氰化車間電能質(zhì)量問題分析與治理

陳 杰 劉建業(yè) 楊 軍

（山東華天電氣有限公司）

0 引言

氰化車間負(fù)載屬于電壓型諧波源，其自身的工作特性造成日益嚴(yán)重的諧波污染，波形畸變嚴(yán)重，大量的諧波嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

1 背景需求

某氰化車間工況如下：工作電流在2300A 左右；功率因數(shù)在0.9 左右；諧波電壓畸變率為8.9%，已超國標(biāo)最高限值5.0%；5 次諧波電流絕對值為338.7A；7 次諧波電流絕對值為118.1A。5 次、7 次諧波為特征次諧波，諧波次數(shù)越高，諧波相對值越小。現(xiàn)場電壓波形畸變嚴(yán)重，影響企業(yè)內(nèi)各種用電設(shè)備的運行質(zhì)量與可靠性，并導(dǎo)致配電變壓器、充放電機(jī)變壓器鐵損和雜散損耗增加，電機(jī)類負(fù)載效率下降；大量高次諧波電流導(dǎo)致視在功率顯著增加，功率因數(shù)降低，配電變壓器負(fù)荷加重、損耗顯著增加，并可能發(fā)生局部過熱問題，配電線路額外發(fā)熱、線損增加。

圖1和圖2是氰化車間未投入濾波設(shè)備時測試數(shù)據(jù)。

圖1 電流波形與幅值

圖2 電流諧波（15.2%）

2 電壓型諧波源介紹

諧波源分為電流型諧波源和電壓型諧波源。直流側(cè)含有濾波電容的整流電路的非線性負(fù)載，如發(fā)電機(jī)、變頻器等諧波源具有電壓源的特性，屬于電壓型諧波源，如圖3 所示。

圖3 電壓型諧波源原理圖

直流側(cè)為電流濾波的整流器，其直流側(cè)電壓Uc基本為恒值。此類諧波源產(chǎn)生的諧波電壓主要由直流側(cè)本身的特性決定，基本與交流側(cè)參數(shù)無關(guān)，有類似電壓源的性質(zhì)，可以用一個理想諧波電壓源與一個等效阻抗串聯(lián)等效。如圖1 所示，濾波電容C越大，等效阻抗就越小，諧波源特性就越接近理想諧波電壓源。當(dāng)C足夠大時，則可以看成理想諧波電壓源。因此，直流側(cè)是電容濾波的整流器可以看成電壓型諧波源。圖4 為電壓型諧波源等效原理圖。

圖4 電壓型諧波源等效原理圖

3 無源濾波器的結(jié)構(gòu)形式及特性

有源濾波器和無源濾波器是目前電網(wǎng)諧波抑制的主要手段。有源濾波器是一種可以動態(tài)濾除諧波、補(bǔ)償無功的電力電子裝置。無源濾波器是將來自諧波源的諧波分量與電源系統(tǒng)阻抗分流。雖然有源濾波器相對于無源濾波器性能更優(yōu)越，但由于成本及可靠性問題，在工程上多數(shù)還是采用無源濾波器的方式。

無源濾波器由濾波電容器、濾波電抗器組合而成，通常由若干個相同或者不同類型的濾波通道組成，每個濾波通道在某一諧波頻率附近呈低阻抗特性，利于諧波電流吸收，使流入電網(wǎng)的諧波電流減小，從而達(dá)到諧波治理的目的。無源濾波器在基波狀態(tài)下，通常呈容性，因此除具有濾波作用外，還具有無功補(bǔ)償?shù)墓δ?。無源濾波器分為單調(diào)諧濾波器、高通濾波器和雙調(diào)諧濾波器等幾種，以單調(diào)諧濾波器為主。

在實際應(yīng)用中，無源濾波器的諧振頻率不會設(shè)計在諧振點上。例如，5 次無源濾波器的諧振點不會設(shè)計在250Hz，因為極小的5 次諧波電壓會在趨近于0的回路產(chǎn)生極大的5 次諧波電流。因此，5 次無源濾波器的諧振點通常設(shè)計小于250Hz。圖5 為無源濾波器結(jié)構(gòu)原理圖。

