安科瑞 蔣超萍

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰

摘要：針對某工業(yè)場合在諧波污染較嚴重和電容補償裝置已投入運行的工況下，文中通過對實際測量數(shù)據(jù)進行分析，驗證電容柜和諧波之間的相互影響，說明現(xiàn)有方案的危害性，并提出了一種串聯(lián)電抗形式的無功補償和有源濾波混合使用的補償方案，在討論現(xiàn)有治理裝置的基礎上，對該混合補償裝置進行了實際工程應用，數(shù)據(jù)顯示效果明顯，從而為該工業(yè)場合電力系統(tǒng)保駕護航，取得了客戶的*認可，并為其他類似案例帶來較高的工程應用價值。

關鍵字：諧波危害；諧波治理；無功補償；有源濾波；諧波放大

0、引言

由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性設備大量應用，給電網(wǎng)帶來嚴重的電能質(zhì)量問題，大多數(shù)場合對電能質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)無功補償和諧波治理措施已難以滿足當前工況需求， 特別現(xiàn)場后期電力系統(tǒng)增容改造或停運維修，導致系統(tǒng)阻抗發(fā)生改變，影響補償效果，甚至引發(fā)串并聯(lián)諧振，為了彌補缺陷，更好得解決當前工況遇到的電能質(zhì)量問題，本文提出一種“晶閘管控制的串抗無功補償和有源濾波混合補償”方案，并驗證其實際應用效果。

1、諧波的危害

大量諧波在電網(wǎng)中流動加速線路和變壓器等設備損耗，降低使用效率和壽命，降低供電系統(tǒng)的可靠性，增加電力運行成本；諧波易流入電容柜，引發(fā)串并聯(lián)諧振，放大諧波，加速電容老化，不能正常使用，甚至出現(xiàn)鼓肚、漏油等等現(xiàn)象，誘發(fā)供電事故的發(fā)生；高次諧波易引起各類繼電保護和自動裝置的誤動作，使計量裝置和測量儀表產(chǎn)生誤差，導致計量混亂；由于諧波的干擾，降低信號傳輸質(zhì)量，從而影響通訊系統(tǒng)的正常工作?？傊?，諧波將對整個電網(wǎng)存在帶來隱患。

2、常用無功及諧波治理措施

諧波治理和無功功率補償?shù)姆绞接泻芏?，常見無功補償以并聯(lián)電容器組為主，諧波治理主要分為有源和無源兩大類。

傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉在公用電網(wǎng)和工業(yè)系統(tǒng)中得到廣泛的應用，隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一些*的無功補償裝置，比如SVG，盡管如此，并聯(lián)無功電容器無功補償裝置低成本優(yōu)勢使得其仍然是實際電網(wǎng)中用來提高功率因數(shù)的主流裝置。

在諧波治理方面，無源濾波裝置是采用電抗、電容的調(diào)諧原理，在諧波頻次下形成低阻抗通道，吸收諧波。但是其濾波特性很容易受到系統(tǒng)參數(shù)的影響，極易與系統(tǒng)或者其他濾波支路發(fā)生串并聯(lián)諧振；只能消除特定的幾次諧波，甚至對其他頻次諧波有放大隱患；濾波、無功補償、調(diào)壓等要求之間有時難以協(xié)調(diào)；諧波電流增大時，無保護作用，會造成濾波本身過載，甚至損壞設備等，在很多場合使用受到阻礙。

而有源濾波器的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了局面，與無源濾波技術(shù)相比，可實現(xiàn)主動式動態(tài)補償，有極快的響應速度，不受電網(wǎng)阻抗影響，不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的隱患；補償頻次范圍廣，可兼補無功，實現(xiàn)無功的無極可調(diào)，不會出現(xiàn)過補與欠補現(xiàn)象；具有完善的過載保護功能，無需與系統(tǒng)斷開，限幅輸出；補償容量大、體積小，安裝、維護、擴容等作業(yè)方便，使用范圍廣。

