商曉峰, 孫乙富, 傅劍鋒

(1.中國電子工程設(shè)計院有限公司, 江蘇 南京 210000;2.重慶路之生科技有限責任公司, 重慶 404100;3.中機中聯(lián)工程有限公司, 重慶 404100)

0 引 言

現(xiàn)代工業(yè)項目電氣系統(tǒng)的特點是負荷(裝機)密度大、重要負荷多、系統(tǒng)可靠性要求高。同時由于電力電子技術(shù)和半導體技術(shù)的高速發(fā)展,現(xiàn)代工業(yè)項目的生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)大規(guī)模、大范圍采用了IGBT、GTO等高功率電力電子開關(guān)器件。雖然這種高功率的電力電子開關(guān)類設(shè)備使工業(yè)生產(chǎn)效率得到了極大提高,但也應充分認識到其非線性的電氣特性對電力系統(tǒng)帶來了重大負面影響,尤其以諧波對電力系統(tǒng)的影響最為突出。諧波會對電力系統(tǒng)造成諸多危害,例如降低電能傳送效率、設(shè)備過熱、振動、系統(tǒng)諧振等。

目前,治理諧波最為常見的技術(shù)措施是在系統(tǒng)上加裝有源電力濾波器(APF),但由于各種原因,在一些諧波含量較大且頻次較高(5次以上)的項目中,APF的實際使用情況不甚理想,甚至反而引起了系統(tǒng)的不穩(wěn)定或振蕩。本文以目前國內(nèi)蓬勃發(fā)展的新能源行業(yè)某一項目為例,分析了APF使用局限性的原因,提出了一種全新的諧波治理設(shè)計方案。

1 項目背景

1.1 項目概況

在“雙碳”目標背景下,近年來我國新能源行業(yè)發(fā)展迅猛。在全行業(yè)生產(chǎn)鏈中,單晶拉棒是非常重要的一環(huán),該類項目在電氣上典型特點是“非線性電力負荷巨大”。

本文案例項目位于我國西北部某市,主生產(chǎn)廠房面積192 000 m2,項目年產(chǎn)能20 GW,主要用電負荷為1 296臺單晶爐和總計360余臺動力設(shè)備(PCW系統(tǒng)水泵、空調(diào)機組、水源熱泵機組、空壓機等)。本項目特點為用電負荷大(裝機容量240 000 kVA,裝機密度將近2.4 kW/m2)、含有大量電力電子設(shè)備(負荷占比超過80%,主要為單晶爐和動力設(shè)備),諧波含量巨大。案例項目單晶爐控制柜實物如圖1所示。

圖1 案例項目單晶爐控制柜實物

本項目在廠區(qū)用地紅線范圍內(nèi)設(shè)置1座110/10 kV主變電所,其中110 kV側(cè)采用單母線雙分段接線型式(正常運行方式下,兩段母線并列運行),每臺變壓器計算負載率約為80%,廠房內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計方案采用10 kV單母線、400 V單母線型式。案例項目電氣主接線示意簡圖如圖2所示。

圖2 案例項目電氣主接線示意簡圖

無論是單晶爐的單機負荷還是單體廠房,規(guī)模都在迅速增大,現(xiàn)時單棟拉棒廠房的生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)突破40 GW,甚至100 GW產(chǎn)能規(guī)模的單體廠房也已經(jīng)開始出現(xiàn),這就使得該類項目的廠房內(nèi)10 kV(20 kV)中壓變電所的規(guī)模已經(jīng)突破常規(guī)設(shè)計認知范圍。案例項目變電所現(xiàn)場運行實況如圖3所示。

圖3 案例項目變電所現(xiàn)場運行實況

由于裝機密度高、諧波含量大、電氣設(shè)備發(fā)熱量大等特點,因此眾多單晶拉棒項目的變電所運行時均需打開柜門運行,從而造成了安全隱患。

1.2 現(xiàn)狀諧波治理方案

諧波含量高已經(jīng)成為目前單晶拉棒行業(yè)內(nèi)的一大“頑疾”,而且“高次諧波(5次及以上)比例高”更是使得該行業(yè)的諧波治理較為困難。諧波設(shè)備源參數(shù)如表1所示[1]。

