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        有源濾波裝置容量計(jì)算與設(shè)備選型

        2023-02-07 06:17:02張煜叢嘉慶高宇
        水泥技術(shù) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:有源骨料諧波

        張煜,叢嘉慶,高宇

        1 引言

        隨著低壓變頻電機(jī)和低壓永磁電機(jī)在水泥和砂石骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,直流驅(qū)動(dòng)裝置及其他非線性負(fù)載也越來(lái)越多地投入使用并產(chǎn)生諧波。負(fù)載諧波電流通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)反饋至系統(tǒng)電網(wǎng),對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響,導(dǎo)致電氣設(shè)備性能下降,電氣設(shè)備使用壽命縮短,嚴(yán)重時(shí)可能造成人員傷亡。目前,我國(guó)各類(lèi)工業(yè)園區(qū)投入使用的電力電子設(shè)備越來(lái)越多,這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生諧波電流,消耗電網(wǎng)中的無(wú)功功率,造成電能質(zhì)量下降,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

        2 我國(guó)電能質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)及諧波治理方法

        在理想狀態(tài)下,三相交流電力系統(tǒng)的電壓和電流的幅值及頻率是定值,電壓和電流的波形為完美的正弦波。但在電力供配電系統(tǒng)中,其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與理想狀態(tài)存在一定偏差,為了表征這種偏差,我國(guó)制定了電能質(zhì)量的參數(shù)指標(biāo),包括:電壓偏差、頻率偏差、諧波含量、電壓波動(dòng)和閃變及三相不平衡度等。

        為更好地提升電能質(zhì)量,國(guó)內(nèi)外科學(xué)家和電力工程技術(shù)研究人員對(duì)能夠有效改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的電力電子裝置開(kāi)展了深入研究,并開(kāi)發(fā)出了無(wú)源電力濾波裝置、靜止無(wú)功發(fā)生器、串聯(lián)電容器、晶閘管控制電容電抗裝置、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、自愈式低壓并聯(lián)電容器及有源濾波裝置等眾多可用于無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的電氣設(shè)備。

        一般來(lái)說(shuō),產(chǎn)生諧波的設(shè)備包括含有半導(dǎo)體的非線性設(shè)備及含有鐵磁和電弧的非線性設(shè)備[2],其中,含有半導(dǎo)體的非線性設(shè)備是指各類(lèi)整流器、變頻裝置、交直流換流裝置及晶閘管控制設(shè)備;含有鐵磁和電弧的非線性設(shè)備是指熒光燈具、電焊設(shè)備和電弧爐等。在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中,往往采用了大量變頻電機(jī)或永磁電機(jī),需相應(yīng)配置變頻器裝置(含有半導(dǎo)體的非線性設(shè)備),進(jìn)而在使用時(shí)產(chǎn)生諧波。該諧波會(huì)造成電力線路發(fā)熱、變壓器附加損耗增加、開(kāi)關(guān)設(shè)備過(guò)熱,影響設(shè)備的使用壽命,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成火災(zāi)。

        治理低壓設(shè)備的諧波,首先,應(yīng)合理設(shè)置變頻裝置的技術(shù)參數(shù),如,增加變頻裝置的脈沖數(shù),采用12脈沖以上的變頻裝置取代6脈沖的變頻裝置,主動(dòng)減少諧波源。其次,應(yīng)采用有源濾波裝置(Active Powert Filter,APF),利用補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行諧波的被動(dòng)治理。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)公用電網(wǎng)諧波電壓畸變率和電流畸變率的限制值提出了要求。為了抑制各種非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波,在電氣設(shè)計(jì)中可采用有源濾波裝置。有源濾波裝置在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中主要應(yīng)用于[1]:變頻設(shè)備;電氣化鐵路;不穩(wěn)定負(fù)荷;節(jié)能燈和空調(diào)集中的場(chǎng)所;高精度自動(dòng)化生產(chǎn)線等。

        3 有源濾波裝置原理及特性

        有源濾波裝置(APF)是一種可用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置,其基本工作原理是,以并聯(lián)方式將有源濾波裝置接入電網(wǎng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載諧波分量,當(dāng)負(fù)載諧波電流超過(guò)規(guī)定限值,利用PWM變換技術(shù),在系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載諧波分量大小相等、方向相反的諧波電流,與負(fù)載諧波電流相抵消[2]。

        有源濾波裝置的分類(lèi)見(jiàn)圖1。如圖1所示,按照電網(wǎng)接入方式的不同,有源濾波裝置分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型;按電源相數(shù)的不同,有源濾波裝置分為單相和三相;按儲(chǔ)能元件的不同,有源濾波裝置分為電流型和電壓型;按接入系統(tǒng)的不同,有源濾波裝置分為直接接入系統(tǒng)和間接接入系統(tǒng)兩種方式。

