周計(jì)晨,王海群,馮 歡
(1.國網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司,上海 201199;2.國網(wǎng)上海市電力公司客戶服務(wù)中心,上海 200031;3.國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司,上海 200122)
隨著節(jié)能減排和環(huán)境要求的不斷提高,以電力為能源的晶閘管中頻感應(yīng)加熱設(shè)備在我國鍛造企業(yè)開始被大量使用。晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置的工作原理為:經(jīng)晶閘管橋式整流,把三相交流電變?yōu)橹绷麟?再經(jīng)晶閘管逆變?yōu)閱蜗嘀蓄l電源。在由交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程中,由于晶閘管器件的半控型造成了功率因數(shù)低;而晶閘管的非線性的特點(diǎn),則造成電源側(cè)大量的諧波產(chǎn)生[1-3]。
諧波電流的產(chǎn)生會引起無功功率增加、功率因數(shù)降低,使電網(wǎng)中的變壓器、交流電動機(jī)等設(shè)備的損耗加大,導(dǎo)致設(shè)備的絕緣老化加速,從而引起用電設(shè)備的噪聲及振動增加、電容器過流,對通信儀表造成干擾,甚至引起繼電保護(hù)誤動作的發(fā)生。因此在中頻爐等諧波污染源接入電網(wǎng)前,需要進(jìn)行仿真計(jì)算和評估[4-5]。
由于規(guī)模較大的鍛造企業(yè)生產(chǎn)需求較高,其配備的中頻裝置往往不止一臺甚至不止一個種類,這些不同的中頻裝置之間相互影響程度,在進(jìn)行評估計(jì)算時(shí)往往至關(guān)重要。
本文以某具有群聚式中頻爐鍛造公司為例,基于該鍛造公司的供電模式和內(nèi)部用電資料,對其對電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響進(jìn)行評估計(jì)算,并針對評估結(jié)果提出有益建議。
某鍛造公司供電一次接線示意圖如圖1所示。由圖1可知,一路35 k V為常用電源,2臺變壓器容量為12500 k VA。
35 k V供電線路來自220 k V變電站的35 k V一段母線,在廠內(nèi),35 k V母線經(jīng)過兩臺12500 k VA變壓器變到10 k V,主要負(fù)荷為中頻爐和其壓機(jī)沖床設(shè)備等。在10 k V母線上,分別帶有電容器。
中頻爐整流單元參數(shù)如表1和表2所示,正常功率是指變頻器同行運(yùn)行的功率。
圖1 某鍛造公司供電一次接線示意圖
表1 中頻爐整流變壓器參數(shù)
表2 整流器參數(shù)
大規(guī)模的中頻爐整流裝置,一般均帶有自身的諧波治理裝置,該鍛造公司的部分中頻整流設(shè)備自帶的濾波設(shè)備,參數(shù)如表3所示。
該公司目前采用的濾波器主要針對5、7次諧波,除2號2500T外,其他中頻爐均配置了5次濾波器。
表3 濾波器參數(shù)
首先計(jì)算一個6脈沖單元整流器諧波特性的理論值,整流器采用晶閘管的三相全橋可控整流結(jié)構(gòu)。通常,整流器通過定電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)定功率控制模式,改變點(diǎn)火角實(shí)現(xiàn)整流器的功率調(diào)節(jié)。
可控整流器的運(yùn)行狀態(tài)量,需要在建立變頻器的一套線性化方程組的基礎(chǔ)上,通過迭代求解得到。為簡化計(jì)算,本文在近似認(rèn)為變頻器直流電壓保持不變下,直接計(jì)算近似得到其它各運(yùn)行參量。
當(dāng)?shù)趇臺整流器直流功率為Pd,電流調(diào)節(jié)器的整定值Id為:
點(diǎn)火角與直流電壓關(guān)系可通過下式計(jì)算得到:
疊弧角γ的理論值為:
整流器交流側(cè)第n次諧波電流In的計(jì)算公式為:
式中:Ia為整流器交流側(cè)基波電流有效值,Ia=0.78Id。
按照鍛造公司的資料信息,根據(jù)變頻器參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,該鍛造公司各中頻爐的各6脈沖支路的典型諧波特性理論計(jì)算值如表4所示。
表4 中頻爐整流單元的諧波發(fā)射特性 電流/A
國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對用戶注入電網(wǎng)的諧波限值的計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)定,用戶限值與公共連接點(diǎn)(PCC)的最小短路容量、供電容量以及用戶的協(xié)議容量有關(guān)。
根據(jù)該鍛造公司的供電方式及供電線路,在評價(jià)諧波發(fā)射水平時(shí),選取220 k V變電站35 k V母線作為公共連接點(diǎn)(PCC)。該公共連接點(diǎn)的最小短路容量為888 MVA,供電容量選取主變?nèi)萘?,?60 MVA,用戶協(xié)議容量25 MVA。經(jīng)計(jì)算,該用戶通過35 k V線路注入PCC點(diǎn)的諧波電流限值如表5所示。
表5 該公司注入PCC點(diǎn)諧波電流限值 電流/A
仿真網(wǎng)絡(luò)的搭建,利用加拿大CYME公司的商用軟件PSAF電力系統(tǒng)計(jì)算程序的子模塊CYMEHarmo,該模塊可以與PSAF中的潮流計(jì)算程序接口,在此基礎(chǔ)上對多種網(wǎng)絡(luò)元件和諧波源元件進(jìn)行模擬計(jì)算。
本文所研究的用戶主要用電負(fù)荷為中頻爐,具有12脈沖和6脈沖兩種變頻方式。本文仿真的基本單元為6脈動單元,12脈動整流單元通過兩個6脈動單元連接到不同接線形式的變壓器低壓側(cè)實(shí)現(xiàn)。
在其兩段10 k V母線上,各有一組無功補(bǔ)償裝置,容量為3 Mvar;除中頻爐外的其他負(fù)荷負(fù)載率約為50%,使用阻抗型負(fù)荷模擬,功率因數(shù)為0.92。
不考慮中頻爐自帶的濾波設(shè)備,也不考慮高壓母線上的無功補(bǔ)償因素,仿真計(jì)算整流單元發(fā)射諧波的情況。選取中頻爐正常負(fù)載和滿載兩種方式,計(jì)算其通過35 k V線路注入電網(wǎng)的諧波電流如表6所示。
表6 無治理措施下的諧波發(fā)射水平 電流/A
由于大部分用電負(fù)荷為產(chǎn)生諧波的中頻爐,其中6脈動5臺,額定功率共約3.2 MW,12脈動4臺,額定功率共約11 MW,6 k±1次諧波均為典型次諧波,在沒有治理措施的情況下,典型次諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。
僅考慮中頻爐自帶的濾波設(shè)備,不考慮高壓母線上的無功補(bǔ)償。
同樣選取中頻爐正常負(fù)載和滿載兩種方式,計(jì)算注入電網(wǎng)的諧波電流如表7所示。
表7 自帶治理措施下的諧波發(fā)射水平 電流/A
對中頻爐自帶的濾波器參數(shù)分析,可知大部分的濾波器為5、7次濾波器,11次濾波器較少。該公司目前采用的濾波器主要針對5、7次諧波,除2號2500T外,其他中頻爐均配置了5次濾波器,占總?cè)萘康?7%,而配置11次濾波器的中頻爐僅有1號5000T、2號5000T、3號5000T,僅占總?cè)萘康?0%。
因此,注入PCC點(diǎn)的諧波電流中,5次和7次諧波大量減少,而11次和13次等12 k±1次的諧波仍超出了國標(biāo)規(guī)定的限值。
在該公司中頻爐采用低壓濾波設(shè)備后,各次諧波出現(xiàn)明顯下降,但仍不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求,12 k±1次諧波出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,作為補(bǔ)充可以在高壓母線針對12 k±1次諧波特性采取改善措施。
