楊國峰，侯延軍，劉憲利

（中國石油吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林 132022）

0 引言

描述石化公司某車間采用可控硅整流裝置供電的直流傳動控制系統(tǒng)，控制觸發(fā)角引起電流的畸變，產(chǎn)生諧波。采用KWWB-400 系列高壓補(bǔ)償及調(diào)壓控制裝置對無功和電壓進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)改造，改造后取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 現(xiàn)狀分析

石化公司某車間35 kV 供電系統(tǒng)由甲乙線兩路組成，高壓配電系統(tǒng)是2 臺一用一備35 kV 主變壓器（35 kV/6kV，16 000 kVA），降壓變壓器分別是6 臺6 kV 動力變壓器（6 kV/400 V）和8 臺6 kV 整流變壓器（6 kV/600 V，6 kV/400 V）。低壓配室有3 部分：各類輥道、傳送鏈、設(shè)備，為輔傳動低配室；整流變壓器給軋線供電設(shè)備為主傳動低配室；各種泵類、風(fēng)機(jī)、照明類負(fù)載供電設(shè)備為MCC 室。

1.1 諧波的產(chǎn)生及其危害

車間的傳動設(shè)備是16 組ABB 公司DCS600 和2 組DCS800 系列直流轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng)，都是使用可控硅式整流裝置進(jìn)行供電。送到整流電路的電壓是正弦交流電壓，流過的電流已不是正弦交流電流，而是與控制角α 相關(guān)的函數(shù)，所以控制觸發(fā)角必然會引起電流的畸變，產(chǎn)生諧波。晶閘管作為非線性原件，在電路中的應(yīng)用中也會產(chǎn)生諧波。

1.2 無功功率的產(chǎn)生及其影響

其他電氣設(shè)備運(yùn)行時會產(chǎn)生大量的無功功率。這就導(dǎo)致了電力設(shè)備與電網(wǎng)之間大量的無功功率交換，這將導(dǎo)致輸電線路和變壓器輸送大量無功功率而造成大量的功率損耗，這是不經(jīng)濟(jì)的。

1.3 提高功率因數(shù)的必要性

車間供電系統(tǒng)濾波補(bǔ)償裝置1 套，分5、7、11 次3 個支路。隨著電氣設(shè)備的不斷擴(kuò)建和滾筒電機(jī)變頻改造，大量感性負(fù)載的使用使得變壓器容量不足，長期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，特別是在夏季，變壓器工作在60 ℃以上的高溫下，加速變壓器的老化。

近幾年來，由于諧波原因，中小型生產(chǎn)線的供電系統(tǒng)、保護(hù)裝置和電氣設(shè)備遭受巨大損失。有功功率因數(shù)達(dá)不到電力管理部門規(guī)定的0.9，影響經(jīng)濟(jì)效益的創(chuàng)造，被有關(guān)部門罰款。因此，有必要對車間諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

2 改造方案

2.1 中小型供電網(wǎng)絡(luò)圖（圖1）

圖1 中小型供電網(wǎng)絡(luò)

2.2 項(xiàng)目可行性分析

國家規(guī)定6 kV 電網(wǎng)月平均功率因數(shù)應(yīng)≥0.95，現(xiàn)在平均功率因數(shù)約為0.83，將現(xiàn)有功率因數(shù)提高到0.95 以上，需在原有基礎(chǔ)上增加電容。由測試結(jié)果可知，平均有功功率為9295 kW，功率因數(shù)為0.83，要提高到0.95 需增加無功功率3191 kvar。

