譚宇翔，任海燕

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 緒論

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)各部門(mén)電氣化水平的不斷提高，各種換流裝置，電力電子設(shè)備，電弧爐、感應(yīng)爐等得到廣泛的應(yīng)用，這些裝置的應(yīng)用一方面提高了國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的電氣化水平和經(jīng)濟(jì)效益，另一方面也給整個(gè)電力系統(tǒng)帶來(lái)了新的問(wèn)題——諧波污染。水電站諧波污染是電力系統(tǒng)諧波污染的一種特殊情況。造成水電站諧波污染的諧波源主要是水電站所興辦的高耗能企業(yè)的非線(xiàn)性設(shè)備，它們對(duì)諧波電流均有較大的影響。根據(jù)調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)水電站諧波污染有以下特點(diǎn):(1)諧波電流較大，而電壓波形畸變并不嚴(yán)重。(2)諧波電流主要注入發(fā)電機(jī)，而對(duì)系統(tǒng)影響不大。(3)諧波頻率豐富。針對(duì)中小型水電站諧波污染的這些特點(diǎn)，初步從以下兩個(gè)方面提出解決方案:(1)主動(dòng)型抑制措施:即對(duì)諧波源本身進(jìn)行改造，以此減少諧波源的諧波含量或抑制諧波的產(chǎn)生。例如，對(duì)以整流設(shè)備為主要負(fù)荷的企業(yè)，在選擇整流裝置時(shí)盡量選取脈動(dòng)數(shù)大的設(shè)備，減少諧波電流的產(chǎn)生。(2)被動(dòng)型抑制措施:即在諧波源處加裝各種補(bǔ)償裝置來(lái)濾除諧波。濾波裝置主要包括無(wú)源濾波裝置和有源濾波裝置兩大類(lèi)。

無(wú)源濾波裝置中應(yīng)用最廣泛的是單調(diào)諧濾波器和高通濾波器。對(duì)于含量較大的某次諧波，如:3次、5次、7次等，可以采用單調(diào)諧濾波器，逐次濾除。對(duì)于在一個(gè)較寬頻帶內(nèi)含量豐富的諧波，可以考慮安裝高通濾波器。實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常將二者相結(jié)合。盡管有源濾波器有著無(wú)源濾波器所不具備的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但目前要想在電力系統(tǒng)中完全取代無(wú)源濾波器還不太現(xiàn)實(shí)。這是因?yàn)榕c無(wú)源濾波器相比，APF的成本較高，裝置容量的不足以及可靠性等限制了APF的推廣使用。因此，在國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用中主要還是采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的無(wú)源濾波裝置。本文主要研究水電站高耗能企業(yè)無(wú)源濾波裝置的設(shè)計(jì)和仿真，這種“無(wú)源型”電力濾波裝置除起濾波作用外還兼顧無(wú)功補(bǔ)償和調(diào)壓的需要。

2 濾波裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

以某水電站及35kV變電所主要供電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)為例，要求濾波裝置投入運(yùn)行后，35kV系統(tǒng)功率因數(shù)應(yīng)提高到0.92以上。

2.1.1 諧波電流和諧波電壓

(1)軋鋼廠和冶煉廠10kV母線(xiàn)電壓總諧波畸變率達(dá)到8.76%，是標(biāo)準(zhǔn)限值的2.2倍，嚴(yán)重超標(biāo)。軋鋼廠軋機(jī)為典型的六相整流負(fù)荷，產(chǎn)生的諧波電流主要為 5、7、11 次，分別為5.52A、6.99A、3.5A。

(2)35kV變電所35kV母線(xiàn)電壓總諧波畸變率達(dá)到4.81%，是標(biāo)準(zhǔn)限值的1.6倍，嚴(yán)重超標(biāo)。氯酸鉀廠負(fù)荷為六相整流負(fù)荷，諧波電流主要是5、7、11次，分別為11.71A、8.88A、1.99A。

