谐波治理和有源滤波无功补偿装置及应用

2010-09-06黎明化工研究院牛辰卉郭超华

河南科技 2010年16期

黎明化工研究院牛辰卉郭超华李超

谐波治理和有源滤波无功补偿装置及应用

黎明化工研究院牛辰卉郭超华李超

电力电子元件在工业及家用电器领域的普及应用，产生非线性谐波，使电网畸变日益严重，影响电气设备的正常运行。本文介绍一种有源滤波补偿无功功率的方法，该方法用于非线性冲击负荷较大的工业企业和电网，有效滤除电网中高次谐波，使电压畸变率由5.2%降低至1.3%，改善电压质量，提高供、用电设备效率，实现节能降耗。

谐波有源滤波无功补偿电网畸变

一、引言

随着电力半导体器件的不断更新和发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，大功率的整流器、变频器、UPS、计算机、复印机、节能灯等设备会产生大量谐波电流注入电网，使电压波形产生畸变，从而对电网和所有后端用户造成严重危害，因此谐波问题及谐波治理问题随着电力系统的发展愈来愈引起人们的重视。本文以项目实例介绍一种新型无功补偿装置——有源滤波器，该装置可有效抑制电网谐波，使电网电压保持稳定，避免了电容器与系统发生谐振的现象。

二、项目应用实例

1. 项目概况。某项目为年产10万吨过氧化氢项目，项目拟建一10/0.4KV变电站，电源进线引自原110/10KV变电站，采用专线架空敷设，该10/0.4KV变电站设变压器2台，装置内用电负荷均由该变电站供电。

2. 电网现况。过氧化氢项目与原离子膜项目紧邻，共用同一电网。现有装置电容器使用过程中，发生数次电容击穿、烧毁等事故，经初步分析事故原因为：由于离子膜整流装置产生高次谐波注入电网，该谐波电流流入电容器，使之过流发热，同时电容器与电网电感发生并联谐振，导致谐波的放大，造成电容器烧毁事故。

在现场采用谐波检测器对电网中一个支路进行检测。该支路变压器容量为1600kVA，电压等级为10kV/0.4kV，采用D,Yn11联结方式，阻抗电压百分比为4.5%，短路容量为35 MVA。图1为现场测试时所抓拍的电压畸变图和电流频谱图。从图中可以看出，谐波成分以5次和7次为主，根据测试数据分析出5次谐波电流大小为238.6A，7次谐波电流大小为162.2A，5次、7次谐波电流均已超出国标值所规定217A和154A范围，电压畸变率为5.2%，超出国标规定值5.0%。

图1 滤波装置使用前电网侧电压畸变图和电流频谱图

由此可见，现场电网中存在多次谐波，并且谐波污染十分严重。通过对现场调研，离子膜项目中使用的多台整流器，产生大量谐波电流，进而影响电网质量。该项目中无谐波治理装置，仅在离子膜项目的变配电站内设有无功补偿电容器，虽补偿后全厂功率因数已达0.9以上，满足国标要求，但这种传统无功补偿方式通过配置固定电抗率的电抗器，仅能抑制相应次数的谐波电流，对治理电力系统中存在的多次谐波效果不佳。这会导致多种安全问题，如变压器温度过高，输出功率降低；电机产生脉动，噪声增大；中性点温度过高导致保护跳闸等，这些问题都会影响电网的安全运行。

3. 设计方案。针对项目中使用整流器较多，谐波污染严重的情况，经论证比较，可采用有源滤波装置进行治理，故在企业内部电网的主电路上装设一套有源滤波装置。

有源电力滤波器能实时监视线路中的电流，将谐波与基波分离后，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。有源滤波器有很快的响应速度，对变化的谐波和无功功率都能实现动态补偿，可以同时滤除多次谐波，特别是高次谐波，其补偿特性受电网阻抗参数影响较小。

本项目中有源滤波装置采用并联方式，它主要适用于电流源型非线性负载的谐波。并联的有源滤波器特性不受系统阻抗影响，不会与电网发生谐振，可以适应各种复杂的工况，且在装设过程中便于安装。图2为并联有源滤波器的原理框图。图中Is—系统电流；It—检测电流；Ic—补偿电流分量。

图2 并联有源滤波器原理框图

有源电力滤波器通过并联的方式连接到该项目电网的主电路中，在主电路中实时检测并分离出谐波电流，然后控制逆变电路产生一个与该谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流分量，注入到主电路中抵消原谐波电流，达到实时补偿谐波电流的目的。

有源滤波设备投运后，原有的变压器和电机出现的温度过高和噪声较大的现象均得到明显改善。再对装设有源电力滤波装置后的电网进行了现场检测，检测结果表明：治理后5次、7次谐波电流分别下降为76.2A、55.3A，电压畸变率下降为1.3%。如图可见（图3）电压电流波形变得比较光滑，波形畸变也得到很大改善，各主要次数谐波均实现有效滤除，滤波效果明显。

图3 使用并联有源滤波器后电网侧电压畸变图和电流频谱图

装设有源滤波装置后，系统中的各项电能质量指标均达到国标标准，所有的电力负载运行正常，整个生产线设备运行稳定。

三、结论

本项目采用有源滤波器补偿效果较好，达到了设计要求。

（1）补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，实现动态补偿和精确补偿；

（2）滤波特性不受系统阻抗等的影响，消除与系统阻抗发生谐振的危险；

（3）具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，具有高度可控性和快速响应性，实现平滑调节。

补偿后电网功率因数达到0.95以上，各主要次数谐波均有效滤除，其中5次和7次谐波电流由238.6A和162.2A，分别降至76.2A、55.3A，电压畸变率由5.2%降低至1.3%，改善了电压质量，避免了谐波的放大及谐波对电器造成的附加损耗和过电压影响，延长了设备寿命。同时，该装置有效降低线损，稳定电压，降低电气故障率、提高电能使用效率，取得较大的经济效益。