表1 諧波設(shè)備源參數(shù)

從電力系統(tǒng)本身角度出發(fā),現(xiàn)時治理諧波最為普遍和主流的手段就是在變電所400 V母線段裝設(shè)APF。行業(yè)內(nèi)主要是采用經(jīng)驗來明確APF裝機容量,但隨著電力系統(tǒng)仿真手段的應用,APF的容量計算將會更加科學和經(jīng)濟。通過軟件對本項目某一母線正常運行方式下的諧波仿真運算結(jié)果。系統(tǒng)諧波仿真計算結(jié)果如圖4所示[2-4]。APF在變電所裝設(shè)方案如圖5所示[5]。

圖4 系統(tǒng)諧波仿真計算結(jié)果

圖5 APF在變電所裝設(shè)方案

雖然從理論上來講,這個方案是較為科學經(jīng)濟的,但由于APF的產(chǎn)品技術(shù)路線“百家爭鳴”,且對諧波含量較重的應用場景分析較少,從眾多項目的實際運行情況來看,多數(shù)裝設(shè)APF方案的濾波效果不甚理想。主要表現(xiàn)在:APF設(shè)備無法投入或無輸出,APF設(shè)備投入后故障率高甚至造成短路等惡性事故,投入后放大了系統(tǒng)諧波含量,系統(tǒng)損耗增加等現(xiàn)象。APF故障實例如圖6所示。

圖6 APF故障實例

上述APF的問題不僅對項目的前期投資造成了浪費,更是對項目投產(chǎn)后的穩(wěn)定運行產(chǎn)生了負面影響,嚴重影響了產(chǎn)能,分析后發(fā)現(xiàn)目前APF在單晶拉棒應用場景中效果不如預期的主要原因有以下幾點。

(1) APF產(chǎn)品理論設(shè)計問題。目前APF的發(fā)展技術(shù)理論上可以跟蹤治理至最高25次諧波,且市場上幾乎所有產(chǎn)品都宣稱可以達到該水平,但真實情況卻是大相徑庭。目前的諧波治理算法和IGBT開關(guān)頻率的熱效應,導致實際上現(xiàn)時的APF在治理5次及以上諧波時已需要降容考慮,因此項目現(xiàn)場的APF實際能夠投入的容量遠小于產(chǎn)品標稱額定容量,從目前情況來看,諸多項目(不僅限于單晶拉棒項目)的APF僅投入了5次、7次諧波治理功能,更高的11次、13次諧波治理功能均沒有投入。

(2) APF響應速度指標問題。目前業(yè)內(nèi)對于APF的一個主要“誤區(qū)”就是響應速度,現(xiàn)時用戶以及設(shè)計單位過度追求APF響應速度,認為其越快越好,實則不然。因為當發(fā)生電壓暫降、電壓跌落、短時尖峰負荷時,均會產(chǎn)生短時(毫秒級)尖峰諧波,如果此時APF響應速度過快,會立刻發(fā)出一個反向尖峰電流去跟蹤補償這個系統(tǒng)短時尖峰諧波,從而導致APF承受了不在其“職責”范圍內(nèi)過流,最終使得APF本身保護還未動作,巨大尖峰電流已經(jīng)產(chǎn)生,將APF損壞。其實對電能質(zhì)量要求的本質(zhì)上在一個秒級時間段內(nèi),其平均畸變率、功率因數(shù)達標即可,過度追求APF的響應時間不僅無意義,還會造成意想不到的惡劣后果。

(3) APF分類標準不夠明確。不為使用者和設(shè)計者眾所周知的是,APF從應用場合上可分為普通型和工業(yè)型。工業(yè)型的APF不僅耐受電流倍數(shù)高,其PCB板的設(shè)計和生產(chǎn)也與常規(guī)普通型完全不同(例如工業(yè)型的IGBT過流能力約8倍,而普通型則只有約3倍)。

