有源滤波与无功补偿装置在糖厂的应用

2020-09-25杜科毅莫若华庞金标蒙文芳江泽豪

广西糖业 2020年4期

杜科毅，莫若华，庞金标，蒙文芳，江泽豪

（1.中粮屯河崇左糖业有限公司，广西崇左 532200；2.胜业电气股份有限公司，广东高州 330520）

1 引言

中粮屯河崇左糖业有限公司是一家以甘蔗为基础原材料加工蔗糖为主的专业公司。在工厂内负载类型主要是车间生产用压榨机、减速机、真空泵、消防泵等电机类负载以及直流调速器、变频器这类AC-DC转换设备，为典型的非线性和冲击性负荷。其工作时会导致电网电压波动、闪变以及谐波等电能质量问题，影响系统及周围设备的正常运行，并造成极大的设备安全隐患。

2 企业供电系统简况

压榨车间榨机馈线共三台690V的变压器：1#变压器容量为4000kVA、2#变压器容量为4000kVA和3#变压器容量为2000kVA。其中1#、2#变压器低压侧分别配置两台300kvar电容补偿柜TSC，3#变压器无补偿。糖厂压榨车间直流电机较多，且用电负荷非常大。压榨车间榨机馈线如图1所示，其中虚线框内为新增设备。

图1 压榨车间榨机馈线

2.1 改造前供电系统主要问题和原因分析

2.1.1 主要问题

一是功率因数低只有0.74，达不到功率因数大于0.90的要求。

二是变压器噪声大，油温高经常达到80℃。电缆线温度高。

三是系统在满负载时即单位时间内压榨甘蔗量过大时，会出现电压跌落的情况，当出现该情况时功率因素最低为0.4左右。

四是无功补偿柜电容器衰减比较严重，出现故障不能正常工作。电缆、铜排等设备过热，绝缘老化。2.1.2 原因分析

糖厂压榨车间能耗占据全厂能耗60%以上，榨机能耗在压榨车间占比70%，所以解决榨机能耗问题是糖厂节能降耗的关键。根据压榨现场直流电机、直流调速器特性，我们分析基本认定这些问题是榨机在运行过程中，由于蔗层的不稳定，导致榨机频繁调节速度，致使榨机自控系统中谐波电流含量较大引起。电容器投入后，谐波电流放大，从而导致电容器支路和熔断器等设备发热，引起电容器长时间过温衰减，电缆、铜排等设备过热。

功率因数低只有0.74，大量无功由变压器提供，加之存在大量的谐波电流，增加了大量的线路损耗和加重了变压器的负担。由于线路损耗是以热能的方式消耗掉，无形之中增大了设备运行温度，严重降低设备的使用寿命。由于电容器衰减故障，不能正常工作，造成功率因数偏低，变压器使用率低。

2.2 谐波和电能质量简述

正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变，正弦波形畸变成不规则非正弦波形，对非正弦波进行傅立叶分解，除了基波频率的电量，其余大于基波频率如：150、250、350Hz等的电流产生的电量，称为谐波。

在工业生产和日常生活中，广泛的使用各种整流功能的电力电子装置都是非线性负载，如直流电机、UPS、变频器、电弧炉、中频炉、机车直流牵引系统、可控硅调光系统、电梯、荧光灯、电脑办公设备、变频空调等。这些非线性负载产生大量谐波电流，注入电网。

电能质量是指关于谐波、三相不平衡、频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、暂时或瞬态过电压、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性一系列供用电的问题。随着科学技术的发展与人们对电能使用要求的提高，电能质量已经成为维护电子设备稳定运行、制约经济发展与生产提高的一个关键要素。

2.3 无功功率的影响和谐波的危害

2.3.1 无功功率对公用电网的影响

第一，增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

第二，设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。

第三，使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

2.3.2 谐波对公用电网和其他系统的危害

第一，谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

第二，谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

第三，谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，甚至引起严重事故。

第四，谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

第五，谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失。

3 供电系统改造后

3.1 压榨车间变压器新增装置

2017年8月，为了集中治理对压榨车间现场进行了改造，其中1#、2#变压器分别新增了2台300kvar无功补偿柜TSC，1台300A有源滤波柜APF。3#变压器新增了2台300kvar无功补偿柜TSC。装置投入后，解决了电能质量问题。功率因数达标，收到了较好的经济效益。压榨车间变压器新增装置，如表1所示。新增设备现场图，如图1所示。

