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厂房供电系统中谐波分析与治理措施
更新时间:2023-08-17   点击次数:413次

电网中理想的电压电流波形50Hz的正弦波,电压与电流的相位一致,功率因数1。实际电网中的负荷千差万别,尤其随着经济发展,大量非线性负荷增加,特别是电力电子技术、节能技术和控制技术的进步,在通信、交通、汽车工业、工程机械、冶金钢铁、煤矿、石油石化等部门大量使用各种整流设备、交直流换流设备、电力电子调压设备、电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等与日俱增,这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中,使电网电压产生畸变,这种谐波污染会对电网和用户带来越来越多的干扰和影响,影响用电设备安全,增加电能损耗。

1谐波的定义与危害

根据国标《电能质量公用电GB/T14549-93》的定义()为对周期性交流分量进行傅立叶分解,得到频率为基波频率大1整数倍的分量也就是说谐波是一个周期电气量的正弦分量,其频率为基波频率的整倍数。

谐波研究的意义在于谐波会严重影响用电设备和供电系统的安全、可靠与经济运行。供电系统中谐波的危害主要表现在以下几个方面:

诱发电网谐振,导致谐波过电压和过电流,引起严重事故,损坏电容器补偿等电气设备导致异步电机和变压器产生附加损耗和过热,其次是产生机械振动和谐波过电压,降低效率和利用率,缩短使用寿命谐波电流频率增高会引起电力电缆和配电线的集肤效应,导线电阻变大,线损加大,发热增加,绝缘过早老化,容易发生接地短路故障,形成火灾隐患对通信、电子或自动控制设备产生严重干扰谐波电流使断路器遮断能力降低,导致断路器、接触器等不能安全稳定工作致使电力保护装置误动或拒动,导到处区域性停电事故使电力系统各种测量仪表误差变大,甚至无法工作干扰或影响各类低压电器的正常使用。

2工业厂房谐波源

工业厂房所常用的非线性用电设备主要有四大类。

1)电弧加热设备,如电弧炉、电焊机等电弧加热设备是由于电弧70伏以上才会起弧,才会有弧电流,并且灭弧电压略低于起弧电压,造成弧电流与弧电压的非线性。此外,弧电流的波形还有一定的非对称性。

2)交流整流的直流用电设备,如电解、电镀等交流整流直流用电设备的谐波产生的原因时由于整流设备有一个阀电压,在小于阀电压时,电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电源,在整流设备中加入了储能元(滤波电容和滤波电),从而使阀电压提髙,加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电,在整流设备中应用了可控硅,这使得该类设备的谐波污染更严重,而且谐波的次数比较°

3)交流整流再逆变用电设备,如变频调速、变频空调等交流整流再逆变用电设备,在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样,它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流,这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波,也有高次谐波。虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小,但它的分布面广,数量多,是目前推广使用的技术手段,因此它的谐波污染应引起足够关注。

4)开关电源设备?如中频炉、电子整流器等开关电源设备目前应用很广,它的工作原理是先把交流整流成直流,通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭,从而在变压器二次侧感应出电流,供给用电设备。

3谐波治理措施分析

由于谐波引起的危害在不断扩大,为了减少电力系统中谐波问,我国93年发布实施了《电能质量公用电网谐波(GB/T14549-1993),对谐波、负序电流注入电网的量做出明确的规定,以保证电网的供电质量。目前主要从两个方面对谐波进行治理。

一方面是提高供电电压等级,以提高与电网公共连接点的短路容量,使谐波对电网和自身的影响在允许范围,但这并不是通过消除谐波本身对电网的不利量值来解决电网的影响,而是把这些量值送到更高电压等级的电网去扩散,以降低对电网的影响。

另一方面是从谐波源着手,在根本上消除大部分谐波量值,以使其对电网的干扰降*低。通常采用无LC滤波装置及有源滤波装APF两种谐波抑制装置。就目前情况来说,这种方法的使用效果更加明显,使用前景更加理想。