(4) APF使用環(huán)境溫度的影響。單晶拉棒行業(yè)由于變電所裝機密度高,變壓器負荷率重(一般均要超過75%),變電所環(huán)境溫度較高(正常情況下在32 ℃以上甚至更高),導致APF降容問題更加突出,從而影響了其效果。

2 解決方案

2.1 理論設(shè)計

電力系統(tǒng)中的諧波絕大部分均為非正弦周期信號,任何一個周期波形信號都可以被分解為一系列頻率為周期函數(shù)頻率的“正整倍數(shù)”的正弦量之和。

在電力系統(tǒng)中,電源激勵信號為一標準正弦波,而電網(wǎng)負載一般與電源激勵信號相對稱,即負載對應激勵的“符號”變化對應同時變化,或者說負載響應信號相對應激勵信號呈半波對稱(激勵信號本身也為半波對稱)[4]。

若對滿足半波對稱的周期信號進行傅里葉分解,會發(fā)現(xiàn)展開項中,沒有偶次諧波,只含有奇次諧波,因此在主要由雙向?qū)ΨQ元件構(gòu)成的電力系統(tǒng)中,基本不會出現(xiàn)偶次諧波,這就是為何平時在諸多項目中,接觸到的主要為3、5、7、9、11次等奇數(shù)次諧波[1,4,6]。

當電網(wǎng)元件不為雙向?qū)ΨQ或不與電源激勵信號相對稱時,就會存在偶次諧波,譬如變壓器的“勵磁涌流”,類似這種諧波并不是正常運行方式下所產(chǎn)生的諧波,也不是諧波治理的對象(系統(tǒng)中主要是判斷出類似這種偶發(fā)諧波,并予以正常避開)。

目前APF的裝備技術(shù)水平是不適應重高次諧波的應用場景的,這種不適應主要是由于環(huán)境溫度和高頻電力電子開關(guān)的疊加熱效應造成的。

針對本項目的特點,本次電氣設(shè)計方案中,通過與業(yè)主方充分溝通,在一半電氣系統(tǒng)中大膽摒棄了“400 V母線段并APF”的傳統(tǒng)技術(shù)方案,而采用了一種新型的“重諧濾波”設(shè)計方案。

該方案通過分析、測試、調(diào)研后發(fā)現(xiàn),單晶硅行業(yè)以5次諧波為主,含少量的7次、11次諧波,如:3 150 kVA變壓器2 600 A負荷時,其Ih5為725 A,Ih7為195 A,Ih11為96 A。當變壓器接近80%負荷時,其Ih5高達1 200 A,由數(shù)據(jù)可看出,5次諧波是對系統(tǒng)和設(shè)備造成影響的主要因素。同時也可以發(fā)現(xiàn)在單晶拉棒項目中,主要諧波源(單晶爐和PCW水泵)所對應的負荷調(diào)整以小時為單位,變壓器的負荷一直處于“穩(wěn)態(tài)”,因此供配電系統(tǒng)對濾波設(shè)備響應速度也就無明顯要求。

在采用大量電力電子開關(guān)(如IGBT)的應用場景下,一般自然功率因數(shù)均較高,連續(xù)穩(wěn)定、安全可靠治理諧波才是電氣系統(tǒng)設(shè)計的主要任務之一,而“重諧濾波”設(shè)計方案主要體現(xiàn)如下方面。

(1) 濾波方案設(shè)計理念。當前多數(shù)重諧波環(huán)境THDU>8%,THDI>30%,而多數(shù)普通濾波方案沒有完全考慮“重諧波”環(huán)境下設(shè)備的承受能力。“重諧濾波”設(shè)計方案提出“全電壓、全電流”的概念,即設(shè)計方案進行仿真、選型、參數(shù)設(shè)定時充分考慮了“基波+諧波”的電網(wǎng)環(huán)境,提高了濾波設(shè)備安全可靠性,從而在眾多“重諧波環(huán)境”的諧波治理方案中,“重諧濾波”設(shè)計理念暫時走在前端。

