基于波阻尼电压谐振抑制系统的电能质量治理在整流供电系统中的研究和应用

2021-02-06孙全成李晓宁王英哲赵乐乐

中国氯碱 2021年1期

孙全成，张磊，李晓宁，王英哲，赵乐乐

（河南神马氯碱发展有限责任公司，河南平顶山467242）

1 整流供电系统存在的问题

1.1 整流系统供电运行现状

10 万t/a 离子膜烧碱整流系统供电有两条35 kV 线路，供电方式特殊，在电网下电的同时还有部分发电机发电，一条回路中升压、降压变压器多，供电线路长达7 km，架空地埋混合，每条35 kV 线路各带2台容量为1250 kVA 整流变压器。每台整流柜额定容量为KHS—15 kA/400 V，每台整流柜带一台离子膜电解槽。整流柜的主电路采用三相桥式同相逆并联形式，单柜6 脉波，一套机组组成等效12 脉波。共4 套机组8台整流柜，组成等效48 脉波。该35 kV 线路除了低次谐波外，还有很大的高次谐波，危害颇深，多次造成高压电缆绝缘击穿，地埋且长度长，电缆故障后，查找故障点非常难，有时长达半个月，给该公司的安全生产造成严重影响。

总之该线路带载能力差，功率因数低，谐波严重超标，供电电缆多次发生绝缘击穿事故，对上级供电系统的安全运行存在影响。

1.2 波阻尼电压谐振抑制系统在整流供电系统中的研究和应用必要性

系统功率因数较低，功率因数不达标。无功量及电压波动较大，整流柜的导通角不易控制，给整流系统的安全运行带来隐患，如电压波动大，有载开关频繁升降档，直流电流波动大，造成工艺后续控制难度大等等。供电线路带载能力差，尤其35 kV 氯Ⅱ线，线路导线截面积（YJLV-35/26 kV-3×240）相对所带负荷（1.7 MW）偏小，导线存在发热隐患，限制满负荷生产。供电线路的谐波电压、谐波电流严重超标，经谐波测试，谐波电流11，13，17，19，23，25 次均超标，高的超过国标限值2 倍多，谐波电压总畸变率（19%）超国标（3%）6 倍多。

1.3 整流供电系统电能质量测试状态

（1）电压闪变。C 相的长时间电压闪变为1.021，超过国标限制1.00 的要求。

（2）电压偏差。A、B、C 三相供电电压上下偏差绝对值的和依次为4.66%、8.02%、11.10%，C 相超过规定限值10%的要求，不符合国家标准。

（3）三相电压允许不平衡度。供电系统各测试点的三相电压允许不平衡度均符合国家标准要求的限值。

（4）谐波电压现状。35 kV I 段A、B、C 三相电压总谐波畸变率的95%概率值分别为17.91%、19.03%、18.86%，超过国标允许值3%，不满足国标限值要求。其中19 次谐波电压畸变率分别为15.81%、15.73%、15.84%；23 次谐波电压畸变率分别为7.69%、7.53%、7.40%；25 次谐波电压畸变率分别为4.93%、4.95%、5.19%；均超过国标允许值2.4%。

35 kV II 段A、B、C 三相电压总谐波畸变率的95%概率值分别为9.601%、9.387%、9.759%，超过国标允许值3%，不满足国标限值要求。其中19 次谐波电压畸变率分别为3.01%、3.82%、3.10%；23 次谐波电压畸变率分别为3.96%、4.03%、3.811%；25 次谐波电压畸变率分别为4.422%、4.037%、4.967%；均超过国标允许值2.4%。

（5）谐波电流现状。35 kV I 段A、B、C 三相19 次谐波电流95%概率值分别为7.12 A、6.92 A、7.22 A，超过了该回路19 次谐波的允许限值4.63 A。23 次谐波电流95%概率值分别为3.12 A、3.21 A、3.13 A；25 次谐波电流95%概率值分别为2.44 A、2.57 A、2.64 A。

