硅工业园区电能质量评估与治理

李海，覃日升

(1.云南电网有限责任公司丽江供电局，云南 丽江 674100；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

硅工业园区电能质量评估与治理

李海1，覃日升2

(1.云南电网有限责任公司丽江供电局，云南 丽江 674100；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

随着云南硅工业园区越来越多，硅工业园区的非线性负荷引起电能质量污染问题也越来越严重，电能质量评估和治理研究也越来越受各个方面的关注。本文针对硅工业园区引起的电能质量污染进行评估，在此基础上提出了合理的治理措施。

硅工业园；电能质量；评估；治理措施

0 前言

硅厂主要的负荷特性均为交流电弧炉 (EAF)。EAF炉是冲击性负荷，其冶炼过程分为熔化期和精炼期。电力负荷在熔化初期 (起弧、穿孔、到塌料阶段)变化剧烈，而在精炼期负荷逐渐趋于稳定。从大量测试数据分析可知，该类负荷会引起较大的无功负荷波动，产生电压波动及闪变；另外EAF炉作为非线性负荷，在运行中将产生2次及以上的谐波电流；EAF炉是不对称负荷，最严重状态为二相短路，一相开路，在此工况下，将产生很大的负序电流，造成三相不平衡。即EAF引起的主要电能质量问题是：

1)谐波电流超标；

2)三相电压不平衡度超标；

3)闪变超标。

因此进行硅工业园区电能质量评估与治理研究对云南电力市场的发展有实际指导作用。文中对怒江硅工业园区的电能质量开展现场测试，在测试的基础上搭建仿真平台，开展对应的评估和治理研究，提出相应的改进措施，有效地改善硅工业园区电能质量污染问题，为其他硅工业园区的建设有提供的可供参考的技术方案。

图1 2010年怒江硅工业园区供电方式

图2 2016年怒江硅工业园区供电方式

测试时，怒江硅工业供电方式图1所示，硅工业园区负荷全部由110 kV金岭变提供，分别为宏鑫 (2台)、金盛 (1台)、宏盛 (3台)三户硅厂共6台电弧炉供电。针对硅工业园区各供电专线路进行电能质量检测，测试的主要电能指标包括谐波电流含、谐波电压、闪变及负序等，测试结果如下表所示：

表1 不同类型容量的电炉参数谐波电流含有率汇总

电弧炉在工作过程中，产生大量的谐波，针对测试数据分析可知：8 000 kVA和12 500 kVA的电弧炉工作过程中产生的谐波电流以2和3次谐波为主，4次和5次谐波电流次之；如果不采取治理措施，电弧炉所产生的谐波向高一级电网渗透，将导致上一级电网谐波电压、电流超标的同时，引起母线电压波动和闪变超标，危及电网安全及经济运行。

1 硅工业园电能质量评估

按照怒江硅工业园区的规划方案，16年间怒江硅工业园区将增长到7户，分别为宏鑫、宏盛、金盛、金志、康华、瑞巍、鼎盛硅厂共39台冶炼炉，总负荷将达556 MW。其中，220 kV 5户硅厂13回线路共15台电弧炉，110 kV金岭变供4户硅厂12回线路共24台电弧炉，规划中硅工业园区的负荷发展情况如图3所示。

参照电网运行方式，本文将根据硅工业园的运行方式开展电能质量评估，评估的内容主要包括：谐波潮流，三相不平衡度以及电压波动和闪变等，涉及的运行方式为：

1)对220 kV崇仁站1#进线运行，崇仁站220 kV母联运行，崇仁站1#变和2#变并列运行，共同负担19万kVA的硅工业园区负荷，崇金线备用，110 kV称金线供金岭变；

2)崇仁站除负担19万kVA的硅工业园区负荷外，崇金线运行送110 kV金岭变35 kVⅡ段母线，负担1/2金岭变负荷，110 kV称金线供金岭变35 kVⅠ段。