(2) 濾波方案的濾波效果。傳統(tǒng)濾波補償中濾波電抗器電抗率一般選擇6%～7%,濾波電容最大過載能力約1.3In,諧波電流濾除率僅30%～40%。重諧濾波方案根據(jù)“重諧波”環(huán)境選擇更合理電抗率的電抗器,最大過載電流大于2In倍的濾波電容,使其對特定次諧波電流的濾除率可達80%,如Ih5為1 000 A時,該方案濾除約800 A。

(3) 濾波方案的安全穩(wěn)定性。傳統(tǒng)濾波模塊易燒易炸,“重諧濾波”的容值在線監(jiān)測功能解決了傳統(tǒng)濾波方案中因容值衰減所引起的電容燒炸的問題。

2.2 實際使用情況

本項目投運后,一半系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)APF濾波方案,另一半采用了“重諧濾波”方案。效果對比明顯,采用傳統(tǒng)APF方案的系統(tǒng)部分,其模塊故障率依舊高居不下,系統(tǒng)諧波率高,系統(tǒng)安全性和可靠性也一如既往地受到了影響,甚至對正常生產(chǎn)也構(gòu)成了較大威脅;采用“重諧濾波”的系統(tǒng)部分,運行一年至今未有任何事故發(fā)生,諧波含量也有明顯降低,系統(tǒng)運行安全可靠。

(1) 采用傳統(tǒng)APF濾波方案效果。

本項目單臺3 150 kVA變壓器使用1 200 A有源濾波,實際由于故障率過高,APF設(shè)備限值50%輸出,即只有600 A投入,且無法治理7次及以上諧波。傳統(tǒng)APF濾波方案效果如表2所示。

表2 傳統(tǒng)APF濾波方案效果

據(jù)統(tǒng)計,本項目正式投產(chǎn)半年內(nèi),APF模塊爆炸約x次,嚴重影響了項目的產(chǎn)能,保守估計給項目造成經(jīng)濟損失約700萬元。

(2) 采用“重諧濾波”方案效果。

單臺3 150 kVA變壓器配置2×750 kvar重諧?！爸刂C濾波”濾波方案效果如表3所示。

表3 “重諧濾波”濾波方案效果

本項目正式投產(chǎn)半年內(nèi),“重諧濾波”方案未發(fā)生過一次故障。

2.3 經(jīng)濟性分析與比較

以兩臺3 150 kVA變壓器所構(gòu)成的一套400 V配電系統(tǒng)為例分析。

(1) 一次性投入比較。

一次投入比較如表4所示。

表4 一次投入比較

1套配電系統(tǒng)可節(jié)省造價約10萬元,該項目一棟廠房內(nèi)有42套同樣系統(tǒng),則一次性造價可節(jié)省約420萬元。

(2) 電能損耗比較。

APF裝置本身的功耗為自身額定功率的3%～5%(標準為3%,但實際加裝大功率軸流風機后會高于標準),若環(huán)境溫度較高,其發(fā)熱功耗將更高。

2 400 A(2×1 200 A)的APF功率損耗按額定功率的3%考慮,約為49.8 kW,按1套系統(tǒng)年運行時間7 200 h(24 h×300 d),電價水平0.31元/kWh考慮,年損耗電費約為111 154元。

根據(jù)“重諧濾波”的型式報告以及相關(guān)案例現(xiàn)場運行數(shù)據(jù),750 kvar功耗為0.79 kW,裝置考慮散熱風機的綜合功耗約為0.92 kW,則3 000 kvar(4×750 kvar)損耗約為3.68 kW,同樣年運行時間和電價水平情況下,年損耗電費約為8 214元。