3、應用案例簡析

本次以某工業(yè)場合為例，該場合配電系統(tǒng)中分別由兩臺變壓器T1、T2分列運行，所帶負載分別為三套不同馬力VSD測量平臺，基本供電拓撲類似，在每個VSD測量平臺均是并聯(lián)電容柜就地無功補償，據(jù)現(xiàn)場反饋，由于VSD產(chǎn)生的較大諧波引起無功補償裝置損壞，功率因數(shù)低，嚴重影響生產(chǎn)制造，給客戶帶來經(jīng)濟損失，為此對該系統(tǒng)進行詳細檢測，測量示意圖如下圖1所示，測量儀器為：日置PW3198電能質(zhì)量分析儀。

圖1 400V系統(tǒng)測量示意圖

本次對比以419平臺為例，A、B、C為三點同時測量，分別為419馬力變頻器A相經(jīng)過就地無功補償前后以及無功電流情況，測量數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2  419平臺電流數(shù)據(jù)

其中I1為變頻器沒有進行無功補償時A相電流，I2為無功柜A相電流，I3為補償無功后A相電流，I4為SSSDA相電流，可見SSSD諧波含量較小可忽略。通過數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)兩個問題，一是無功柜內(nèi)有諧波灌入，含量高達28.26%，二是變頻器諧波經(jīng)過純?nèi)轃o功補償后嚴重放大，具體放大數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1  419馬力變頻器諧波列表

從表1中可發(fā)現(xiàn)，變頻器產(chǎn)生諧波主要以5/7/11/13次為主，無功補償后，THDi由原來26.34%放大到96.31%，5次諧波由原來55.94A放大到88.35A，7次諧波由原來20.1A放大到37.86A，且在放大諧波后，系統(tǒng)的諧波電流比基波電流大，在變頻器滿載時將會十分危險。

解決上述問題的關鍵在于：需從根本上抑制這種諧振放大現(xiàn)象，若僅用有源濾波（以下簡稱APF）進行諧波治理，并不能避免諧波放大，甚至當APF補償率越高放大效果反而越明顯。

所以對原電容補償支路進行串聯(lián)7%電抗器，抑制5、7次以上諧波流入無功柜，同時避免諧振現(xiàn)象，用晶閘管替換接觸器投切方式，保證過零投切，有無涌流、觸點不燒結(jié)、微能耗等優(yōu)勢，可有效保證無功柜性能和使用壽命。無功柜改造示意如圖3所示。

圖3  無功改造示意圖

無功改造基礎上增加APF進行諧波治理，并聯(lián)于無功柜與負載之間，一段時間使用后，測量效果如圖4~圖9所示，電流波形由馬鞍狀趨向正弦波，電流畸變率由原來32.82%降低至3.91%，電壓畸變率由6.09%降至1.42%，滿足國標GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中諧波電壓不超過5%的限值，當前工況下，無功柜可正常工作，功率因數(shù)得到提高，從跟本上解決諧波放大問題，消除負載諧波電流，使電壓諧波畸變率大大減小，提高供電質(zhì)量，給生產(chǎn)帶來保障。

圖4 補償前電壓電流波形              圖5補償后電壓電流波形

圖6 補償前電流及電流畸變率         圖7補償后電流及電流畸變率

圖8 補償前電壓及電壓畸變率          圖9補償后電壓及電壓畸變率

4、結(jié)論

上述分析說明，該串抗無功補償和APF混合補償方案不但可有效消除負載諧波電流，而且可抑制電容器組對系統(tǒng)諧波的放大，充分發(fā)揮無功柜的經(jīng)濟性和APF濾除諧波的高效性等優(yōu)勢，具有較高的工程應用價值。該方案適用性廣，可廣泛應用于其他行業(yè)的類似工況場合，為電力系統(tǒng)保駕護航。