(3)1#發(fā)電機(jī)出口10kV母線(xiàn)電壓總諧波畸變率為3.39%，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。注入發(fā)電機(jī)的諧波電流主要是 3、5、7 次，分別為7.77A、13.60A、2.91A。

(4)3#發(fā)電機(jī)出口10kV母線(xiàn)電壓總諧波畸變率為3.38%，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。但由于工業(yè)小區(qū)的諧波負(fù)荷由2#主變直接供電，故諧波電壓明顯高于1#發(fā)電機(jī)10kV母線(xiàn)。注入3#發(fā)電機(jī)的諧波電流主要是3、5、7次，分別為9.71A、8.74A、11.65A。

(5)庫(kù)區(qū)負(fù)荷諧波電流較小，以5次為主(0.54A)。

(6)水電站110kV母線(xiàn)電壓總諧波畸變率為1.71%，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。注入110kV系統(tǒng)的諧波電流主要為3、5 次，為0.93A、2.59A。

2.1.2 35kV變電所主要負(fù)荷諧波電流

根據(jù)電能質(zhì)量測(cè)試報(bào)告，水電站及35kV變電所主要負(fù)荷，包括軋鋼廠、冶煉廠、氯酸鉀廠以及庫(kù)區(qū)負(fù)荷的諧波電流如表1所示。

實(shí)測(cè)35kV變電所35kV母線(xiàn)電壓總諧波畸變率為4.81%，軋鋼廠和冶煉廠10kV母線(xiàn)電壓總諧波畸變率為8.76%。

2.2 確定濾波裝置的構(gòu)成

根據(jù)實(shí)測(cè)考核點(diǎn)35kV側(cè)諧波電壓的超標(biāo)情況和負(fù)荷的特征諧波次數(shù)，設(shè)置3個(gè)濾波器支路。針對(duì)冶煉廠電弧爐負(fù)荷由于產(chǎn)生連續(xù)次數(shù)的特征諧波的特點(diǎn)，采用一組二階減幅型3次高通濾波器，又稱(chēng)為二階阻尼濾波器，如圖1所示。

表1 負(fù)荷諧波電流

圖1 高通濾波器原理結(jié)構(gòu)圖

圖2 高通濾波器阻抗頻率特性

|Zn|:高通濾波器諧波阻抗ZN的幅值。

針對(duì)軋鋼廠軋機(jī)、氯酸鉀廠電解槽的六相整流負(fù)荷特征諧波次數(shù)，采用5次、7次兩組單調(diào)諧濾波裝置，如圖3和圖4所示。單調(diào)諧濾波器用于濾除某一特定頻率處的諧波電流，其所濾除的諧波電流的頻率fn由其參數(shù)決定。

圖3 單調(diào)諧濾波器原理結(jié)構(gòu)圖

圖4 單調(diào)諧濾波器阻抗頻率特性

|Zn|為單調(diào)諧濾波器的n次諧波阻抗的幅值;n=fn/f1為諧波次數(shù)。

2.3 濾波裝置的容量和參數(shù)

2.3.1 濾波裝置容量的計(jì)算選擇

濾波裝置的基波無(wú)功功率應(yīng)包括兩部分:

(1)將負(fù)荷功率因數(shù)提高到目標(biāo)值所需補(bǔ)償基波無(wú)功功率:根據(jù)對(duì)負(fù)荷有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)的測(cè)試結(jié)果，將功率因數(shù)提高到0.92時(shí)所需的最大無(wú)功功率為

(2)補(bǔ)償水電站2#主變的無(wú)功損耗所需的基波無(wú)功功率:這部分又包括變壓器的空載無(wú)功損耗和變電站中壓繞組(35kV側(cè))的負(fù)載無(wú)功損耗。

