低壓無功補(bǔ)償裝置改造中APF的應(yīng)用

楊玉潔，徐開軍

（中鹽吉蘭泰鹽化集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古阿拉善烏斯太經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)750336）

1 引言

電力系統(tǒng)中常見的用電設(shè)備如異步電動機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中需要向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設(shè)備的效率，無功補(bǔ)償設(shè)備的配置，應(yīng)按照“分級補(bǔ)償，就地平衡”的原則，合理布局。

水泥行業(yè)變壓器大都處于高無功運(yùn)行狀態(tài)，不補(bǔ)償時(shí)功率因數(shù)一般低于0.8，其電網(wǎng)上大量的無功損耗及電壓降最終導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)效率不高，而且能耗增加，每月用戶需要多支付很多無功電費(fèi)。

電網(wǎng)上產(chǎn)生的無功功率如果得不到補(bǔ)償，會增加變壓器的負(fù)荷，而且線路損耗增加，這部分損耗白白浪費(fèi)，給用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。要改變此現(xiàn)狀，只能進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低線路損耗。

某公司年產(chǎn)40 萬噸聚氯乙烯項(xiàng)目的配套項(xiàng)目，年產(chǎn)能力為水泥106 萬噸、熟料75 萬噸。遵循清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則和要求，充分利用豐富的電石渣、粉煤灰等原材料優(yōu)勢，采用半干法生產(chǎn)工藝，通過“三磨一窯”主體設(shè)備進(jìn)行水泥生產(chǎn)。窯尾配電室是提供回轉(zhuǎn)窯動力的主要配電室，配電室主要負(fù)荷為靜電除塵器、回轉(zhuǎn)窯直流電機(jī)等大量非線性感性負(fù)載。

2 水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾配電室電容補(bǔ)償設(shè)計(jì)及改造前的使用情況

水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾配電室變壓器銘牌為額定容量：1600kVA，額定電流：（高壓側(cè)）92.4（低壓側(cè)）2309.4A，短路阻抗：5.99%，主要負(fù)荷：回轉(zhuǎn)窯直流電機(jī)2 臺，ZSN4－355－12，功率420kW；轉(zhuǎn)速1000r／min，直流電壓440V，電流1020A，使用ABB DCS800 直流調(diào)速器控制；靜電除塵器共4 個(gè)電場，4 臺單相變壓器380V／72000V 268A／1A；其他為電機(jī)負(fù)荷和照明負(fù)荷等。原設(shè)計(jì)窯尾配電室電容補(bǔ)償容量為500kVAR。目前低壓側(cè)已經(jīng)裝設(shè)500kVAR 的TSC 補(bǔ)償，補(bǔ)償電容器型號及數(shù)量：BSMJ 0.48－27－1X9，BSMJ 0.48－30－1X9。

2011年6月，對水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾低壓配電室低壓無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行投運(yùn)，但在投運(yùn)過程中發(fā)現(xiàn)存在電容器投運(yùn)后過流，電抗器發(fā)熱等問題，導(dǎo)致窯尾低壓配電室低壓無功補(bǔ)償裝置無法投入運(yùn)行。懷疑為受諧波因素的影響，因此使用諧波檢測設(shè)備對水泥窯尾低壓配電室進(jìn)行諧波檢測。結(jié)果如圖1及表1所示。

圖1 諧波檢測結(jié)果

分析：窯尾電氣室母線上存在較大的2次諧波，電流最高時(shí)達(dá)369.2A，3 次諧波為106A 左右，4 次諧波89A 左右，5 次諧波139A 左右，7 次諧波59A 左右，諧波嚴(yán)重超標(biāo)，在現(xiàn)場沒有投運(yùn)電容前，變壓器成周期性的振動和發(fā)出異常響聲。補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行時(shí)，諧波電流都會經(jīng)過電容進(jìn)行流轉(zhuǎn)，而且在現(xiàn)場還出現(xiàn)電壓諧波，有時(shí)達(dá)到3.4%左右，這也是對電容器壽命有影響的一個(gè)因素。導(dǎo)致電容器投運(yùn)后過流，并且電抗器發(fā)熱，最終不能投運(yùn)甚至導(dǎo)致補(bǔ)償裝置損壞燒毀。必須采取諧波治理，否則變壓器繞組中有諧波存在，便會增加變壓器的負(fù)荷，導(dǎo)致變壓器過載，長期過載嚴(yán)重的情況會導(dǎo)致變壓器燒毀。

3 窯尾無功補(bǔ)償裝置改造的技術(shù)方案

改造分為兩部分：一是保障無功補(bǔ)償裝置正常進(jìn)行補(bǔ)償，必須對電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行治理，選用有源在線濾波裝置；二是增加無功補(bǔ)償裝置容量。