35 kV II 段A、B、C 三相11 次谐波电流95%概率值分别为9.3 A、9.27 A、9.12 A，超过了该回路11次谐波的允许限值8.11 A；13 次谐波电流95%概率值分别为6.97 A、7.15 A、7.3 A，超过了该回路13 次谐波的允许限值6.81 A。23 次谐波电流95%概率值分别为2.86 A、2.83 A、2.67 A；25 次谐波电流95%概率值分别为2.63 A、2.63 A、2.92 A。有功功率、无功功率及功率因数现状统计见表1。

表1 功率和功率因数情况表

该公司电网高压侧电能质量现状表现为谐波、功率因数、电压偏差和闪变不满足要求，其主要原因是该公司主要负载为整流设备会产生大量谐波，同时无谐波治理设备。尤其是其中的高次谐波以波的形式通过较长的电源进线电缆产生多次折反射，使得高次谐波问题更为突出。

2 波阻尼电压谐振抑制系统的优点

（1）采用IGBT 管级联直挂式进行35 kV 高压供电系统电能质量治理（属国内首次），改变常规的经变压器变压后再连接。在国内首次采用电抗器+IGBT 直挂式主电路拓扑结构，而非普遍的变压器+IGBT 结构，提高了系统的响应时效，精化了数据采集桢幅，实现了精准、高效的收集及控制。在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，该设备的性能大大优于传统装置；静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响。

（2）采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维护费用；同时，可通过电网调度自动化系统（SCADA/EMS）实现无功潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统（DPS）的组成部分；控制灵活、调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，响应速度可达毫秒级。

（3）连接电抗小，该设备接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR 等SVC 装置所需的电感量，如果使用降压变压器将该设备连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，使所需的连接电抗器进一步减小。

（4）谐波量小，在多种型式的SVC 装置中，SVC本身产生一定量的谐波，如TCR 型的5、7 次特征谐波量比较大，占基波值的5%～10%；其他型式如SR、TCT 等也产生3、5、7、11 等次的谐波，这给SVC 系统的滤波器设计带来许多困难，而该设备则可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11 等次谐波减小到可以接受的程度。

（5）该设备中的电容器容量小，在网络中普遍使用也不会产生谐振，而使用SVC 或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生；由于对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使该设备装置的体积小、损耗低。

（6）对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即该设备产生无功电流基本不受系统电压的影响；该设备的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部系统容量与补偿装置容量可比时，SVC 将会变得不稳定，而该设备仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压。

（7）该设备的直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源（如蓄电池组）后，不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。对于电力网来说是非常有益的，这是SVC 装置所不能比拟的。

3 波阻尼电压谐振抑制系统的应用

3.1 应用研究的思路

对于测试中发现谐波超标的问题，用无功补偿装置SVG 装置配套波阻尼电压谐振抑制系统（SVG）的方式进行综合治理。因为SVG 可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM 技术来进行处理，可使低次谐波减小到可以接受的程度，而35 kV I 段和35 kV II 段除了低次谐波外，其高次谐波也很大，如35 kV I 段A、B、C 3 相19 次谐波电流、23 次谐波电流、25 次谐波电流等；35 kV II段A、B、C 3 相23 次谐波电流、25 次谐波电流等，因此需要无功补偿装置SVG 装置配套波阻尼电压谐振抑制系统（SVG+ZN）的方式进行综合治理。

3.2 系统采用主要设备

本次采用SVG 装置和波阻尼电压谐振抑制系统进行综合治理，SVG 的主电路主要包括控制系统、IGBT 功率变换器和电抗器部分。通过对功率变换器的控制，可以调节功率变换器的输出电压，进而调节电抗器上的电流，使SVG 吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的；同时使SVG 产生指定的谐波来补偿负荷中的电流谐波，实现谐波补偿的目的。阻尼电压谐振抑制装置有电抗器、电容、反波电阻等组成，可以滤除高次谐波。