2.3.2 濾波裝置參數(shù)的計(jì)算選擇

各濾波器支路的基波容量的分配要綜合考慮諧波濾波效果、安裝容量大小和安全性指標(biāo)，采取最優(yōu)化配置。

(1)電容器額定電壓UCN

在各濾波器支路基波容量和諧波源諧波電流確定的前提下，要計(jì)算濾波裝置其他參數(shù)，首先必須確定濾波電容器的額定電壓。濾波電容器的額定電壓受以下幾方面的影響:①系統(tǒng)電壓水平;②諧波電流加在電容器兩端的諧波電壓;③串聯(lián)電抗器后電容器兩端電壓的升高;④電壓波動(dòng)使電容器兩端電壓的升高。考慮以上四個(gè)因素并假定:①諧波源電流不放大且全部通過(guò)相應(yīng)濾波器;②濾波器呈純電阻狀態(tài);③電容器中僅通過(guò)基波電流和本次諧波電流，計(jì)算出各濾波器支路電容器額定電壓。由于有串聯(lián)電抗器，電容器承受的基波電壓UC1要比母線(xiàn)運(yùn)行電壓U1(相電壓)高，設(shè)運(yùn)行電壓上限為U1M，則

首先以3次高通濾波器計(jì)算

電容器的額定電壓需要等于基電壓與調(diào)諧頻率諧波電壓Uch兩者的代數(shù)Uch=Uc3

(2)基波無(wú)功容量

濾波裝置總的基波無(wú)功容量還取決于補(bǔ)償?shù)囊蟆Ｔ趩握{(diào)諧濾波電容器參數(shù)初選確定后，可以很容易求出基波無(wú)功輸出，即

再根據(jù)Q1(5)、Q1(7)求出總基波無(wú)功Q1Σ=Q1(3)+Q1(5)+Q1(7)

(3)基波容抗XC

電容器的額定容量QCN，單位為Mvar。

(4)濾除hn次諧波所需電抗器的大小

串聯(lián)調(diào)諧濾波器的電抗器電阻為:

二階阻尼濾波器的電阻為:

式中特征電抗Xn為:

由以上計(jì)算公式可計(jì)算出3次、5次跟7次濾波支路各自的基波容抗，電抗器電抗，以及電容，電感，電阻的大小。

(4)電容器連接方式

單相電容器有串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)三種連接方式。工程實(shí)際中應(yīng)該選擇先并后串的方式，即先將電容器進(jìn)行并聯(lián)，然后再將各段串聯(lián)起來(lái)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是任何一段上的一臺(tái)電容器損壞被切除后，不會(huì)影響其他電容器正常工作，只是該段的其他電容器需要承受稍大電荷。通過(guò)上述各式及說(shuō)明，從而確定出各濾波支路的安裝容量及電容器連接方式見(jiàn)表2所示。

表2 各濾波支路電容器額定電壓及安裝容量及連接方式

由計(jì)算出的支路濾波電抗器的電感，從而選擇合適濾波電抗器，其參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 各濾波支路電抗器參數(shù)

根據(jù)計(jì)算所得的電阻值確定濾波電阻器額定電阻，從而選定濾波電阻器，其參數(shù)如表4所示。

表4 濾波電阻器參數(shù)

濾波裝置總安裝容量 9600kvar，總基波無(wú)功6191.5kvar，大于 5590kvar，所以濾波裝置投入后，35kV系統(tǒng)功率因數(shù)能達(dá)到0.92以上，滿(mǎn)足功率因數(shù)補(bǔ)償要求。

2.4 濾波裝置安全性能校核計(jì)算

濾波電容器在運(yùn)行中除供給所需的基波電流外，還將吸收諧波源產(chǎn)生的諧波電流。這樣，通過(guò)濾波電容器的電流就有基波和諧波電流(以濾波支路相對(duì)應(yīng)的諧波電流為主，也有部分非同次諧波電流)。這些電流通過(guò)電容器時(shí)，將在其兩端產(chǎn)生基波電壓和謝波電壓。由于濾波裝置長(zhǎng)期處于這種特殊的運(yùn)行狀態(tài)，為保證其長(zhǎng)期、安全運(yùn)行，對(duì)設(shè)計(jì)的各濾波電容器必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗(yàn)，其校驗(yàn)公式如下:

式中:ICN、UCN為濾波電容器的額定電流、額定電壓;Ic1、Uc1為濾波電容器的基波電流、基波電壓;Ich、Uch為濾波電容器的諧波電流、諧波電壓。

表5 各次諧波過(guò)電流過(guò)電壓倍數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表5可知:電容器過(guò)電流倍數(shù)均小于電容器額定電流的1.3倍，由電容器過(guò)電壓倍數(shù)倍數(shù)均小于電容器額定電壓的1.1倍，故各濾波支路都能安全運(yùn)行。

2.5 濾波裝置的保護(hù)

對(duì)濾波裝置組采用以下保護(hù)方式:

(1)單臺(tái)電容器均采用跌落式外熔絲保護(hù)，額定電流按電容器額定電流的1.5～2.0倍選取;

(2)電流速斷保護(hù):按濾波器支路5倍額定電流選取，0s時(shí)延;

(3)過(guò)電流保護(hù):按濾波器支路1.5倍額定電流選取，0.5s時(shí)延;

(4)過(guò)電壓保護(hù):按濾波裝置母線(xiàn)電壓的1.1倍額定電壓選取，當(dāng)濾波裝置母線(xiàn)電壓達(dá)到其額定電壓的1.1倍時(shí)，控制器依次切除7次和5次、3次濾波器支路，其間各有20s時(shí)延;

(5)失電壓保護(hù):當(dāng)濾波裝置母線(xiàn)電壓降至65%額定電壓時(shí)，無(wú)時(shí)限切除各濾波裝置開(kāi)關(guān);

(6)低周波保護(hù):當(dāng)濾波裝置母線(xiàn)電壓品率低于49.5Hz時(shí)，發(fā)出警報(bào)信號(hào);

(7)不平衡保護(hù):采用開(kāi)口三角電壓保護(hù)。放電線(xiàn)圈一次電壓取電容器額定電壓，二次保護(hù)線(xiàn)圈電壓均取100V，0.5s時(shí)延。

3 濾波裝置對(duì)諧波的改善

根據(jù)所選擇的技術(shù)方案，針對(duì)測(cè)試期間水電站的運(yùn)行方式(即1#發(fā)電機(jī)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)1#主變升壓向外送電，3#發(fā)電機(jī)運(yùn)行，經(jīng)2#主變升壓向外送電，1#、2#主變110kV并列運(yùn)行、35kV分列運(yùn)行，工業(yè)小區(qū)負(fù)荷由2#主變35kV側(cè)供電)，進(jìn)行諧波潮流計(jì)算。

3.1 諧波阻抗

(1)系統(tǒng)阻抗

近似認(rèn)為系統(tǒng)各元件都是電感性的，并忽略其電阻，因而系統(tǒng)諧波阻抗Xsys(h)等于其基波電抗Xs1與諧波次數(shù)h的乘積。基波電抗的求解方法如下所示，

由Xsys(h)=hXs1，得

(2)濾波器阻抗

針對(duì)不同頻率的諧波，各濾波支路呈現(xiàn)出不同的阻抗。計(jì)算同一頻率下調(diào)諧支路和高通支路的阻抗，分別取阻抗的倒數(shù)得到各支路導(dǎo)納，將所有支路的導(dǎo)納相加，再取其倒數(shù)就得到濾波器阻抗，如圖5所示。

圖5 濾波器簡(jiǎn)化等值電路圖

3次高通濾波器

5，7次低通濾波器:

濾波器等效阻抗為:

從諧波源看出去，等效阻抗為:

其中L3，L5，L7分別為濾波裝置各濾波支路的電感;C3，C5，C7分別為各濾波支路的電容。

3.2 諧波電流與諧波電壓

濾波裝置投入運(yùn)行后注入系統(tǒng)的3次、5次、7次以及11次諧波電流、電壓分別為:

表6 諧波裝置投入運(yùn)行的各次電壓和電流

諧波電壓是諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生的。因此，要控制電網(wǎng)中的諧波電壓，就必須限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流。經(jīng)過(guò)對(duì)各次主要的諧波電流計(jì)算結(jié)果的整理分析，下面將濾波裝置投入運(yùn)行前后注入系統(tǒng)的諧波電流和諧波電壓以表格的形式列出，如表7所示。

表7 濾波裝置投入運(yùn)行前后諧波參數(shù)

由結(jié)果可看出濾波裝置投入運(yùn)行后，水電站高耗能企業(yè)注入系統(tǒng)的各次諧波電流均未超出國(guó)標(biāo)規(guī)定的注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值，因此是滿(mǎn)足要求的。同時(shí)，35kV變電所35kV母線(xiàn)諧波電壓含有率能滿(mǎn)足要求，達(dá)到了治理的目的。

4 仿真系統(tǒng)及仿真結(jié)果分析

利用MATLAB的Simulink工具箱首先根據(jù)電路原型搭建電路模型，然后設(shè)定仿真并運(yùn)行，即可得到所需的電流波形。電源由基波與3次，5次還有7次諧波電流并聯(lián)而成，設(shè)置各自相應(yīng)的頻率與峰值。

圖6是以單相無(wú)源濾波裝置為例來(lái)說(shuō)明該無(wú)源濾波裝置的濾波性能，圖7，圖8分別是濾波裝置投入前后流入系統(tǒng)的諧波電流波形。

圖6 單相無(wú)源濾波裝置的電路仿真圖

圖7 無(wú)源濾波裝置投入前流入系統(tǒng)的諧波電流波形(B相)

圖8 無(wú)源濾波裝置投入后流入系統(tǒng)的諧波電流波形(B相)

從仿真結(jié)果可以看出，在用無(wú)源濾波裝置濾波前，電源電流畸變非常嚴(yán)重;用無(wú)源濾波裝置濾波后，諧波電流得到有效的抑制，電源電流波形得到明顯的改善，基本上為正弦波。

35kV母線(xiàn)電壓總諧波畸變率由以前的4.81%降至1.64%，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。負(fù)荷功率因數(shù)將提高到0.92以上，達(dá)到了用戶(hù)的要求，最重要的是濾波裝置能抑制諧波對(duì)發(fā)電機(jī)的危害，其潛在的效益和意義是巨大的。仿真結(jié)果表明，基于本文所給模型及方法設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波裝置能夠很好的抑制諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)，并有效補(bǔ)償無(wú)功。

5 結(jié)論

諧波污染對(duì)水電廠的影響主要是諧波電流引起的附加發(fā)熱對(duì)發(fā)電機(jī)和變壓器的影響以及負(fù)序性諧波電流對(duì)反應(yīng)負(fù)序分量的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響。適當(dāng)選擇用電設(shè)備的形式(主要指整流裝置的脈動(dòng)數(shù))和根據(jù)水電站的實(shí)際情況(水電站與系統(tǒng)的聯(lián)系和諧波源的特點(diǎn)等)，選擇適當(dāng)?shù)臑V波裝置和設(shè)備參數(shù)可有效解決中小型水電站諧波污染問(wèn)題。本課題就南津渡水電站的諧波污染問(wèn)題，提出采用諧波治理和功率因數(shù)補(bǔ)償相結(jié)合的“無(wú)源型”濾波裝置方案。通過(guò)校驗(yàn)及仿真結(jié)果分析，證實(shí)該濾波裝置是可行的，達(dá)到了濾除諧波及補(bǔ)償無(wú)功的目的。

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