水泥廠電能損耗和電能質(zhì)量綜合治理研究

王道連

摘 要：當(dāng)前，國家對環(huán)保、節(jié)能降耗的要求進(jìn)一步提高，各水泥廠均在實施變頻改造，且變頻器的大量使用，加劇了配電系統(tǒng)的波形畸變。配電系統(tǒng)的電容補(bǔ)償模塊又對諧波源起到放大作用，進(jìn)而引發(fā)諧振波動，造成電容器等設(shè)備損壞，從而導(dǎo)致功率因數(shù)偏低，出現(xiàn)電能損耗。文章針對水泥行業(yè)出現(xiàn)的補(bǔ)償不足、補(bǔ)償不及時及諧波問題提出合理的解決方案，從而解決企業(yè)功率因數(shù)低，節(jié)省電能損耗的問題。通過選擇先進(jìn)的有源濾波設(shè)備優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量，能夠處理諧波問題對電網(wǎng)設(shè)備造成的影響。

關(guān)鍵詞：諧波;功率因數(shù);電能損耗;電能質(zhì)量

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.016

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中大量使用，電網(wǎng)中的諧波含量占比也越來越大，從而對電網(wǎng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生影響。而在水泥企業(yè)中，由于變頻器的大量使用，諧波問題也越來越嚴(yán)重。諧波影響了電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，造成電容器損壞，感性負(fù)載在工作過程中由于需要建立磁場，因此需要從系統(tǒng)吸收大量的容性無功功率，從而導(dǎo)致功率因數(shù)偏低。同時，水泥企業(yè)存在補(bǔ)償不足、補(bǔ)償不及時及部分退出電容補(bǔ)償?shù)膯栴}，這些問題造成了電能損耗。一些新型電氣設(shè)備，如有源濾波裝置及SVG的應(yīng)用，對治理企業(yè)電能質(zhì)量和節(jié)能降耗變得尤為重要。通過對電能質(zhì)量的治理，一定程度上能夠給企業(yè)節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，保障企業(yè)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 諧波概述及危害

在交流電網(wǎng)中，許多非線性電氣設(shè)備的投入運(yùn)行，其電壓、電流會產(chǎn)生波形畸變，實際上不是完全的正弦波形，而是一定程度畸變的非正弦波。對周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，得到頻率與工頻相同的分量稱為基波，得到的頻率大于1整數(shù)倍的基波頻率分量稱為諧波[1]。不管3次諧波還是5次諧波，其都是正弦波形。

諧波是造成電網(wǎng)電能質(zhì)量污染的重要原因，工業(yè)中常見的諧波源主要有換流設(shè)備（變頻器）、鐵芯設(shè)備（變壓器）、電弧爐、照明設(shè)備（LED燈具）等非線性電氣設(shè)備。

諧波的存在會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，其危害主要表現(xiàn)在以下幾方面：

第一，諧波電流在變壓器中，產(chǎn)生附加高頻渦流鐵損，會使變壓器過熱，從而降低了變壓器的輸出容量，導(dǎo)致變壓器的噪聲增大，嚴(yán)重影響變壓器的使用壽命。

第二，諧波電流的趨膚效應(yīng)會使導(dǎo)線等效截面變小，增加線路的損耗。

第三，諧波電流、電壓對附近的通訊設(shè)備正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾。

第四，諧波產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓和暫時過電壓破壞電機(jī)等設(shè)備的絕緣，導(dǎo)致三相短路，燒毀變壓器及相關(guān)電容柜投切設(shè)備。

第五，諧波電壓、電流會引起公共電網(wǎng)中局部產(chǎn)生串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，造成嚴(yán)重事故。

2 諧波與電容器的關(guān)系

諧波產(chǎn)生諧振，電力網(wǎng)中存在電容補(bǔ)償，其與系統(tǒng)的感性部分組合，在一定頻率下，可能存在串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件，當(dāng)系統(tǒng)中某次頻率的諧波足夠大時，就會造成危險的過電壓或過電流。危險的過電壓或過電流往往會引起電容器熔絲熔斷或使電容器損壞。電容器的容抗與頻率成反比，頻率越高電容器的容抗越小，施加的電壓不變，長期過電流運(yùn)行，為了躲過電容器的啟動涌流，保護(hù)電容的熔斷器的整定值會較大，不能有效保護(hù)，造成電容器燒毀[1]。

例如，IC=I1+Ih。其中，IC=電容器的運(yùn)行電流;I1=電容器額定電流;Ih=流入的諧波電流，如果IC=I1+Ih>1.3I1，電容器就會出現(xiàn)故障。諧波與電容器的關(guān)系如圖1所示。

3 諧波治理措施

目前，企業(yè)大量的非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波必須要進(jìn)行治理，使諧波分量不超過國家標(biāo)準(zhǔn)，筆者選擇采用有源濾波裝置治理諧波。有源濾波裝置通過外部電流互感器采集負(fù)載電流信號，通過內(nèi)部的檢測電路模塊分離出其中的諧波，通過內(nèi)部電路模塊產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波頻率相同、幅值相同，但相位相反的諧波電流，觸發(fā)IGBT逆變器將諧波補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，用以消除諧波電流。具體工作原理如圖2所示。

