何志會(中海油氣泰州石化有限公司,江蘇 泰州 225300)
由于電力電子裝置的廣泛應(yīng)用,使得諧波問題引起人們越來越多的關(guān)注。變頻器是較為典型的電力電子裝置,變頻器在運行過程中,需要對輸入電源用大功率二極管整流(或晶體管/逆變模塊)逆變;在其逆變過程中,輸入輸出回路便會產(chǎn)生高次諧波。特別是母線上有多個大功率變頻負載時,電源側(cè)的諧波往往較大,長期使用將影響供電電能質(zhì)量,干擾電能計量,降低二次元器件工作的可靠性,甚至出現(xiàn)繼電保護裝置誤動作,造成停電損失。
某石化公司2#變電所為5 000 Nm3/h制氫裝置、100萬噸/年連續(xù)重整裝置、40萬噸/年芳烴抽提裝置、170萬噸/年燃料油加氫精制裝置公用。變電所由2路35 kV線路供電,所內(nèi)2臺35/10.5 kV變壓器,額定容量16 000 kVA,日常單臺變壓器負荷率為45%。8臺10/0.4 kV變壓器,額定容量2 000 kVA。
低壓母線主要負載為空冷器、水泵、風(fēng)機、油泵、照明等,隨著近幾年裝置的技措技改項目增多、母線上新增變頻控制電機也逐漸增多,8段低壓母線共有50臺變頻器,最大變頻器容量為185 kW。變頻回路投入使用后,繼電保護裝置、斷路器出現(xiàn)偶然性誤動作,晃電時系統(tǒng)失電概率較大,系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響。排除低壓配電柜本身設(shè)備、元器件故障后分析,懷疑母線上諧波干擾較大,故對低壓母線進行諧波測量。
根據(jù)母線負荷情況,對8段低壓母線均進行了諧波檢測,檢測工具為FLUKE435,8段低壓母線諧波電壓畸變率最大為3.8%,諧波電流畸變率最大為21.54%,本文對諧波電流較大的AI,AII母線數(shù)據(jù)進行記錄分析,如表1和表2所示。
表1 2#變電所AI段諧波電流數(shù)據(jù)
表2 2#變電所AII段諧波電流數(shù)據(jù)
由下表可看出:負荷運行時產(chǎn)生的諧波主要以5次和7次最大,對比國標(biāo) GB/T 14549 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)AI段、AII段母線各相的總諧波電流畸變率維持在15%以上,系統(tǒng)諧波較大,遠遠超出管制標(biāo)準(zhǔn)。在低壓AI段母線上現(xiàn)有11臺變頻器,AII段母線上現(xiàn)有10臺變頻器,最大變頻器功率為132 kW。
從上述的測試數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)的諧波含量比較高,其中5次、7次諧波電流已經(jīng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 14549—1993)允許的限值,按照相關(guān)規(guī)定必須進行治理。因母線已裝有低壓無功補償裝置,因此僅需考慮諧波的治理。
治理諧波污染問題的基本思路,一是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波,這種適用于各種諧波源;另一條是對諧波源本身進行改造,使其不產(chǎn)生諧波,且功率因素可控為1[1]。對于已投用項目,目前采用較多的是諧波補償裝置,諧波補償裝置又分為無源濾波和有源濾波,其中有源濾波器治理效果好,可同時濾除多次及高次諧波,不會引起諧振,應(yīng)用較為廣泛,但是價位相對高。結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和變電所內(nèi)變頻器分布集中的特點,在0.4 kV母線安裝有源電力濾波器(Active Power Filter,下述APF)集中治理系統(tǒng)諧波較為合適。
APF是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置,它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償,其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點。APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種,前者使用較為廣泛,并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波,串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。
APF-有源濾波裝置采用直流電壓外環(huán)、交流電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制,并采用空間矢量算法SVPWM對功率開關(guān)管進行驅(qū)動,達到無極平滑跟蹤濾波目的,實現(xiàn)諧波治理功能,既可以單次濾波也可以集總次濾波。APF有源濾波本質(zhì)講是一個受控恒壓源,對系統(tǒng)阻抗影響很小,對各次目標(biāo)諧波針對性治理同時可配置成混合有源濾波補償裝置,濾波與補償可同步進行,全響應(yīng)時間短,輸出連續(xù)可調(diào),一致性較好,是目前電能質(zhì)量治理領(lǐng)域尤其諧波治理方面最佳選擇方案。
APF有源濾波裝置補償電流大小以諧波電流含量為參考基準(zhǔn),取A、B、C三相諧波含量最大值并增加一定裕量最終計算出補償電流大小。通過向系統(tǒng)中注入諧波畸變(該畸變等于非線性負載引起的畸變,但極性相反),可將波形修正為正弦波[2]。
式(1)~(4)中:is為電源電流;iL為負載電流;iLf為負載電流的基波分量;iLh為負載電流的諧波分量;iC為補償電流。
根據(jù)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993,諧波電流含量計算公式為[3]:
式中:IH為諧波電流含量;I1為基波電流;THDi為電流總諧波畸變率。
從測試的諧波電流數(shù)據(jù)可以看出,換算到0.4 kV系統(tǒng)的各次諧波電流合成值約為200 A。因此,低壓有源濾波裝置容量選擇200 A。
諧波治理一次圖如圖1所示。治理的母線變壓器容量為2 000 kVA,電壓10/0.4 kV,三相四線制。該變壓器的主要負荷為不同功率的變頻器(驅(qū)動水泵、風(fēng)機等),負荷運行電流變化范圍:980~1008 A之間變化,負荷運行穩(wěn)定。
圖1 諧波治理一次圖
在I段母線,II段母線上均新增一面低壓柜,濾波容量200 A,低壓柜式與原低壓柜式保持一致(1 000×1 000×2 200 mm),以銅排拼柜方式接入母線,接線方式為三相四線制,新增電流互感器3只,用于測量接入點和負載之間,以及該段0.4 kV母線總負載電流。在APF的容量范圍內(nèi),諧波電流補償率能達到90%以上。
在有源濾波裝置投運前2#變電所AI段總諧波畸變率THDi達到21.3%,波形畸變嚴(yán)重,裝置投運后電流波形得到較大的改善,電流諧波畸變率改善到6.7%,效果明顯。AII段電流諧波畸變率投運前為17.5%,裝置投運后諧波電流畸變率降低至5.8%,效果顯著。且兩端上的電壓畸變率也由2.2%降低至1.4%。
通過數(shù)據(jù)對比可以看出:有源濾波器投入后,系統(tǒng)電流畸變率明顯減小,已滿足國家標(biāo)準(zhǔn)范圍,諧波濾除率超過95%。
通過投入有源濾波器后,一方面一定量的降低了線路功率損耗,有效降低系統(tǒng)因諧波帶來的溫升和損耗,降低電氣事故幾率,延長電氣設(shè)備使用壽命。另一方面可減少斷路器及繼電保護裝置的故障率和誤動率。濾除諧波可以解決系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的問題,從而保護了斷路器和繼電保護裝置元器件不會因暫態(tài)過電壓為燒毀。提高整個繼電保護系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全系數(shù),從而提高全公司電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。