图3 硅工业园区的负荷发展情况

1.1 谐波潮流评估

参考 《规程》中对同次谐波叠加的相关规定，建立谐波电流源，从而进行仿真。根据不同运行方式，谐波潮流的评估如表4所示：

由表4可知：当金岭变12回硅工业园区负荷投运后，110 kV称金线的3、5次谐波电流将严重超标。与称金变相比，崇仁变的情况要好很多，这主要是由于崇仁变的系统短路容量较大。即使这样，当崇仁变负担13回硅工业园区负荷后，也还会出现3、5次谐波电流超标的情况。当崇金线运行负担金岭变35 kV一段母线负荷后，也会出现3、5次谐波超标的情况，会对与崇金线同一条母线的其它回路产生影响。总之，无论采用何种运行方式，崇仁变和金岭变谐波电流超标的情况都比较突出，应当采取合适的治理措施解决。

表4 谐波潮流评估汇总

1.2 三相电压不平衡度评估

由电弧炉工作特性可知，EAF炉是不对称负荷，电炉运行时三相电极点弧很不稳定，如一相电极断开，其余两极点弧 (即二相短路，一相开路)时，将向电网注入负序电流。可能会引起母线各节点三相电压不平衡度超标。为了充分了解硅工业园引起电网各节点的不平衡度程度，对4台电弧炉运行情况下，进行三相电压不平衡度评估如表5所示：

表5 三相电压不平衡度评估

由上表得出：电弧炉对电网不平衡度影响程度主要与接入点的短路容量、系统阻抗及电弧炉短网阻抗等有关。即：炉变至各母线的系统阻抗越大，影响越小；炉变接入点短路容量越大，影响越小；短网阻抗越小，影响越大。总之，多台及以上电弧炉发生弧光相间短路时，均会引起220 kV崇仁变电站110 kV母线和35 kV母线三相电压不平衡度超标，因负序电流流入电动机或发动机，会引起震动和发热，可能会引起该地区小水电机组跳机，威胁到该地区供电的可靠性和稳定性。

1.3 电压波动和闪变评估

电弧炉引起的闪变与短网阻抗大小、电弧炉炉变档位、电弧炉运行工况等有关，进行的电压波动和闪变评估如表6所示：

表6 电压波动和闪变评估

由上表可以看出：220 kV崇仁变电站35 kV母线带4台电弧炉运行时，该电弧炉群引起220 kV崇仁变电站的闪变值为：0.94(110 kV母线)、0.33(220 kV母线)。即：在3台及以上电弧炉同时运行运行工况下，会引起220 kV崇仁变电站110 kV母线电压闪变超标。

2 评估分析与治理措施

2.1 评估分析

通过对硅工业园进行电能质量测试分析，结合仿真分析得出以下结论：

1)随着建设规模的不断增加，怒江硅工业园产生的谐波向上一级电网渗透，引起谐波电流和谐波电压超标程度逐步上升。

2)电弧炉对电网不平衡度影响程度主要与接入点的短路容量、系统阻抗及电弧炉短网阻抗等有关。即：炉变至各母线的系统阻抗越大，影响越小；炉变接入点短路容量越大，影响越小；短网阻抗越小，影响越大。随着电弧炉群规模的上升，而积数上升。因负序电流流入电动机或发动机，会引起震动和发热，可能会引起该地区小水电机组跳机，威胁到该地区供电的可靠性和稳定性。

3)110 kV金岭变电站12回线、220 kV崇仁变电站35 kV4回线满负荷运行后，引起220 kV崇仁变电站和110 kV金岭变母线电压波动和闪变严重超标。

2.2 治理措施

针对以上评估暴露的质量问题，采取分两步加以解决：

1)减小主要次谐波 (3次)向上一级电网渗透

据现场可知，当前已投入运行的各台电弧炉采用的无功补偿方式多数为在炉变35 kV侧装设安装容量为1 080 kVAR，串抗率为12%或6%的无功补偿装置，其滤波的效果较差。针对硅工业园谐波特点及现场安装地点限制等因数综合考虑，把无功补偿装置配置为3次滤波装置，减小3次谐波电流向上一级电网渗透。 (康华、瑞金)参照配置如下：

表7 滤波器参数一览表

滤波器投入后的滤波效果如下：

3次 4次 5次谐波电流(A) 9.6 4 4.6滤除后谐波电流(A) 2.61 3.6 4.27滤除率(%) 72.81 10.00 7.17国标限值 1.56 2.25 1.81

