李海，覃日升

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

硅工業(yè)園區(qū)電能質(zhì)量評估與治理

李海1，覃日升2

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

隨著云南硅工業(yè)園區(qū)越來越多，硅工業(yè)園區(qū)的非線性負荷引起電能質(zhì)量污染問題也越來越嚴重，電能質(zhì)量評估和治理研究也越來越受各個方面的關(guān)注。本文針對硅工業(yè)園區(qū)引起的電能質(zhì)量污染進行評估，在此基礎(chǔ)上提出了合理的治理措施。

硅工業(yè)園；電能質(zhì)量；評估；治理措施

0 前言

硅廠主要的負荷特性均為交流電弧爐 (EAF)。EAF爐是沖擊性負荷，其冶煉過程分為熔化期和精煉期。電力負荷在熔化初期 (起弧、穿孔、到塌料階段)變化劇烈，而在精煉期負荷逐漸趨于穩(wěn)定。從大量測試數(shù)據(jù)分析可知，該類負荷會引起較大的無功負荷波動，產(chǎn)生電壓波動及閃變；另外EAF爐作為非線性負荷，在運行中將產(chǎn)生2次及以上的諧波電流；EAF爐是不對稱負荷，最嚴重狀態(tài)為二相短路，一相開路，在此工況下，將產(chǎn)生很大的負序電流，造成三相不平衡。即EAF引起的主要電能質(zhì)量問題是：

1)諧波電流超標；

2)三相電壓不平衡度超標；

3)閃變超標。

因此進行硅工業(yè)園區(qū)電能質(zhì)量評估與治理研究對云南電力市場的發(fā)展有實際指導(dǎo)作用。文中對怒江硅工業(yè)園區(qū)的電能質(zhì)量開展現(xiàn)場測試，在測試的基礎(chǔ)上搭建仿真平臺，開展對應(yīng)的評估和治理研究，提出相應(yīng)的改進措施，有效地改善硅工業(yè)園區(qū)電能質(zhì)量污染問題，為其他硅工業(yè)園區(qū)的建設(shè)有提供的可供參考的技術(shù)方案。

圖1 2010年怒江硅工業(yè)園區(qū)供電方式

圖2 2016年怒江硅工業(yè)園區(qū)供電方式

測試時，怒江硅工業(yè)供電方式圖1所示，硅工業(yè)園區(qū)負荷全部由110 kV金嶺變提供，分別為宏鑫 (2臺)、金盛 (1臺)、宏盛 (3臺)三戶硅廠共6臺電弧爐供電。針對硅工業(yè)園區(qū)各供電專線路進行電能質(zhì)量檢測，測試的主要電能指標包括諧波電流含、諧波電壓、閃變及負序等，測試結(jié)果如下表所示：

表1 不同類型容量的電爐參數(shù)諧波電流含有率匯總

電弧爐在工作過程中，產(chǎn)生大量的諧波，針對測試數(shù)據(jù)分析可知：8 000 kVA和12 500 kVA的電弧爐工作過程中產(chǎn)生的諧波電流以2和3次諧波為主，4次和5次諧波電流次之；如果不采取治理措施，電弧爐所產(chǎn)生的諧波向高一級電網(wǎng)滲透，將導(dǎo)致上一級電網(wǎng)諧波電壓、電流超標的同時，引起母線電壓波動和閃變超標，危及電網(wǎng)安全及經(jīng)濟運行。

1 硅工業(yè)園電能質(zhì)量評估

按照怒江硅工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃方案，16年間怒江硅工業(yè)園區(qū)將增長到7戶，分別為宏鑫、宏盛、金盛、金志、康華、瑞巍、鼎盛硅廠共39臺冶煉爐，總負荷將達556 MW。其中，220 kV 5戶硅廠13回線路共15臺電弧爐，110 kV金嶺變供4戶硅廠12回線路共24臺電弧爐，規(guī)劃中硅工業(yè)園區(qū)的負荷發(fā)展情況如圖3所示。

參照電網(wǎng)運行方式，本文將根據(jù)硅工業(yè)園的運行方式開展電能質(zhì)量評估，評估的內(nèi)容主要包括：諧波潮流，三相不平衡度以及電壓波動和閃變等，涉及的運行方式為：

1)對220 kV崇仁站1#進線運行，崇仁站220 kV母聯(lián)運行，崇仁站1#變和2#變并列運行，共同負擔(dān)19萬kVA的硅工業(yè)園區(qū)負荷，崇金線備用，110 kV稱金線供金嶺變；

2)崇仁站除負擔(dān)19萬kVA的硅工業(yè)園區(qū)負荷外，崇金線運行送110 kV金嶺變35 kVⅡ段母線，負擔(dān)1/2金嶺變負荷，110 kV稱金線供金嶺變35 kVⅠ段。