2.3 方案確定

隨著產(chǎn)能提升，對交流異步電機(jī)大量進(jìn)行變頻拖動改造，經(jīng)過對軋線主機(jī)設(shè)備的擴(kuò)容改造，尤其是17#、18#主機(jī)擴(kuò)容后車間電能質(zhì)量明顯下降，通過及時對TF 變壓器的擴(kuò)容，已經(jīng)能夠達(dá)到車間正常用電的需求。需要在這個基礎(chǔ)上進(jìn)一步來提升電能穩(wěn)定性，以此來提升變壓設(shè)備和濾波設(shè)備整體使用效率。對6 kV 濾波系統(tǒng)進(jìn)行整體的集中動態(tài)補(bǔ)償，在車間整個供電網(wǎng)絡(luò)中，這些中小型降壓變壓器有8 臺6 kV 整流變壓器（6 kV/600 V，6 kV/400 V），6 臺6 kV 動力變壓器（6 kV/400 V）。前者的供電范圍為主傳動室，服務(wù)于軋線設(shè)備。由于有功功率與無功功率隨時間變化速率快，電壓波動巨大，波形畸變，功率因數(shù)較低，因此采用靜止無功功率補(bǔ)償器（SVC），其補(bǔ)償過程是動態(tài)的，可以根據(jù)系統(tǒng)無功功率的需求或電壓變化自動跟蹤補(bǔ)償；后者供電范圍為輔傳動和MCC 室，控制輥道電機(jī)和照明、泵類及風(fēng)機(jī)負(fù)載。由于負(fù)載沖擊小，采用性價比較高靜態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)（并聯(lián)電容器）即可滿足要求。改造的技術(shù)核心是諧波抑制和無功補(bǔ)償。

改造的主體電氣設(shè)備為高壓無功功率自動濾波補(bǔ)償裝置，主要對系統(tǒng)中5 次、7 次諧波進(jìn)行治理，改造方案采用KWWB-400 系列高壓補(bǔ)償及調(diào)壓控制裝置對無功和電壓進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，輔以JHA651 數(shù)字式電容器保護(hù)裝置實(shí)施全面的保護(hù)。

3 改造措施

3.1 濾波補(bǔ)償裝置工作的理論基礎(chǔ)

工頻狀態(tài)下濾波器的阻抗為式（1）：

基波電流為式（2）：

安裝容量為式（3）：

在工頻狀況下，濾波器阻抗呈容性，可以提供超前無功功率，補(bǔ)償電網(wǎng)中的感性無功。

在測試的時候相繼投入5、7、11 次支路，經(jīng)過測得5 次支路所發(fā)射的基波是870 kvar，7 次支路所發(fā)射的基波是870 kvar，11 次支路所發(fā)射的基波是1929 kvar，這3 個支路總共發(fā)射的基波是3669 kvar。依據(jù)現(xiàn)場資料，5 次電容值為94 μF，電抗值為4.5 mH，7 次電容值為87 μF，電抗值為2.2 mH，11 次電容值為182 μF，電抗值為0.5 mH，由式（1）、（2）、（3）可推算出5次安裝容量約為1500 kvar，7 次安裝容量約為1500 kvar，11 次安裝容量約為3000 kvar。

3.2 自動濾波補(bǔ)償裝置工作過程

靜止性無功功率補(bǔ)償器SVC 的核心是晶閘管控制電抗器（TCR），依靠調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)延遲角實(shí)現(xiàn)感性無功的快速、平滑調(diào)節(jié)。單獨(dú)的晶閘管可控電抗器只能吸收感性無功功率，功能單一，因而常與并聯(lián)電容器配合使用組成FC+TCR 型SVC 系統(tǒng)。工作原理如圖2 所示。

圖2 靜止性無功功率補(bǔ)償器SVC 工作原理

QC為并聯(lián)電容器組發(fā)出的超前無功功率，QL為補(bǔ)償電抗器吸收的無功功率，QF為負(fù)荷側(cè)所需要的無功功率，QS為系統(tǒng)所提供的無功功率，QLC為TCR調(diào)諧系統(tǒng)輸出的無功功率。當(dāng)負(fù)載變化滯后于QF時，連續(xù)控制滯后無功功率QL，引起（QL-QC）變化，使系統(tǒng)供給的無功功率QS=QF+QL-QC為接近常數(shù)，達(dá)到限制電壓波動的目的。

3.3 改造的措施

改造的方案是在原設(shè)備基礎(chǔ)上增加設(shè)備，在3 組電抗器上增加適當(dāng)?shù)淖枘幔瑏韺?shí)現(xiàn)消除諧波，同時提升功率因數(shù)至0.9 效果。將現(xiàn)有功率因數(shù)提高到0.95 以上，需在原有基礎(chǔ)上增加電容。但是，由于現(xiàn)有電容室場地有限，且原5 次濾波器經(jīng)長期運(yùn)行后諧振頻率有所偏移，不能滿足需要，因此應(yīng)對原有5 次及7 次濾波器進(jìn)行更換。現(xiàn)有5、7 次濾波器停用后，減小基波無功功率1740 kvar，則改造后的5、7 次濾波器應(yīng)發(fā)出無功功率4931 kvar。5 次和7 次濾波系統(tǒng)整體更換所需設(shè)備見表1。