因此兩者相對比:一套配電系統(tǒng)年損耗電費差約為102 940元,則42套系統(tǒng)年損耗電費相差約432.4萬元。

由于發(fā)熱量的降低,變電所的制冷設(shè)計標準也可一定程度降低,這將會更大程度上降低項目運行電費,因此采用“重諧濾波”方案后,節(jié)電效果是明顯的。

(3) 運營維護成本比較。

以兩臺3150 kVA變壓器所構(gòu)成的一套400 V配電系統(tǒng)為例,運營維護成本比較如表5所示。

折算至每年的維護成本,一套系統(tǒng)兩者可相差30 000-4 000=26 000元。

(4) 綜合比較。

以兩臺3 150 kVA變壓器所構(gòu)成的一套400 V配電系統(tǒng)為例(每年),綜合比較如表6所示。

表6 綜合比較

因此,投產(chǎn)后第一年年底即可節(jié)約成本248 940元,42套系統(tǒng)可節(jié)約成本約1 045萬元,如果考慮到變壓器損耗、人力維護成本以及制冷和土建等配套的綜合成本,實際節(jié)約成本預計會超過1 600萬元。

2.4 方案設(shè)計優(yōu)化建議

(1) 固定電容補償方案優(yōu)化:現(xiàn)代工業(yè)項目由于采用了大量電力電子開關(guān)類設(shè)備(動力支持設(shè)備也普遍采用了變頻控制),系統(tǒng)的自然功率因數(shù)一般比較高,據(jù)調(diào)研,數(shù)據(jù)自然功率因數(shù)普遍超過0.95,因此傳統(tǒng)的固定電容補償實際上是完全具備取消的可能性的。

(2) 設(shè)計計算工具的優(yōu)化:隨著電力系統(tǒng)仿真手段的進步,完全可以采用Etap等電氣仿真軟件,對客體電氣系統(tǒng)在各種運行方式下的潮流、諧波進行較為精確的仿真計算,并為系統(tǒng)將來的擴展或改動提供技術(shù)支撐,這對精準的諧波治理方案設(shè)計是非常有利的,不僅能使得諧波治理設(shè)備本身的產(chǎn)品做到“有的放矢”,也能夠最大程度減少投資浪費。

雖然該方案采用了“工業(yè)級低功耗的濾波調(diào)諧電抗器配合濾波電容”,解決了相對惡劣應用場景下APF模塊故障頻發(fā)的問題,但是其設(shè)計方案僅針對特定頻次(如:5次、7次等)的諧波,不同項目不同頻次的諧波,需要制定不同的重諧濾波方案,這就對采用電氣仿真手段提出了更高的要求。

(3) 采用綜合諧波治理方案:從該項目情況來看,傳統(tǒng)的濾波設(shè)備在應用的過程中存在嚴重的問題,而“重諧濾波”方案已經(jīng)解決目前傳統(tǒng)APF濾波設(shè)備應用中的問題,但是并沒有完全解決系統(tǒng)的高次諧波,因此后期系統(tǒng)方案設(shè)計上還應更注重高次諧波的治理,如采用10 kV(20 kV)中壓側(cè)將目的更多地放在“高次諧波治理”上,而不是去無謂地補償已經(jīng)較高的自然功率因數(shù)。

3 結(jié) 語

現(xiàn)代工業(yè)項目的負荷越來越多樣化,尤其隨著電力電子設(shè)備的廣泛使用,諧波問題日趨嚴重,已經(jīng)成為從工程設(shè)計階段直至運營階段中無法回避的問題。本文從某項目實際出發(fā),提出了一種全新的諧波治理設(shè)計方案和一些優(yōu)化建議。本文所構(gòu)思的理念,不僅僅適用于單晶拉棒類的重工業(yè)項目,對諧波問題日益嚴重突出的其他項目(例如電池生產(chǎn)廠房、硅料工廠、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院和學校等)也有較強的指導和借鑒意義,能夠為以后諧波治理方案的設(shè)計工作提供與時俱進的思路和方向。