有源電力濾波器在電除塵諧波治理中的應(yīng)用

楊卓權(quán)

（廣東電力發(fā)展股份有限公司 沙角A 電廠，廣東 東莞 523900）

沙角A 電廠4 號(hào)機(jī)組電除塵電場(chǎng)采用高壓脈沖電源進(jìn)行超低排放改造后，粉塵排放濃度和電源能耗都有了明顯下降，存在可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是，電除塵器高壓脈沖電源是一種由大量晶閘管等整流及換流設(shè)備構(gòu)成的逆變式電源，這些電力電子元件使得除塵配電段的非線性負(fù)載增加，大量諧波電流注入到電網(wǎng)中，導(dǎo)致電壓電流波形畸變，使電能質(zhì)量下降，對(duì)廠用電源及其他電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成危害。特別是諧波污染影響了上級(jí)6kV 配電系統(tǒng)除塵變綜合保護(hù)裝置的安全運(yùn)行, 保護(hù)裝置出現(xiàn)間隙性死機(jī)現(xiàn)象，無(wú)法保證保護(hù)功能正常使用[1]。

經(jīng)過(guò)方案研討，結(jié)合其他行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，沙角A 電廠采用有源電力濾波器對(duì)4 號(hào)機(jī)組380V 除塵4A、4B 段進(jìn)行諧波治理，通過(guò)濾除除塵段系統(tǒng)中由高壓脈沖電源產(chǎn)生的5 次、7 次等奇次諧波，減小其對(duì)本級(jí)用電設(shè)備及上游保護(hù)裝置的不良影響，從而確保廠用電安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 治理前系統(tǒng)情況

沙角A 電廠4 號(hào)機(jī)組380V 除塵配電系統(tǒng)主接線為單母線分段結(jié)構(gòu)，正常工作時(shí)兩臺(tái)1000kVA 變壓器及兩路低壓進(jìn)線同時(shí)工作，低壓母聯(lián)斷開(kāi)，每段含兩臺(tái)高壓脈沖電源負(fù)載。高頻脈沖電源利用EMI 濾波器和三相整流橋，將三相380V 工作電源整流得到高壓直流電，再經(jīng)過(guò)IBGT 逆變模塊和諧振網(wǎng)絡(luò)輸出20KHz 的高頻交流電，最后高頻變壓器將其升壓整流后形成高頻高壓脈動(dòng)直流送至電除塵器[2]。大量的諧波電流因電除塵器高壓脈沖電源的使用而注入到除塵段系統(tǒng)中，通過(guò)科陸CL316變送器電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀測(cè)試得出4 號(hào)機(jī)組4A、4B 除塵變高壓側(cè)電流諧波含量非常高，以5 次和7 次等奇次諧波為主，其中5 次諧波含量17%，7 次諧波含量13%，奇次諧波電流達(dá)150A。

2 有源電力濾波器

目前國(guó)內(nèi)外諧波治理及抑制的主要技術(shù)有無(wú)源濾波及有源濾波兩種。無(wú)源濾波裝置通過(guò)電容和電抗構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的LC低阻抗回路進(jìn)行濾除特定頻率的諧波，因此，無(wú)源濾波裝置成本價(jià)格比有源濾波裝置低，技術(shù)也比較成熟，但存在著補(bǔ)償效果差、受系統(tǒng)阻抗和負(fù)載變化影響等難以克服的缺陷。綜合比較，以IGBT 為核心元件的有源濾波裝置有著無(wú)可比擬的性能優(yōu)勢(shì)[3]。

如圖1 所示，有源電力濾波器利用電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中的負(fù)載電流，并反饋到其內(nèi)部的DSP 和IGBT 控制逆變器等電能變換設(shè)備，從而主動(dòng)向電網(wǎng)輸出一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，達(dá)到去除諧波分量的目的[1]。

圖1 有源電力濾波器裝置一次原理圖

3 治理方案和實(shí)施效果

由治理前的諧波測(cè)量數(shù)據(jù)可知，沙角A 電廠4 號(hào)機(jī)組380V 除塵配電系統(tǒng)諧波問(wèn)題較為突出，計(jì)劃在每段變壓器低壓側(cè)母線下加裝一臺(tái)KHAPF3(4)-150A/400/G 有源電力濾波器，濾波器輸出額定電流150A，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤除塵配電段中的電流來(lái)補(bǔ)償每段母線負(fù)載產(chǎn)生的最大諧波電流。