常見的濾波辦法是在無功補(bǔ)償電容器上串聯(lián)一定的電抗形成濾波裝置,應(yīng)用較為廣泛。該公司10 k V高壓母線上已經(jīng)配置一定容量無功補(bǔ)償裝量。本文設(shè)計(jì)三種串聯(lián)電抗率:電容器不串聯(lián)電抗器、串聯(lián)1%的電抗器、和混合配置,分別針對不同負(fù)荷率進(jìn)行仿真計(jì)算。
該公司兩段10 k V母線的無功補(bǔ)償容量均為3 Mvar,在不串聯(lián)電抗器的情況下,中頻爐正常負(fù)載和滿載情況下,計(jì)算注入電網(wǎng)的諧波電流如表8所示。
表8 純電容補(bǔ)償?shù)闹C波發(fā)射水平 電流/A
由表8可知,純電容模式不串聯(lián)電抗器時(shí),雖然高次諧波得到了抑制,但是低次諧波如5、7、11次諧波反而被放大。
在不串聯(lián)1%電抗器的情況下,中頻爐正常負(fù)載和滿載情況下,計(jì)算注入電網(wǎng)的諧波電流如表9所示。
表9 串抗率1%補(bǔ)償?shù)闹C波發(fā)射水平 電流/A
由表9可知,串聯(lián)1%電抗器時(shí),雖然11、13次諧波得到了抑制,但是7次諧波得到了放大,其中滿負(fù)荷運(yùn)行和正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)7次諧波均超出了國標(biāo)規(guī)定的限值。
高壓側(cè)無功補(bǔ)償容易出現(xiàn)諧波放大的現(xiàn)象,針對多種典型次諧波的治理,本文推薦采用組合方式,設(shè)計(jì)每段母線的3 Mvar無功補(bǔ)償中,1.2 Mvar串聯(lián)1%電抗率,1.8 Mvar串聯(lián)6%電抗率,針對中頻爐額定功率運(yùn)行(即滿負(fù)荷運(yùn)行)和正常功率運(yùn)行兩種方式進(jìn)行仿真計(jì)算。注入電網(wǎng)的諧波電流如表10所示。
表10 組合電抗率情況下的諧波發(fā)射水平 電流/A
由表10可知,同單純串聯(lián)一種電抗率相比,這種方式對11次和13次諧波起到了抑制作用,又防止了對低次諧波的放大作用,效果較為明顯,各次諧波均在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值以下。
根據(jù)“誰污染、誰治理”的電能質(zhì)量管理原則,在污染性用戶接入電網(wǎng)前,需要對其發(fā)射水平進(jìn)行評估。隨著節(jié)能減排的要求,鍛造企業(yè)新增或改造熔爐較多采用電力中頻爐,隨著規(guī)模需求的增長,群聚式中頻爐負(fù)荷是十分典型的用電負(fù)荷。
本文以某鍛造企業(yè)為實(shí)例,對其中頻爐負(fù)荷進(jìn)行電能質(zhì)量建模,針對不同治理措施和運(yùn)行方式進(jìn)行仿真計(jì)算,依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對其發(fā)射水平進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明,鍛造企業(yè)群聚式中頻爐接入電網(wǎng)前必須進(jìn)行諧波治理,否則諧波將遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水平;企業(yè)所采取中頻爐自帶濾波裝置進(jìn)行治理后,仍有可能超出國標(biāo)規(guī)定的水平;采取電容器串聯(lián)電抗進(jìn)行濾波治理時(shí),應(yīng)對其串抗率進(jìn)行校核,以免發(fā)生諧波放大現(xiàn)象。仿真計(jì)算表明,多層次的治理措施對諧波抑制起到了明顯的作用,本文所提出和校核的措施,將對類似用戶的接入起到現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。
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