表1 压榨车间变压器新增装置表

图2 压榨车间变压器新增的设备现场图

3.2 新增装置结构特点

本次改造的目的是满负载运行时功率因数达到0.9以上，提高生产效率，节省电费；在有限的投资成本下，最大化进行谐波有效治理。有源滤波和无功补偿装置由有源滤波柜、无功补偿柜组成。

3.2.1 有源滤波柜

有源滤波器与传统技术相比具有特殊优势，宽范围滤波、单柜大容量、模块化设计、标准化柜体，这些优势使其能轻松解决电能质量问题。

滤波效果＞95%。

补偿方式：根据现场需求可对谐波补偿、无功补偿、不平衡补偿模式进行优先设定，并可实现多台并联运行。

动态全响应时间：响应时间≤100us；全响应时间≤10ms。

滤波范围：2～25次可任意选定滤波次数，满足25～50次集中滤波。

启动方式：软启动，无冲击启动。

治理效果：通过谐波治理，有明显的电能质量改善效果。

主要核心器件：设计裕量充足，过载能力强，装置运行稳定可靠。IGBT选用国内外知名品牌IGBT器件；控制器选用美国TI及Altera公司的处理器芯片，控制架构成熟稳定。

装置实现全自动控制设计，自动检测并跟踪电网谐波变化，投运后定期维护即可。

有源滤波装置独立于电网阻抗及系统阻抗，不受电网阻抗和系统阻抗变化的影响。

功率损耗：装置采用专有的散热系统设计，成套装置损耗小于总容量的3%。

控制系统采用特有的软启动方案，从而消除投退瞬间对电网的扰动，实现对电网的无冲击启动。

3.2.2 无功补偿柜

采用可控硅投切开关，过零投切，无涌流，性能可靠，损耗小。具有超限保护报警功能，报警值可由用户自行设置，具有手动和自动二种控制方式，便于调试。

电容器：采用特殊设计，降低自身发热、增大场强延长使用寿命长，损耗小，可长期在线投入使用。具有双重保护即过压力防爆功能，二次温度保护。

电抗器：采用干式铁芯铜线电抗器，具有损耗低，电抗器正常运行时温升不超过40K。抑制5次以上谐波的放大及谐振现象的发生，并滤除部分谐波。

图3 APF投入前后的电流畸变率

图4 APF投入前后的功率因数和电能

3.3 改造后的综合效益

3.3.1 改造前后数据对比

用FLUKE435电能质量分析仪在现场对变压器配电系统进行电能质量测试，测试数据如图3和图4所示，其中数据仅体现当时工况。图3中APF投入前，在相同负荷下，压榨榨机馈线电流畸变率为22.8%；APF投入后，在相同负荷下，压榨榨机馈线电流畸变率下降到12.8%，降低了10个百分点。图4有源滤波装置和无功补偿系统投入前，压榨榨机馈线功率因数只有0.74；有源滤波装置和无功补偿系统投入后，压榨榨机馈线功率因数达到0.95，高出国家要求0.05个百分点，其中国家要求系统功率因数不能低于0.9。

2017年新增了有源滤波装置压榨车间榨机馈线未出现故障情况。2017年以前未增加时设备故障情况，如表2所示。改造前，功率因数只有0.74，电网中还存在大量的谐波电流，对其他设备产生一定的影响。其中APF未投运前，电网电流畸变率达到22.8%，主要以5次和7次谐波为主。其中，5次谐波电流平均值达到491A，无功补偿投入后，功率因数提高到0.95。APF投运后，5次谐波电流平均值为220A，5次谐波电流共滤除271A，设备总容量为300A，因为5次总谐波电流超出设备总容量的300A，所以，滤除率按照设备容量计算，5次谐波电流滤除率=271/300=90.3%；APF投运前，7次谐波电流平均值为115A，投运后，7次谐波电流平均值为9A，7次谐波电流共滤除106A，7次滤除率=106/115=92%，分别到达技术要求。