3.1 治理方案

有源濾波器安裝接線如圖2 所示，A 段裝設(shè)的有源濾波器的動(dòng)力電源取自380V 除塵4A 段母排，經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)至裝置本體；B 段裝設(shè)的有源濾波器的動(dòng)力電源取自380V 除塵4B 段母排，經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)至裝置本體。因380V 除塵4A、4B 段#1 柜已安裝有電流互感器，不用重復(fù)裝設(shè)CT，只需將有源濾波器的CT回路串接進(jìn)#1 柜的原有CT 回路。因此，需新增電纜從380V 除塵A 段#1 柜CT 端子至A 段有源濾波柜TX接線端子；新增電纜從380V 除 塵B 段#1 柜CT 端子至B 段有源濾波柜TX 接線端子。

圖2 有源濾波器安裝接線示意圖

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

安裝調(diào)試完成后，當(dāng)負(fù)荷正常運(yùn)行（55%-90%負(fù)荷率）時(shí)，用電能質(zhì)量分析儀重點(diǎn)檢測(cè)4 號(hào)機(jī)組380V 除塵4A、4B 段開(kāi)啟和關(guān)閉有源濾波器的兩種狀態(tài)的電源質(zhì)量情況。（圖3、4、5、6）

圖3 除塵4A 段變壓器諧波治理前電源質(zhì)量測(cè)量情況

圖4 除塵4A 段變壓器諧波治理后電源質(zhì)量測(cè)量情況

圖5 除塵4B 段變壓器諧波治理前電源質(zhì)量測(cè)量情況

圖6 除塵4B 段變壓器諧波治理后電源質(zhì)量測(cè)量情況

3.3 對(duì)比結(jié)果

從上面測(cè)量情況分析可得出諧波治理前后數(shù)據(jù)如表1。

表1 濾波前后諧波數(shù)據(jù)對(duì)比情況

可以明顯看出，原有除塵系統(tǒng)中電壓波形和電流波形被污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重，安裝有源濾波器后，除塵4A段線路中的諧波含量控制在1.6%，除塵4B段線路中的諧波含量控制在1.3%，均小于國(guó)標(biāo)要求的低壓配電系統(tǒng)電壓總諧波畸變不大于5%的規(guī)定值[4]，4 號(hào)機(jī)組除塵段中諧波污染的現(xiàn)象得到了明顯的改善，諧波濾除率均控制在90%以上。從測(cè)試結(jié)果看，有源濾波器的應(yīng)用使得除塵段的諧波含量顯著降低，有較好諧波治理效果。同時(shí)，經(jīng)過(guò)諧波治理后，上級(jí)6kV 配電系統(tǒng)除塵變綜合保護(hù)裝置間歇性死機(jī)現(xiàn)象消失，故障率明顯下降。

4 結(jié)論

沙角A 電廠4 號(hào)機(jī)組380V 除塵4A、4B 段加裝有源濾波器改造項(xiàng)目，通過(guò)濾除除塵段的奇次諧波，減小了其對(duì)除塵系統(tǒng)的不良影響，綜合保護(hù)裝置功能恢復(fù)正常使用，在運(yùn)行中故障的幾率大大降低，確保了廠用電的安全運(yùn)行，保證了用電設(shè)備正常使用。隨著我們對(duì)碳達(dá)峰、碳中和等工作的持續(xù)推進(jìn),我國(guó)環(huán)保質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也將會(huì)不斷的完善和提高,排放監(jiān)督與控制也會(huì)更加嚴(yán)格。為了滿足我國(guó)及地方的環(huán)保政策和法規(guī)的要求，作為沿海城市的重點(diǎn)企業(yè)，沙角A 電廠為響應(yīng)國(guó)家的政策要求，降低污染負(fù)荷，必須規(guī)避影響電除塵器除塵效率的一系列問(wèn)題。有源濾波器改造項(xiàng)目減少了對(duì)電除塵配電系統(tǒng)及其綜合保護(hù)裝置的損害和干擾，提高了除塵配電段供電的安全性和可靠性，確保電除塵設(shè)備安全可靠運(yùn)行，這將有助于改善區(qū)域環(huán)境治理，為電廠持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，推動(dòng)超低排放、綠色低碳發(fā)展增添助力。本項(xiàng)目是在電除塵高壓脈沖電源諧波治理上的成功案例，對(duì)國(guó)內(nèi)電廠在諧波治理上起到啟示借鑒作用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。