表1 濾波系統(tǒng)改造所需設(shè)備

改造后能5 次諧波發(fā)出基波無功功率2551 kvar，7 次諧波能發(fā)出基波無功功率2500 kvar。

另外，原控制保護(hù)屏經(jīng)過幾年運(yùn)行后性能有所下降，經(jīng)測試柜內(nèi)電流互感器電流值與實(shí)際值相差很大，應(yīng)該更換。新研制的控制保護(hù)裝置在性能、可靠性、人機(jī)界面上均有很大程度的提高，因此用新的控制保護(hù)屏對濾波支路進(jìn)行控制保護(hù)能達(dá)到更好的效果。

3.4 KWWB-400 系列高壓補(bǔ)償和調(diào)壓控制的裝置

保護(hù)控制系統(tǒng)使用中國電力科學(xué)院研發(fā)的高壓濾波回路式自動控制器，對這3 條回路達(dá)到自動投切的控制。提升有源濾波的動態(tài)無功補(bǔ)償，以及增加和無源濾波技術(shù)相結(jié)合的一種實(shí)時諧波濾除及動態(tài)無功自動補(bǔ)償?shù)难b置，高壓無功功率自動濾波補(bǔ)償裝置由真空接觸器、補(bǔ)償電容器、空心電抗器、隔離接地開關(guān)以及放電線圈等適當(dāng)組成，可吸收系統(tǒng)中5 次諧波，裝置同時使用KWWB-400 系列高壓補(bǔ)償及調(diào)壓控制裝置對無功和電壓進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。

3.5 JHA651 數(shù)字式電容器保護(hù)裝置實(shí)施全面的保護(hù)

二段式過流保護(hù)；零序電流保護(hù)，跳閘或告警；過電、欠電壓保護(hù)；故障顯示和記憶功能；不平衡電流、電壓保護(hù)；裝置中具有光電隔離式高速RS485 通信接口的通信功能，能夠通過RS485通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

4 實(shí)施效果

改造后，電能質(zhì)量明顯提高。穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，降低負(fù)荷電壓降，抑制電壓閃變，提高供電質(zhì)量；補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，保證處理后用戶功率因數(shù)提高到0.95 以上，節(jié)約電費(fèi)；濾除部分系統(tǒng)諧波，減少諧波對供電系統(tǒng)、保護(hù)裝置和電氣設(shè)備的危害，系統(tǒng)噪聲明顯降低。

4.1 實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過濾波系統(tǒng)裝置改造后，電氣功率因數(shù)能夠提升至0.95。這就避免因功率因數(shù)達(dá)不到要求而被電力部門罰款，同時也節(jié)省電費(fèi)支出費(fèi)用。

電力部門7 個月罰款35 萬多元，每月高至5 萬多元。進(jìn)行改造后每年就能夠降低因功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)而多支出的電費(fèi)50多萬元。綜合計算得到，每年預(yù)計能夠得到經(jīng)濟(jì)效益60 多萬元。因?yàn)楣β室驍?shù)提升，每年能夠節(jié)省電費(fèi)300 多萬元。

4.2 改造效果

利用PSCAD 仿真軟件，檢測系統(tǒng)功率因數(shù)變化和5 次諧波濾波及補(bǔ)償效果明顯改善。

5 后續(xù)措施

通過對電流、電壓的檢測，進(jìn)一步完善系統(tǒng)性能，我們對整個系統(tǒng)加了許多監(jiān)測點(diǎn)，充分利用動態(tài)補(bǔ)償基礎(chǔ)裝置并加以擴(kuò)展。如從監(jiān)測點(diǎn)引一信號至主電室，并設(shè)某一定值、當(dāng)電壓急劇變化時引起蜂鳴器報報警裝置啟動。

為了加強(qiáng)PSCAD 仿真軟件的研究和應(yīng)用，可以利用PSCAD 軟件發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作過電壓、故障和雷擊等。該方法可以精確地模擬含有復(fù)雜非線性元件（如直流輸電設(shè)備）的大型電力系統(tǒng)。其輸入輸出界面非常直觀方便。它還可用于電力系統(tǒng)的時域或頻域計算與仿真，電力電子領(lǐng)域的電力系統(tǒng)諧波分析與仿真計算。