LC滤波装置无LC滤波装置是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,其基本原理是利用电路谐振的特点,形成某次或某些谐波的低阻抗通道,将大部分谐波电流分流,分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器等几种。单调谐滤波器仅针对某一特定设计频率,例357'形成对特定次数谐波的低阻抗通道。实际中常用几组针对不同频率的单调谐滤波器和一组二阶高通滤波器组成滤波成套装置LC滤波器中含用一定量的电容,可提供固定容量的无功功率,起到一定的改善功率因数效果。如1所示,针对可控硅整流电源型谐波源,设置5.7.11次单调谐滤波支路。由于特定次数的谐波电流值与所流经支路谐波阻抗成反比,谐波源产生的谐波电流,80-90%流经滤波支路,只10-20%的谐波电流注入系,起到很好的谐波滤除效果。为适应谐波变化的情况,也常用可控硅对滤波器组进行动态投切,称TSFO

无源滤波具有投资少,效率高,结构简单,运行可靠及维护方便等优点。但无源滤波也存在诸多缺点如受系统参数影响较大,只能消除特性的几次谐波,滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调,有效材料消耗多、体积大等。

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有源滤波装置有源滤波(ActivePowerFilter,缩写APFoAPF的工作原理是并联接入电力系统,通过实时检测负载电流波形,得到需要补偿的谐波电流成,并将其反向,通过控IGBT的触发,将反向电流注入供电系统,实现滤除(抵消)谐波功能。另外,还可提供超前或滞后的无功电流,用于改善电网功率吸数、实现动态无功补偿APF相当于给谐波电流提供了接近0的极低阻抗通道,以免谐波电流注入系统。如2所示。

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与无源滤波器相,APF有以下特点:

不仅能补偿各次谐,还可抑制闪,补偿无,有一机多能的特点,在性价比上较为合;滤波特性不受系统阻抗等的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,即具有高度可控性和快速响应性等特点。同APF也存在造价高、运行损耗大、容量受到限制等缺点。

4滤波器装置在工程中的合理应用

工业厂房的配电系统通常为混合型配电系统。在设计工业厂房的配电系统时应对各设备进行分类,做到同类别设备由同一配电干线供电,甚至由专用变压器供电。对不同设备所产生的谐波进行针对性治理,使其发*大的作,减小不同设备的互相干扰。工业厂房配电系统的谐波治理方式可分为总补偿方式、部分补偿方式和局部补偿方式。如3所示

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1)总补偿方式当配电系统的非线性负载位置分散且单台容量较小,宜采用集中补偿方案。如轻工业园区,各工厂规模较小,设备较少,往往整个工厂的变压器安装容量不lOOOkVA,在低压电源总进线处安APF,就能有效地消除谐波。

2)部分补偿方式当配电系统的非线性负载集中在某几条支路时,宜采用部分补偿方案。如工程机械联合生产车间的焊接区与涂装区,设备均集中在某一区域,一般采用单独的母线供电,可在母线的供电端安装相对应的无源滤波器,这样即能有效的抑制谐波又节省投资。

3)局部补偿方式当配电系统的非线性负载集中,单台容量较大时,宜采用局部补偿方案。如钢铁行业的电弧炉、水泥行业的懒烧用大型转窑等,这类设备对其他设备的干扰很大,应就地安APF进行消谐。

5电能质量监测与治理系统

5.1概述

电能质量分析与治理系统主要研究供配电系统中的无功补偿和谐波治理问题,适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的无功补偿、谐波及综合治理等,可根据不同行业类型和负载类型的电能质量问题提供合适的设计解决方案,以达到改善供电质量和确保电力系统安全经济运行的目的。

5.2典型行业

商业中/办公大///体育馆:空调、电梯LED屏幕、可控硅调光系统、音响系统;

港口码////煤矿:变频器等;

/充电//冶金:变频器、整流器等;

/研究院:实验室、机房设备、数据中心;

工厂:使用大型设备的生产线,高精度数控中心等;

///商业中心UPS、开关电源等。

5.3系统架构

电能质量分析与治理系统由低压侧电能治理产品组成,主要产品ANAPF有源电力滤波器ANSVG静止无功发生器ANSNP中线安防保护器ANHPD谐波保护器ANSVC低压无功功率补偿装置ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置ANSVG-S-A混合动态消谐补偿装置ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿img5

6 产品选型

6.1谐波治理产品选型

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7产品功能

7.1 ANAPF有源电力滤波器

 

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APF模块

触摸屏

互感器

ANAPF系列有源电力滤波器并联在电网上,负载电流通过电流互感器采集ANAPF的控制系统中,通过实时检测电路将负载电流中的谐波分量和基波无功分量分离出来,经控制系统快速运算,采PWMIGBT的触发。通过由大容IGBT管组成的三相变流器向系统注入补偿电流,该补偿电流与负荷电流中的谐波电流大小相等,方向相反,互相抵消,实现滤除谐波的功能,保证流入电网电流是正弦波。