由上表可知，当滤波器投入后，滤波器对3次谐波电流有明显的滤波效果。

2)电压波动与闪变、三相电压不平衡度及谐波集中治理

就硅工业园各厂实际情况，要求各厂对每一台电弧炉进行单独治理，受资金、安装场地等因素限制，治理的难度较大。综合考虑各种条件优化后，硅工业园宜采用集中治理的方法较为经济。即在220 kV崇仁变电站和110 kV金岭变35 kV各段母线上加装一套SVG动态无功补偿装置，该装置响应时间小于5 ms，对三相电压不平衡度、电压波动与闪变抑制有很好的效果，同时对7次及以下的谐波有较好的滤波效果。其安装容量确定为：

1)220 kV崇仁变电站35 kV母线SVG安装容量的确定：同一条母线向多台电炉同时供电时，引起的综合无功冲击按四次方经验公式计算：

因此，根据公式，确定滤除4台电弧炉产生的谐波电流 (叠加值为24.5 A)安装容量为1. 45 MVA；4台电弧炉引起的无功波动综合效应值为4.24 MVA；为了确保SVG投入后，35 kV母线闪变值在国标限值 (0.9)内，可计算出SVG (动态无功补偿部分)的计算安装容量 2.12 MVA；因此，该母线上SVG的综合安装容量为2. 56 MVA，考虑一定的冗余后取SVG最终安装容量为3 MVA。

2)110 kV金岭变电站35 kV母线SVG安装容量的确定：110 kV金岭变电站35 kV各有6条出线共12台电弧炉。确定SVG安装容量如下：

谐波次数 35 kV 6回出线2次(A) 11.269 3次(A) 51.840 8 5次(A) 23.077 3总谐波电流(A) 57.8

由上表可确定滤除谐波所需要SVG计算安装容量为3.5 MVA。

每一条母线6台电弧炉引起对最大无功波动值为4.69 MVAR；为了确保SVG投入后，35 kV母线电压闪变值在国标限值之内，可得SVG的安装容量为3.75 MVA。两者综合考虑可确定SVG计算安装容量为5.13 MVA，考虑一定的冗余后取SVG最终安装容量为6 MVA。

3 结束语

对硅工业园区的电能质量以及非线性负荷(如电弧炉)对电网谐波的影响，进行了评估，掌握了第一手的稳态电能质量数据，来提出整改措施和建议，有效地减小用户的二次投资，同时也能够满足电力市场对电能质量要求。在电力市场发展过程中，为了能够有效治理电能质量污染问题，可以根据电能质量等级合理地制定电价，实现电能的 “按质论价”。这样，用户可以针对不同的需求选择不同的电能特征水平交纳不同的购电费用，以期引导供电企业根据用户的需求，给予最为经济、可靠地供电，又能够有效地控制好电能污染等一系列问题的发生。

[1] 程浩忠.电能质量概论 [M].中国电力出版社，2008-04 -01.

[2] 陈海昆，董瑞安.地区电网电能质量测试及评估 [J].上海电力，2005(3).

[3] 顾伟，蒋平.地区电能质量评估及综合治理研究 [J].电力需求侧管理，2003，4，5(2)

[4] 邓霏，周有庆，等.电弧炉谐波电流的产生和抑制 [J].电气开关，2000(1).

[5] 刘颖英.智能化电能质量综合评估方法分析与比较研究[D].北京：华北电力大学，2007.

[6] 陈磊，徐永海.浅谈电能质量评估的方法 [J].电气应用，2005，24(1).

[7] 韦永忠，郑爱霞，等.江苏电网电能质量评估方法及应用[J].江苏电机工程，2011，9.

Evaluation and Management of Power Quality in Typical Silicon Industrial Park

LI Hai1，QIN Risheng2
(1.Lijiang Electric Power Supply Bureau，Yunnan power grid co.，LTD，Lijiang，Yunnan，674100，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

With the increasing number of silicon industrial parks were build in Yunnan，the problem of pollution caused by nonlinear load power quality in silicon industrial park is becoming more serious，power quality evaluation and management research is also getting more attention by all aspects of governance research.Based on the evaluation of the pollution caused by silicon industrial parks，this paper presents same rational control measures.

silicon industrial parks；power quality；evaluation；control measures

TM73

B

1006-7345(2015)04-0022-05

2015-02-10

李海 (1986)，男，助理工程师，云南电网有限责任公司丽江供电局，主要从事调度运行、电能质量研究工作 (e-mail) 499780792＠qq.com。