容、反波電阻等組成，可以濾除高次諧波。

4 波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

（1）供電線路的諧波電壓、諧波電流由超過國標(biāo)限值2 倍多，諧波電壓總畸變率（19%）超國標(biāo)（3%）6 倍多，降低到國標(biāo)限值。對電纜安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力保障，降低電纜及架空線路的故障率。投運(yùn)前后諧波電壓、諧波電流（以23 次為例）對比見附表2。

表2 投運(yùn)前后諧波電壓、23次電流總畸變率及功率因數(shù)對比

（2）功率因數(shù)得到有效提高，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，高壓電纜運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）線路帶載能力增大，上級供電系統(tǒng)更加安全。為10 萬t滿負(fù)荷生產(chǎn)提供支撐。

（4）無功量及電壓波動大大降低，大大減少整流柜導(dǎo)通角大幅波動帶來的直流電流波動的安全隱患。

5 波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)的效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

由電能質(zhì)量測試結(jié)果看出，波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，以35 kV II 號線路為例，總線電流由297 A 下降到268 A，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12497中規(guī)定的無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量計(jì)算供電線路和變壓器節(jié)能，則每年可節(jié)約電量約106 萬kW·h，每年功率因數(shù)提高后減少的電費(fèi)約為33.6 萬元。

5.2 社會效益

根據(jù)前述計(jì)算可知波阻尼電壓諧振抑制系統(tǒng)投運(yùn)的社會效益是十分明顯的。在投運(yùn)之后，減少煤炭消耗356 萬t/a；降低二氧化碳排放量1381.5 t/a。