圖3 硅工業(yè)園區(qū)的負荷發(fā)展情況

1.1 諧波潮流評估

參考 《規(guī)程》中對同次諧波疊加的相關(guān)規(guī)定，建立諧波電流源，從而進行仿真。根據(jù)不同運行方式，諧波潮流的評估如表4所示：

由表4可知：當(dāng)金嶺變12回硅工業(yè)園區(qū)負荷投運后，110 kV稱金線的3、5次諧波電流將嚴重超標。與稱金變相比，崇仁變的情況要好很多，這主要是由于崇仁變的系統(tǒng)短路容量較大。即使這樣，當(dāng)崇仁變負擔(dān)13回硅工業(yè)園區(qū)負荷后，也還會出現(xiàn)3、5次諧波電流超標的情況。當(dāng)崇金線運行負擔(dān)金嶺變35 kV一段母線負荷后，也會出現(xiàn)3、5次諧波超標的情況，會對與崇金線同一條母線的其它回路產(chǎn)生影響?？傊?，無論采用何種運行方式，崇仁變和金嶺變諧波電流超標的情況都比較突出，應(yīng)當(dāng)采取合適的治理措施解決。

表4 諧波潮流評估匯總

1.2 三相電壓不平衡度評估

由電弧爐工作特性可知，EAF爐是不對稱負荷，電爐運行時三相電極點弧很不穩(wěn)定，如一相電極斷開，其余兩極點弧 (即二相短路，一相開路)時，將向電網(wǎng)注入負序電流。可能會引起母線各節(jié)點三相電壓不平衡度超標。為了充分了解硅工業(yè)園引起電網(wǎng)各節(jié)點的不平衡度程度，對4臺電弧爐運行情況下，進行三相電壓不平衡度評估如表5所示：

表5 三相電壓不平衡度評估

由上表得出：電弧爐對電網(wǎng)不平衡度影響程度主要與接入點的短路容量、系統(tǒng)阻抗及電弧爐短網(wǎng)阻抗等有關(guān)。即：爐變至各母線的系統(tǒng)阻抗越大，影響越??；爐變接入點短路容量越大，影響越小；短網(wǎng)阻抗越小，影響越大?？傊?，多臺及以上電弧爐發(fā)生弧光相間短路時，均會引起220 kV崇仁變電站110 kV母線和35 kV母線三相電壓不平衡度超標，因負序電流流入電動機或發(fā)動機，會引起震動和發(fā)熱，可能會引起該地區(qū)小水電機組跳機，威脅到該地區(qū)供電的可靠性和穩(wěn)定性。

1.3 電壓波動和閃變評估

電弧爐引起的閃變與短網(wǎng)阻抗大小、電弧爐爐變檔位、電弧爐運行工況等有關(guān)，進行的電壓波動和閃變評估如表6所示：

表6 電壓波動和閃變評估

由上表可以看出：220 kV崇仁變電站35 kV母線帶4臺電弧爐運行時，該電弧爐群引起220 kV崇仁變電站的閃變值為：0.94(110 kV母線)、0.33(220 kV母線)。即：在3臺及以上電弧爐同時運行運行工況下，會引起220 kV崇仁變電站110 kV母線電壓閃變超標。

2 評估分析與治理措施

2.1 評估分析

通過對硅工業(yè)園進行電能質(zhì)量測試分析，結(jié)合仿真分析得出以下結(jié)論：

1)隨著建設(shè)規(guī)模的不斷增加，怒江硅工業(yè)園產(chǎn)生的諧波向上一級電網(wǎng)滲透，引起諧波電流和諧波電壓超標程度逐步上升。

2)電弧爐對電網(wǎng)不平衡度影響程度主要與接入點的短路容量、系統(tǒng)阻抗及電弧爐短網(wǎng)阻抗等有關(guān)。即：爐變至各母線的系統(tǒng)阻抗越大，影響越??；爐變接入點短路容量越大，影響越?。欢叹W(wǎng)阻抗越小，影響越大。隨著電弧爐群規(guī)模的上升，而積數(shù)上升。因負序電流流入電動機或發(fā)動機，會引起震動和發(fā)熱，可能會引起該地區(qū)小水電機組跳機，威脅到該地區(qū)供電的可靠性和穩(wěn)定性。

3)110 kV金嶺變電站12回線、220 kV崇仁變電站35 kV4回線滿負荷運行后，引起220 kV崇仁變電站和110 kV金嶺變母線電壓波動和閃變嚴重超標。

