工业节能增效解决方案

工业节能增效解决方案 目录 一、引言 .3 二、工业用电现状分析 .4 三、解决方案 .11 四、节能产品简介 .15 4.1、静止型动态无功补偿装置（SVC） 15 4.2、静止无功发生器（SVG） 18 4.3、晶闸管投切式电容器（TSC） .20 4.4、有源电力滤波装置（APF） .23 4.5、稳压滤波器（AVF） 26 4.6、固态切换开关（SSTS） .28 4.7、智能节电装置 31 五、专业技术服务 .36 3 一、引言 随着我国市场经济体制的不断完善，国内大多数企业面临全球化的市场竞 争日益加剧，多数企业都面临着利润下滑的处境，对此，只能从加强市场开拓 以及强化成本控制两方面着手。而在工业企业的各项成本中，电费已成为紧随 原材料成本、人工成本之后的最大的成本，特别是在某些高耗能企业中，电费 已成为最主要的成本。对大多数工业企业而言，电费也是未被企业控制的最后 一项成本，许多企业由于管理、工艺、技术等各方面原因，用电利用效率普遍 偏低，节能潜力巨大，因此通过技术手段来降低电费支出、提高利润空间势在 必行。 用电企业用电量越来越大的同时，伴随而来的不仅在于电能利用率低、电 能损耗大，更为致命的是供电的安全，如谐波、三相电流不平衡、电压突变等 电能质量问题。一次几百毫秒的电压突降可能导致整个供电系统的瘫痪，在造 成巨大经济损失的，石化企业一次雷击可能造成巨大的损失和人员伤亡，谐波 问题导致电容寿命急剧缩短、设备老化，三相不平衡电流导致的火灾等等。因 此对于现代工业企业来说提高供电系统安全性具有很可观的经济效益和社会效 益。 二、工业用电现状分析 我国工业企业用电问题主要体现在两个方面，一是供配电系统效率低、损 耗大，用电设备效率低，二是电力品质低、电能质量差，威胁到设备安全运行。 具体来说存在以下几个主要问题： 1. 功率因数低 功率因数低主要的原因是感性负载的大量存在，工业用电中 70%的用电量 都被电机等感性负载消耗，感性负载正常运行需要消耗无功功率，如果不及时 补偿就会大大拉低供电系统的功率因数。 功率因数的高低是影响电源利用率的关键因素，功率因数低，会降低电源 利用率，降低设备的效率，增加了电路上的损耗，供电部门也会对企业的功率 因数做考核，一般工业用户要求功率因数在 0.9 以上，低于 0.9 将会面临功率因 数罚款。 一般企业用户可以通过安装固定投切电容补偿设备来补偿无功提高功率因 数，但是也有些工业用户存在冲击性负荷，如钢铁的电弧炉、轧机，港口的吊 机，汽车制造的电焊机，矿山的吊机，普通无功补偿设备无法及时根据负荷的 无功变化提供相应的无功，因此即使安装了无功补偿设备，功率因数依旧很低。 因此此种场合就需要一种可以及时根据负荷无功变化提供动态无功补偿的动态 无功补偿设备来解决此类问题。 5 常见的可以对冲击性负荷进行动态无功补偿的设备包括静止无功补偿设备 （SVC ）、静止无功发生器（SVG ）、晶闸管投切电容器（TSC）等，一般通 过安装此类动态无功补偿设备，两年左右即可收回投资成本，并持续受益。 2、电压突变 雷闪天气造成线路受损，吊车、挖掘机等大型设备作业造成的外力破坏事 故，大型非线性、冲击性负荷的投切等因素，容易对电网产生冲击，引起瞬变 电压、浪涌电流甚至供电中断等严重情况。 此类电能质量问题（暂升、暂降、瞬时中断）往往给石化、军工、冶金、 半导体制造、医院、银行等大中型企业带来设备停运、工艺中断、数据丢失、 设备损坏等严重后果，造成巨大的经济损失。因此通常架设多路电源，一旦运 行的主供电电源出现故障或异常时，需要将敏感负荷的用电设备迅速切换到其 他备用的电源，提高供电可靠性、保护敏感用电设备。 工厂传统采用的备自投开关，切换时间在 1s 以上，极易造成所带负荷在切 换过程中因为供电中断而导致故障停机。如 IT 设备：当电压波动超过 40，持续时间超过 12 个周波（0.24s ）时， 导致数据丢失。 PLC：电压低于 10时，可工作 15 个周波（0.3s） ；电压低于(5060) 时，停止工作； 数控设备：电压波动范围一般为 10，当电压低于此值、持续时间超 过 23 个周波（0.040.06s）时，保护性停机。 变频调速：当低于额定电压 70，持续时间超过 6 个周波(0.12s)时停机。 精细加工业中的电机，电压波动 10、持续时间超过 3 个周波时，停 机。 电机：当电压波动超过（5030）、持续时间超过 1 个周波（0.02s ） ， 控制开关就会跳闸。 因此为保证负荷的持续供电，现在工厂也采用了诸如不间断电源（UPS）、 动态电压恢复器（DVR）、固态切换开关（SSTS ）等解决方案，在实际应用中 也起到了良好的效果。 3、谐波 工业企业普遍使用整流器、变频器、可控硅、电弧炉等非线性设备，会产 生大量的谐波，使系统电压和电流的波形畸变，恶化电力品质，不但增加电耗， 也影响了用电安全和设备使用寿命，谐波的危害已成为电网最主要的公害。 谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面： 加大企业的电力运行成本 由于谐波不经治理是无法自然消除的，因此大量谐波电压电流在电网中游 荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了电力运行成本， 增加了电费的支出。 降低了供电的可靠性 7 谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致变压器、电容器等 电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电 流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热， 噪声增大，从而加速绝缘老化，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低 供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。 