3.1 有源在線濾波裝置

根據(jù)現(xiàn)場諧波情況選用有源在線濾波裝置APF（Active Power Filter，簡稱APF），是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP 器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT 或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動消除電力諧波。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。APF 裝置并聯(lián)在系統(tǒng)和用戶設(shè)備之間，其主要功能是在電網(wǎng)供電過程中當(dāng)負(fù)載側(cè)產(chǎn)生諧波和無功電流時(shí)，保證系統(tǒng)側(cè)沒有諧波電流和無功電流，使用戶其他關(guān)鍵敏感設(shè)備得以在近似不受干擾的電氣環(huán)境中正常運(yùn)行，并且不會污染電網(wǎng)。

圖2 三相電流諧波總有效值變化曲線

表1 檢測結(jié)果

如圖2所示為三相電流諧波總有效值變化曲線。

因諧波電流A 相237A，B 相331A，C 相235A，故需裝設(shè)300A 三相三線制APF（APF 的投入需要采集總開關(guān)電流和總補(bǔ)償電流）。

3.2 無功補(bǔ)償容量增加

現(xiàn)場不投運(yùn)時(shí)功率因數(shù)為0.56 左右，如果補(bǔ)償?shù)?.95，需要補(bǔ)償無功為1140kVAR 左右。但現(xiàn)場裝設(shè)的容量為500kVAR，再加裝640kVAR 容量后功率因數(shù)可以達(dá)到0.95 及以上。

補(bǔ)償裝置采用晶閘管作為無觸點(diǎn)投切開關(guān)，晶閘管型號為CPE－KKG－116A，耐壓等級2kV。根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流及無功功率情況，由控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行動態(tài)分析、過零判斷，實(shí)現(xiàn)快速、無沖擊的投入電容器組，從而補(bǔ)償線路中的無功功率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。采用過零投切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無涌流、無沖擊、無電弧重燃，快速跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷無功變化，實(shí)時(shí)動態(tài)響應(yīng)投切。在設(shè)定的動態(tài)響應(yīng)范圍內(nèi)，多組補(bǔ)償一次到位，采用智能無功補(bǔ)償終端控制，智能化投切方式，實(shí)現(xiàn)無人值守。裝置還具有過壓、欠壓、過諧等多種數(shù)字保護(hù)功能。同時(shí)裝置具有外部停電時(shí)自動退出，送電后自動恢復(fù)等功能。

4 窯尾無功補(bǔ)償裝置改造后的效果

2013年7月對窯尾配電室無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了改造，增加了有源在線濾波裝置和對無功補(bǔ)償裝置增容。

4.1 電流濾波前后的測試結(jié)果

如圖3所示為濾波前電流波形和諧波電流柱狀圖，圖4所示為濾波后諧波電流波形和諧波電流柱狀圖。

圖3 濾波前電流波形圖和諧波電流柱狀圖

圖4 濾波后諧波電流波形和諧波電流柱狀圖

濾波前實(shí)測數(shù)據(jù)如表2表所示，濾波后實(shí)測數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 未濾波實(shí)測數(shù)據(jù)

表3 濾波后實(shí)測數(shù)據(jù)

4.2 電壓濾波前后的測試結(jié)果

如圖5、6 所示分別為濾波前后電壓波形和電壓諧波柱狀圖。

圖5 濾波前電壓波形圖和諧波電流柱狀圖（電壓畸變率為7.2%）

圖6 濾波后電壓波形圖和諧波電流柱狀圖（電壓畸變率為3%）

4.3 窯尾配電室無功補(bǔ)償裝置改造效果

經(jīng)過測試對比，有源濾波器滿負(fù)荷運(yùn)行，將諧波濾除到國標(biāo)范圍內(nèi)，目前諧波電流濾波后總畸變率為9.7，根據(jù)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB-T 14549-1993 中規(guī)定，諧波電壓含量要求在5%以內(nèi)，實(shí)際測試為3%，因此在國標(biāo)范圍內(nèi)。由于窯尾電氣室變壓器短路阻抗百分比為5.99%，該變壓器額定容量為1600kVA，則可算出短路容量為26800.67kVA，換算為MVA則為26.8MVA，根據(jù)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB-T 14549-1993 中規(guī)定，基準(zhǔn)短路容量為10MVA的不得超過62A，由于該電氣室變壓器短路容量為26.8MVA，所以計(jì)算得知允許的5次諧波電流為62×2.68=166.16A，5次諧波電流未投運(yùn)前為289.8A，諧波嚴(yán)重超標(biāo)，投運(yùn)濾波后5次諧波電流為106A；7次諧波未投運(yùn)前為67.5A，允許值為44×2.68=117.92A，濾波后7次諧波降至33.4A；11次諧波允許值為28×2.68=75.04A,11次諧波電流較小。由于此處電氣室中諧波導(dǎo)致電容器嚴(yán)重發(fā)熱，投運(yùn)有源濾波裝置后，補(bǔ)償柜溫度恢復(fù)正常，功率因數(shù)維持在0.95左右。