2.2 治理措施

針對以上評估暴露的質(zhì)量問題，采取分兩步加以解決：

1)減小主要次諧波 (3次)向上一級電網(wǎng)滲透

據(jù)現(xiàn)場可知，當(dāng)前已投入運行的各臺電弧爐采用的無功補償方式多數(shù)為在爐變35 kV側(cè)裝設(shè)安裝容量為1 080 kVAR，串抗率為12%或6%的無功補償裝置，其濾波的效果較差。針對硅工業(yè)園諧波特點及現(xiàn)場安裝地點限制等因數(shù)綜合考慮，把無功補償裝置配置為3次濾波裝置，減小3次諧波電流向上一級電網(wǎng)滲透。 (康華、瑞金)參照配置如下：

表7 濾波器參數(shù)一覽表

濾波器投入后的濾波效果如下：

3次 4次 5次諧波電流(A) 9.6 4 4.6濾除后諧波電流(A) 2.61 3.6 4.27濾除率(%) 72.81 10.00 7.17國標限值 1.56 2.25 1.81

由上表可知，當(dāng)濾波器投入后，濾波器對3次諧波電流有明顯的濾波效果。

2)電壓波動與閃變、三相電壓不平衡度及諧波集中治理

就硅工業(yè)園各廠實際情況，要求各廠對每一臺電弧爐進行單獨治理，受資金、安裝場地等因素限制，治理的難度較大。綜合考慮各種條件優(yōu)化后，硅工業(yè)園宜采用集中治理的方法較為經(jīng)濟。即在220 kV崇仁變電站和110 kV金嶺變35 kV各段母線上加裝一套SVG動態(tài)無功補償裝置，該裝置響應(yīng)時間小于5 ms，對三相電壓不平衡度、電壓波動與閃變抑制有很好的效果，同時對7次及以下的諧波有較好的濾波效果。其安裝容量確定為：

1)220 kV崇仁變電站35 kV母線SVG安裝容量的確定：同一條母線向多臺電爐同時供電時，引起的綜合無功沖擊按四次方經(jīng)驗公式計算：

因此，根據(jù)公式，確定濾除4臺電弧爐產(chǎn)生的諧波電流 (疊加值為24.5 A)安裝容量為1. 45 MVA；4臺電弧爐引起的無功波動綜合效應(yīng)值為4.24 MVA；為了確保SVG投入后，35 kV母線閃變值在國標限值 (0.9)內(nèi)，可計算出SVG (動態(tài)無功補償部分)的計算安裝容量 2.12 MVA；因此，該母線上SVG的綜合安裝容量為2. 56 MVA，考慮一定的冗余后取SVG最終安裝容量為3 MVA。

2)110 kV金嶺變電站35 kV母線SVG安裝容量的確定：110 kV金嶺變電站35 kV各有6條出線共12臺電弧爐。確定SVG安裝容量如下：

諧波次數(shù) 35 kV 6回出線2次(A) 11.269 3次(A) 51.840 8 5次(A) 23.077 3總諧波電流(A) 57.8

由上表可確定濾除諧波所需要SVG計算安裝容量為3.5 MVA。

每一條母線6臺電弧爐引起對最大無功波動值為4.69 MVAR；為了確保SVG投入后，35 kV母線電壓閃變值在國標限值之內(nèi)，可得SVG的安裝容量為3.75 MVA。兩者綜合考慮可確定SVG計算安裝容量為5.13 MVA，考慮一定的冗余后取SVG最終安裝容量為6 MVA。

3 結(jié)束語

對硅工業(yè)園區(qū)的電能質(zhì)量以及非線性負荷(如電弧爐)對電網(wǎng)諧波的影響，進行了評估，掌握了第一手的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，來提出整改措施和建議，有效地減小用戶的二次投資，同時也能夠滿足電力市場對電能質(zhì)量要求。在電力市場發(fā)展過程中，為了能夠有效治理電能質(zhì)量污染問題，可以根據(jù)電能質(zhì)量等級合理地制定電價，實現(xiàn)電能的 “按質(zhì)論價”。這樣，用戶可以針對不同的需求選擇不同的電能特征水平交納不同的購電費用，以期引導(dǎo)供電企業(yè)根據(jù)用戶的需求，給予最為經(jīng)濟、可靠地供電，又能夠有效地控制好電能污染等一系列問題的發(fā)生。

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Evaluation and Management of Power Quality in Typical Silicon Industrial Park

LI Hai1，QIN Risheng2
(1.Lijiang Electric Power Supply Bureau，Yunnan power grid co.，LTD，Lijiang，Yunnan，674100，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

With the increasing number of silicon industrial parks were build in Yunnan，the problem of pollution caused by nonlinear load power quality in silicon industrial park is becoming more serious，power quality evaluation and management research is also getting more attention by all aspects of governance research.Based on the evaluation of the pollution caused by silicon industrial parks，this paper presents same rational control measures.

silicon industrial parks；power quality；evaluation；control measures

TM73

B

1006-7345(2015)04-0022-05

2015-02-10

李海 (1986)，男，助理工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，主要從事調(diào)度運行、電能質(zhì)量研究工作 (e-mail) 499780792＠qq.com。