        圖1 有源濾波裝置的分類(lèi)

        在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中,若有大量的非線性負(fù)載,應(yīng)考慮配置有源濾波裝置,并根據(jù)計(jì)算選取恰當(dāng)?shù)挠性礊V波裝置補(bǔ)償容量。工程項(xiàng)目中往往采用的是并聯(lián)型直接接入系統(tǒng)有源濾波裝置,其工作原理可用下述公式闡明:

        式中:

        iLf——負(fù)載的基波電流

        iLh——諧波電流

        iC——補(bǔ)償電路輸出的補(bǔ)償電流

        分析可知,有源濾波裝置最大的優(yōu)勢(shì)是具有優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償特性。

        由劉方[2]的研究可知,當(dāng)系統(tǒng)諧波電流含量達(dá)到30%時(shí),會(huì)產(chǎn)生20%的電氣線路損耗和100%的變壓器銅損;諧波電壓會(huì)使配電變壓器的鐵芯磁化曲線產(chǎn)生畸變,造成變壓器鐵損大幅增大;諧波電流在配電變壓器中會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗,占用變壓器的容量,造成變壓器負(fù)載升高,引發(fā)過(guò)載等問(wèn)題。如何合理選擇有源濾波裝置的容量,是電氣設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

        4 有源濾波裝置容量計(jì)算公式的選取

        諧波電流值的計(jì)算一般采用式(5)~(7),式(5)為集中濾波方式下的諧波電流計(jì)算公式,式(6)為部分濾波方式下的諧波電流計(jì)算公式,式(7)為局部濾波方式下的諧波電流計(jì)算公式。

        式中:

        S——變壓器額定容量

        U——變壓器二次側(cè)額定電壓

        K——負(fù)荷率

        Un——設(shè)備額定線電壓

        P——總功率

        In——設(shè)備額定電流

        THD——總諧波電流畸變率

        集中濾波是在變壓器二次側(cè)進(jìn)行諧波集中治理;部分濾波是在已知設(shè)備功率的情況下,據(jù)此計(jì)算諧波電流值;局部濾波是指在負(fù)載的輸入端進(jìn)行就地濾波,據(jù)此計(jì)算出的諧波電流值。

        在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中,一般都是在電力室集中配置有源濾波裝置,不采用局部濾波的方式,因此,式(7)不適用于一般的水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目,下面按式(5)和式(6)計(jì)算水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目諧波電流值。

        主要行業(yè)諧波電流畸變數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以看到,工業(yè)用電的諧波電流畸變率(THD)最為嚴(yán)重,尤其以冶金化工行業(yè)為甚,其諧波電流畸變率可以達(dá)到30%,這是因?yàn)橐苯鸹ば袠I(yè)大量采用了變頻及整流裝置。而以砂石骨料和水泥生產(chǎn)為主的建材行業(yè),因無(wú)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明其諧波電流畸變率,所以筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇與其相近的礦產(chǎn)開(kāi)采行業(yè)為參考,將建材行業(yè)的諧波電流畸變率按25%計(jì)算,舉例如下:

        表1 主要行業(yè)諧波電流畸變數(shù)據(jù)

        (1)實(shí)例一

        某熟料生產(chǎn)線項(xiàng)目的窯頭電力室車(chē)間負(fù)荷,此窯頭電力室車(chē)間配置了兩臺(tái)2 000kVA配電變壓器,1號(hào)配電變壓器負(fù)荷率為69.8%,2號(hào)配電變壓器負(fù)荷率為66.6%;1號(hào)低壓母線車(chē)間額定負(fù)荷為1 650kW,2號(hào)低壓母線車(chē)間額定負(fù)荷為1 582kW;1號(hào)低壓母線下,變頻器負(fù)載額定負(fù)荷為1 179kW,2號(hào)低壓母線下,變頻器負(fù)載額定負(fù)荷為887kW。

        按式(5)可計(jì)算出,1號(hào)配電變壓器下諧波補(bǔ)償容量Ih=514A,2號(hào)配電變壓器下的諧波補(bǔ)償容量Ih=491A;按式(6)可計(jì)算出,1號(hào)配電變壓器下的諧波補(bǔ)償容量Ih=320A,2號(hào)配電變壓器下的諧波補(bǔ)償容量Ih=230A。