諧波治理的作用：延長設(shè)備壽命，減少設(shè)備采購?fù)顿Y;保證設(shè)備穩(wěn)定工作，確保生產(chǎn)穩(wěn)定;減少能耗，節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境;降低公用電網(wǎng)諧波污染，獲得供電部門的獎勵。

4 SVG補(bǔ)償措施及優(yōu)勢

功率因數(shù)是衡量電氣效率高低的系數(shù)，功率因數(shù)越低，有功率就越小，同時無功功率越大，供電設(shè)備的容量就不能得到充分利用，采用先進(jìn)的電子設(shè)備提高功率因數(shù)是解決電能損耗的主要目的。目前，企業(yè)采用的無功補(bǔ)償裝置多為電容器補(bǔ)償，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電容補(bǔ)償較SVG靜止無功補(bǔ)償存在的劣勢較為明顯，一種新型的SVG靜止無功補(bǔ)償裝置應(yīng)運(yùn)而生。

SVG靜止無功發(fā)生器是利用可關(guān)斷電力電子器件（IGBT）組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，工作中通過調(diào)節(jié)逆變橋中的IGBT器件的開關(guān)，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流。其可以迅速發(fā)出大小相等、相位相反的無功功率，從而發(fā)揮出動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。SVG補(bǔ)償具體工作原理如圖3所示。

SVG補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢：SVG無功補(bǔ)償裝置是利用電源模塊進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，補(bǔ)償功率因素能夠達(dá)到0.99以上。SVG無功補(bǔ)償響應(yīng)快速，實施跟蹤，動態(tài)補(bǔ)償，SVG在10毫秒左右的時間內(nèi)就能實現(xiàn)一次無功補(bǔ)償。SVG可以從0.1千法開始進(jìn)行無極補(bǔ)償，完全實現(xiàn)了精確補(bǔ)償。SVG既不會增加諧波也不會放大諧波，而且能夠過濾50%以上的諧波。此外，使用壽命長，SVG正常使用壽命可達(dá)10年以上，基本上不需要維護(hù)，自身損耗也極小。

5 諧波治理和SVG補(bǔ)償實施方案

以在某水泥企業(yè)項目熟料冷卻配電系統(tǒng)中配置的SVG補(bǔ)償柜和有源濾波柜低壓系統(tǒng)配置為例，SVG補(bǔ)償柜容量是通過需要系數(shù)法計算該項目補(bǔ)償容量后計算選擇的，根據(jù)負(fù)荷計算無功補(bǔ)償量為536 kVar，考慮一定的余量，設(shè)備選擇300 kVar的SVG無功補(bǔ)償柜兩臺。

6 諧波治理和SVG補(bǔ)償?shù)囊饬x

水泥企業(yè)低壓系統(tǒng)諧波治理后，無功補(bǔ)償柜就可正常投入使用了，從而提高功率因數(shù)，減少變壓器的有功和無功損耗。根據(jù)以下公式計算，形成如表1所示的表格。

提高功率因數(shù)能夠減少線路損耗。由于提高了功率因數(shù)，減少了無功負(fù)荷，從而減少了供電線路及變壓器的電流[3]。有功功率、無功功率和視在功率的關(guān)系圖如圖4所示。

λ為功率因數(shù)，φ表示有功功率與視在功率之間的夾角，即為功率因數(shù)角，通過功率因數(shù)能夠清晰地表達(dá)出有功、無功以及視在功率的關(guān)系。

功率因數(shù)的提高可以增加配電設(shè)備的供電能力，由圖4可知，提高了功率因數(shù)，在有功功率一定的情況下所需的視在功率及負(fù)荷電流均會減少。對現(xiàn)有設(shè)備而言，需要變壓器的容量和電纜截面就有了剩余，一定程度上可增加企業(yè)負(fù)荷。當(dāng)企業(yè)增加一定的改造設(shè)備容量時，已有配電設(shè)備的容量也可以滿足。同時，在新建項目時由于功率因數(shù)的提高，可減少供電電纜線路的截面及變壓器容量，在設(shè)備選擇上節(jié)約了投資成本。

7 結(jié)語

文章通過對企業(yè)諧波問題的治理，解決了諧波電容補(bǔ)償問題，從而提高了企業(yè)的功率因數(shù)。目前，很多水泥企業(yè)都存在變壓器利用率不高、電能損耗的問題，提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，能夠降低變壓器的容量配置，從而為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值。通過引進(jìn)先進(jìn)的電氣設(shè)備，如有源濾波裝置及SVG補(bǔ)償設(shè)備，對企業(yè)電能質(zhì)量和節(jié)能降耗起到了重要作用，為企業(yè)節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本。通過治理諧波，也保障了企業(yè)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 本書編輯部編.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[2] 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司編.工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊[M].第四版.北京：中國電力出版社，2017.

[3] 劉介才.工廠供配電[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.