圖5 無源濾波器結(jié)構(gòu)原理圖

4 電壓型諧波源負(fù)載特性

無源濾波器未投入時，電壓型諧波源負(fù)載等效特性如圖6 所示。

圖6 設(shè)備投入前負(fù)載側(cè)諧波電流通路

由圖6可得，無源濾波器投入前負(fù)載諧波電流為：

無源濾波器投入后，電壓型諧波源負(fù)載等效特性如圖7 所示。

圖7 設(shè)備投入后負(fù)載側(cè)諧波電流通路

由圖5可得，無源濾波器投入后負(fù)載諧波電流為：

由式（1）和式（2）可以得出，補(bǔ)償設(shè)備投入后，負(fù)載側(cè)諧波電流變大了。

假設(shè)補(bǔ)償前源側(cè)諧波電流為Ish，補(bǔ)償后源側(cè)諧波電流為Ish’，如圖8 所示。

圖8 設(shè)備投入前后源側(cè)諧波電流通路

由圖8 可得，補(bǔ)償前源側(cè)諧波電流：

補(bǔ)償后源側(cè)諧波電流：

由式（4）可以得出：

由式（3）和式（5）可以得出，補(bǔ)償設(shè)備投入后源側(cè)諧波電流會較補(bǔ)償前減小。

假設(shè)諧波濾除率為k%，補(bǔ)償前后濾除率對比：

由式（3）、式（4）和式（6）可以得出：

由式（7）可以得出，補(bǔ)償諧波電流為：

由式（8）可以得出，補(bǔ)償諧波電流大小與負(fù)載所串電抗成反比，因此負(fù)載串聯(lián)電抗器能有效降低所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流（若Zlh很小，不串聯(lián)電抗器，想要達(dá)到理想的濾除率需要的補(bǔ)償電流很大）；濾除率越高，補(bǔ)償?shù)闹C波電流越大。因此，現(xiàn)場安裝無源濾波器需綜合考慮各方面因素，并不是諧波濾除率越大越好。

5 裝置現(xiàn)場應(yīng)用測試

通過對氰化車間現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析，為解決現(xiàn)場諧波放大及功率因數(shù)要求，加裝一臺無源濾波補(bǔ)償設(shè)備。5 次、7 次諧波為負(fù)載特征次諧波，諧波次數(shù)越高，諧波相對值越小。為防止濾除7 次諧波的同時放大5 次諧波，設(shè)計了以5 次單調(diào)諧濾波器方案，濾除系統(tǒng)特征次諧波。

由補(bǔ)償裝置運行前后測試數(shù)據(jù)可以看出，無源濾波器投入運行后電壓電流波形明顯改善；功率因數(shù)由0.88 提高到1.00；諧波電壓畸變率由7.3%下降到3.5%；諧波電流畸變率由16.6%下降到7.7%；視在電流下降約為350A，5 次特征次電流諧波含量明顯降低，由15.5%下降到6.0%；并且對7 次等高次諧波電流有一定的濾除效果。

無源濾波器在氰化車間投入運行后，治理效果非常明顯，降低了電網(wǎng)中的電壓諧波和電流諧波含量，提高了功率因數(shù)，使得整個配電系統(tǒng)電能質(zhì)量得到大幅提升，用電環(huán)境得到改善，減少了用戶的電費支出，并保證了用電設(shè)備的可靠運行，達(dá)到了預(yù)期效果。裝置應(yīng)用前后測試數(shù)據(jù)對比具體如下所示。

5.1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比—波形

如圖9 所示。

5.2 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比—諧波

如圖10 所示。

圖10 諧波對比

5.3 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比—功率因數(shù)

如圖11 所示。

圖11 功率因數(shù)對比

6 結(jié)束語

無源電力濾波器在氰化車間投入后，運行穩(wěn)定，治理效果明顯。降低了電網(wǎng)中的電壓諧波和電流諧波含量，提高了功率因數(shù)，使得整個配電系統(tǒng)電能質(zhì)量得到大幅提升，用電環(huán)境得到改善，減少了用戶的電費支出，達(dá)到了良好的效果。

無源電力濾波器同時兼顧了無功補(bǔ)償、電網(wǎng)調(diào)壓及諧波濾除的功能，并且其造價低，性能可靠，在吸收特征次諧波方面效果明顯。同時，由于補(bǔ)償諧波電流大小與負(fù)載所串電抗成反比，因此負(fù)載側(cè)串聯(lián)電抗器能有效降低所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流，可以達(dá)到更好的濾波效果。由于有源濾波器造價高、運行損耗大、安裝容量小，因此，在電壓型諧波設(shè)備的治理方面無源濾波器有著廣泛的應(yīng)用前景。