        (2)實(shí)例二

        某骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目的選粉制砂電力室車(chē)間負(fù)荷,該電力室車(chē)間配置了一臺(tái)2 500kVA的配電變壓器,車(chē)間額定負(fù)荷約為2 488kW。其中,變頻負(fù)載額定負(fù)荷約為1 129kW,變壓器負(fù)荷率約為68.7%。

        按式(5)可計(jì)算出該低壓母線段的諧波補(bǔ)償容量Ih=633A,按式(6)可計(jì)算出其諧波補(bǔ)償容量Ih=304A。

        由上述兩個(gè)實(shí)例可以看到,式(5)和式(6)計(jì)算出的結(jié)果存在一定的偏差,尤其是在第一個(gè)實(shí)例中,按式(5)計(jì)算,在容量相同、計(jì)算負(fù)荷率基本一致的情況下,雖然兩個(gè)車(chē)間配電變壓器變頻負(fù)載的功率不一致,但其諧波補(bǔ)償容量計(jì)算結(jié)果卻相差很小。筆者認(rèn)為式(5)更適用于無(wú)詳細(xì)低壓變頻負(fù)載、需利用配電變壓器容量估算有源濾波裝置諧波補(bǔ)償容量的情況,而式(6)更適用于水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)階段,此時(shí)配電變壓器容量、負(fù)荷率及變頻器負(fù)載的技術(shù)參數(shù)均可通過(guò)計(jì)算得出。

        在施工圖設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)者計(jì)算諧波補(bǔ)償容量時(shí),因計(jì)算公式系數(shù)較多,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)計(jì)算偏差,筆者根據(jù)水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目的實(shí)際情況,在式(5)的基礎(chǔ)上,總結(jié)出了一個(gè)簡(jiǎn)化的有源濾波裝置諧波補(bǔ)償容量計(jì)算公式:

        式中:

        P——某變壓器下的全部低壓變頻器額定功率

        C——常數(shù),水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中的總諧波電流畸變率取值一般比較固定,部分計(jì)算結(jié)果可固定為常數(shù),C值為0.4

        K——變壓器負(fù)荷率

        按式(8)計(jì)算可得實(shí)例一中,1號(hào)配電變壓器下的諧波補(bǔ)償容量Ih=330A,2號(hào)配電變壓器下諧波補(bǔ)償容量Ih=236A;實(shí)例二中,低壓母線段的諧波補(bǔ)償容量Ih=310A。

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,式(8)計(jì)算結(jié)果與式(6)計(jì)算結(jié)果比較接近,偏差不大,且此公式計(jì)算簡(jiǎn)便快速,更適用于水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目。同時(shí),筆者建議在安裝有源濾波裝置的相應(yīng)低壓母線進(jìn)線柜處,安裝可以檢測(cè)諧波分量的計(jì)量裝置,以檢測(cè)有源濾波裝置投運(yùn)前后的諧波參數(shù)。

        5 有源濾波裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、選型與接線

        5.1 有源濾波裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

        除了關(guān)注有源濾波裝置的容量,在進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)關(guān)注有源濾波裝置的其他關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。對(duì)于工程總承包項(xiàng)目來(lái)說(shuō),電氣專(zhuān)業(yè)應(yīng)在技術(shù)文件中明確在基本工作條件下滿足有源濾波裝置性能指標(biāo)。若項(xiàng)目處于特殊氣象或地質(zhì)環(huán)境工作條件,應(yīng)將信息及時(shí)反饋設(shè)備廠家,并調(diào)整相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。有源濾波裝置基本工作條件如下:

        (1)環(huán)境溫度:-20℃~+50℃

        (2)相對(duì)濕度:日平均值≯95%,月平均值≯90%,無(wú)凝露。

        (3)海拔高度:≤2 000m

        (4)抗震等級(jí):7級(jí)

        (5)空氣中無(wú)足以損壞絕緣體和腐蝕金屬的氣體,無(wú)導(dǎo)電及易燃易爆的介質(zhì)存在。

        在技術(shù)標(biāo)書(shū)中,必須先明確有源濾波裝置的相關(guān)技術(shù)參數(shù)后,再編制并確定有源濾波裝置的技術(shù)招標(biāo)文件,要求設(shè)備廠家核實(shí)并確認(rèn)參數(shù)和偏差情況。如明確有源濾波裝置容量(150A)、IGBT品牌(德國(guó)英飛凌或其他)、接線方式(三相三線或三相四線)、接入的電壓和頻率(380V±20%或其他,50Hz±10%或其他)、濾波范圍(2~50次諧波全補(bǔ)償或指定次數(shù)補(bǔ)償)、整機(jī)效率(97%)、響應(yīng)時(shí)間(5ms)、有功損耗(<3%)、接入電網(wǎng)方式(并聯(lián)入網(wǎng))、補(bǔ)償率、通訊方式(RS485接口)、機(jī)柜IP防護(hù)等級(jí)(IP3X)、機(jī)柜安裝方式(落地整柜或壁裝)、機(jī)柜尺寸等。