7.2 ANSNP中线安防保护器

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互感器

ANSNP壁挂模块

ANSNP中线安防保护器通过电流检测环节采集系统中性线上各次谐波电流,经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量,产生谐波电流指令,通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流,并注入中性线,从而消除中性线中过大的电流。

7.3 ANSVG静止无功发生器

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触摸屏

互感器

ANSVG模块

ANSVG静止无功发生器是一种用于补偿无功以及不平衡的新型电力电子装置,它能对大小变化的无功以及负序进行快速和连续的补偿,其应用可克LC补偿器等传统的无功补偿器响应速度慢、补偿效果不能控制、容易与电网发生并联谐振和投切震荡等缺点。

7.4 ANSVC低压无功功率补偿装置

1)分立元件方案

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ANBSMJ电容

ANCKSG电抗

AFK复合开关

ARC控制器

ANSVC低压无功功率补偿装置适用于频50Hz0.4kV电网的无功功率自动补偿;它集无功补偿、电网监测于一体,不但可以通过投切电容器组来补偿电网中的无功损耗,提高功率因数,降低线损,从而提高电网的负载能力和供电质量;同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等电量参数。

2)智能电容方案

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AZCL智能电容

ARC28F控制器

AZC系列智能电力电容补偿装置是应用0.4kV50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备AZC由智能测控单元,投切开关,线路保护单元,低压电力电容器等构成AZCLAZC的基础上添加了电抗器,电抗率可7%/14%,用于主要谐波5次及以/35次及以上的电气环境。改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式。具有补偿效果更好,体积更小,功耗更低,价格更廉,节约成本更多,使用更加灵活,维护更方便,使用寿命更长,可靠性更高等特点。

7.5 ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置

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触摸屏

互感器

ANSVG-G-A模块

ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置在补偿无功的同时可兼治理系统的谐波,该设备以并联方式接入配电系统,实时监测系统的电流分量,通过控制计算及逻辑变化,计算出系统所需的无功分量及谐波分量,然后通过三相全桥换流电路实时产生系统所需要的无功与谐波电流注入到配电系统中,实现智能补偿,兼谐波治理。

7.6ANSVG-S-A系列混合动态消谐补偿装置

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TSC模块

ANSVG-S-A模块

ANSVG-S-A系列混合动态消谐补偿装置应用新技术,SVC的经济性APF滤波的性等特点为基础,将两者技术相结合,提高传统无功补偿技术,在降低成本的同时,实现谐波治理与无功补偿。

7.7ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿装置

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TSC模块

ANSVG-S-G模块

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ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿装置是一种用于补偿无功,提高功率因数,实现补偿效果的新型电力电子装置;智能控制系统主动根据系统的线性动态需求,自动调节有源及无源模块的输出配比ANSVG-S-G整机主要是ANSVG-S-G模块、无源补偿电容器TSC)、液晶显示器组成。

8 应用案例

8.1概述

某工厂负载为空压机、注塑机一类的变频设备,是典型的谐波发生源,客户要求针对谐波电流进行治理,改造/后实测数据如下:

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治理前数据截图

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治理后数据截图

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现场安装图

8.2测量/后数据统计

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8.3测量/后数据分析

从治理前后的测量数据电流波形对比图中,我们可以较为直观的看出谐波治理后的电流波形更加平滑,更加趋近于正弦波形。根据数据统计可知,谐波电流主要5711次为主,治理前5711次谐波电流均超出国标限值562A744A1128A),经过容200AANAPF有源滤波器治理后均降到了限值以下,满足国标对于各次谐波电流值的要求;治理后谐波电流畸变率(A相为例)由治理前32.39%降到10.42%;治理后谐波电压畸变率(A相为例)由治理前5.4%降到2.97%,满足国标限值电压畸变5%的要求,各项指标符合国家标准,谐波治理效果明显。

9典型业绩

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10结语

当前工业生产的主要动力能源依然是电能,绝大多数工厂都是从国家电力系统取得电能的。随着我国工业化进程的高速发展,对电能的需求将越来越大,而用电设备注入电网的谐波也将越来越大。

参考文献:

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