        在上述有源濾波裝置的技術(shù)參數(shù)中,裝置容量、補(bǔ)償次數(shù)、補(bǔ)償率、響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)是電氣設(shè)計(jì)時(shí)必須予以明確的。有源濾波裝置容量的定義與其他三相交流設(shè)備容量的定義相同,但有源濾波裝置供應(yīng)商一般采用的是電流標(biāo)稱(chēng),如50A、75A、150A、250A等;需要注意的是,有源濾波裝置輸出電流不是任何頻次電流都可以達(dá)到額定值,補(bǔ)償次數(shù)需在招標(biāo)時(shí)與供應(yīng)商澄清具體要求;有源濾波裝置的補(bǔ)償率為針對(duì)典型負(fù)載的補(bǔ)償率;有源濾波裝置的響應(yīng)時(shí)間,是指諧波負(fù)載投入后,電網(wǎng)諧波電流被完全濾除或達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間。

        5.2 有源濾波裝置的選型

        目前,在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中,常用的有源濾波裝置是整柜式,有源濾波裝置整柜可與低壓柜并柜,也可獨(dú)立設(shè)置,可根據(jù)工程項(xiàng)目的具體情況選擇采取何種形式。同時(shí),在電氣設(shè)計(jì)階段,應(yīng)了解不同廠家有源濾波裝置的柜型及模塊參數(shù)的區(qū)別。三個(gè)不同廠家有源濾波裝置柜型及模塊參數(shù)對(duì)比如表2所示。由表2可以看到,三個(gè)廠家在柜型尺寸、單組模塊、單柜最大容量均略有差別。在施工圖設(shè)計(jì)階段,應(yīng)關(guān)注設(shè)備的選型和參數(shù)的選擇。如,計(jì)算所得諧波補(bǔ)償容量Ih=310A,按廠家A和廠家C情況,可以選擇補(bǔ)償容量為350A的有源濾波柜;按廠家B情況,則可以選擇325A的有源濾波柜,這些均需根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行選型。目前,有些電能質(zhì)量保障設(shè)備廠家,將用于低壓母線的有源濾波裝置和低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)合在一起,組成電能質(zhì)量改善電氣設(shè)備,這可能會(huì)成為提升電能質(zhì)量的另一種解決方案。

        表2 不同廠家有源濾波裝置柜型及模塊參數(shù)

        5.3 有源濾波裝置的接線

        有源濾波裝置的接線,分為信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜,信號(hào)電纜用于連接電流互感器和濾波器,一般選擇屏蔽電纜,而動(dòng)力電纜在工程實(shí)踐中一般按截面相同的四芯電纜選型。動(dòng)力電纜規(guī)格見(jiàn)表3。

        表3 動(dòng)力電纜規(guī)格

        6 結(jié)語(yǔ)

        在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中,選擇有源濾波裝置不僅能夠達(dá)到良好的節(jié)能效果,也能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益,需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際非線性負(fù)載情況,通過(guò)計(jì)算,選擇合適的容量。

        在諧波電流計(jì)算理論公式的基礎(chǔ)上,筆者根據(jù)水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目的實(shí)際情況,總結(jié)出了一個(gè)簡(jiǎn)化的有源濾波裝置諧波補(bǔ)償容量計(jì)算公式,利用此經(jīng)驗(yàn)公式,在施工圖階段可快速準(zhǔn)確計(jì)算出不同低壓母線所需的有源濾波裝置容量。計(jì)算實(shí)例顯示,此經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與理論值很接近,可用于實(shí)際工程項(xiàng)目選型計(jì)算。

        在總承包項(xiàng)目中,需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況,合理選擇有源濾波裝置的技術(shù)參數(shù),尤其是有源濾波裝置的補(bǔ)償容量、補(bǔ)償次數(shù)、補(bǔ)償率和響應(yīng)時(shí)間。同時(shí),應(yīng)注意不同有源濾波裝備廠家的設(shè)備參數(shù)差異,優(yōu)化有源濾波裝置的選型,建議在各個(gè)電力室的低壓進(jìn)線柜處,裝設(shè)可測(cè)量諧波分量的多功能測(cè)量表,獲取不同車(chē)間典型負(fù)荷下的THD,進(jìn)而在多個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,得到更精確的建材行業(yè)THD值。

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