引发供电事故的发生 电网中含有大量的谐波源（变频或整流设备）以及电力电容器、变压器、 电缆、电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并 联的谐振条件。当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产 生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，如不加以治理极易引发输配电 事故的发生。 导致设备无法正常工作 对旋转的发电机、电动机，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回 路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是 谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶 片扭曲及产生疲劳循环，导致设备无法正常工作。 引发恶性事故 继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是， 由于谐波的大量存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别 在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出，引起区域（厂内）电网 瓦解，造成大面积停电等恶性事故。 导致线路短路 电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量(计量 仪表的误差主要反映在电能表上)。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器 的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。 降低产品质量 由于谐振波的长期存在,电机等设备运行增大了振动， 使生产误差加大,降 低产品的加工精度，降低产品质量。 影响通讯系统的正常工作 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者 导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。 现在已有部分先进的企业关注到谐波的问题，采用诸如无源滤波装置 （FC ）、有源滤波装置（ APF）或者两者结合的方式解决谐波污染问题，具有 良好的经济效益。 4. 三相电源不平衡 三相电力变压器是按照对称运行设计的。变压器正常运行时，一次侧电源 和二次侧负荷均应对称。但在低压配电网中由于单相负荷的存在，单相用户的 不可控的增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等因素， 导致配变变压器的三相不平衡度越来越大, 甚至超过了变压器设计的临界值。 三相电压不平衡 变压器的不对称运行实际上也是电力系统的不对称运行。不对称运行造成 的三相电压和电流的不平衡，对电力系统和电力设备会产生不利的影响。 变压器在三相负载不平衡运行时，会使负载较大的一相绕组过热；同 时在 Y 接线时会产生中性点的电位移，最严重时的一相接地，则会使 另两相电压升高3 倍，损害绕组的绝缘；另外由于磁路不平衡，零序 漏磁会在非磁路金属部件上产生附加损耗而发热，降低变压器性能， 增加变压器负载损耗。 9 变压器不平衡运行会注入系统负序分量，不平衡系统的负序分量会使 系统发生误动作，影响电网的安全运行。 电网的不平衡运行会对周围正常通信系统产生干扰，影响通信质量。 电网的不平衡运行会引起电动机的附加发热，降低出力；也会使发电 机利用率降低；单相负载电压不足会影响电器设备的正常运行，电压 过高会损坏单相用电的电器设备。 因此，解决配电网不平衡和非线性负荷对低电压配电网的影响，对于电网 运行的经济性，实现节能减排、降本增效，提高电能质量及电网安全运行，具 有积极的意义。 静止型动态无功补偿装置（SVC ） 、静止无功发生器（SVG） 、晶闸管投切电 容器（TSC ）等装置可以实现分相调节，可自动调节三相电流、避免电压零点漂 移，使三相电流不平衡度控制在 10%以内。由此大大提高了电能使用效率，降 低了配变变压器损耗及零线线路损耗，提高了电网的安全性。 5、电机损耗大、能效低 风机、水泵、压缩机等通用机械拖动设备为我国最主要终端耗电设备，用 电量巨大。国内工业企业用电设备多为满负荷设计，额定功率普遍偏大，实际 运行效率低，占我国工业用电总量 60%70%的电机，通常的使用效率不到 75%， “大马拉小车”与低负荷运行的情况相当普遍。在此状态下，电机消耗 的电能中有相当部分是以发热、铁损、铜损、噪音与振动等形式被浪费掉。 而此类设备大部分设计为固定功率运行，但实际运行时所需的压力或流量 并不固定，且大多数低于电机额定功率供给的压力或流量，电能浪费严重。 此类电机通过变频改造有巨大的节能空间，一般电机经过改造节能率可达 20%以上。变频技术利用先进的串联叠波技术、空间矢量控制的正弦波 PWM 调制方法，根据负荷参数变化自动进行电机运行频率的改变，实现电机速度调 节，始终保持电机运行在最佳经济状态，彻底解决电机轻载运行下电能的浪费 问题，提高功率因数、降低损耗、节约电能。 变频技术节能效果 11 三、解决方案 我团队的节电理念主要基于三个方面，一是有效的管理，二是供电系统的 效率和可靠性，三是用电设备的运行效率。因此，节电应从以上三个方面入手， 在用户用电水平和用电舒适度的情况下，采用先进的技术、设备和管理，达到 节能降耗、保护设备的目的。针对于工业领域的节能，我团队从功率因数补偿、 谐波治理、供电可靠性、电机节能四个方面帮助企业取得良好的节能效益，针 对于不同工业企业的情况，可以结合其中几种方案帮助企业取得最优的节能效 果。 （一）、功率因数补偿方案 通过安装中低压无功补偿装置，分别在供电网络中和靠近负荷侧实施功率 因数补偿。针对于负荷变化大、电压稳定性差的电网，可以通过具有动态无功 补偿功能的装置进行治理，始终保持功率因数在 0.95 以上。对于三相不平衡的 网络可以选择具有分相补偿功能的无功补偿装置进行治理电网三相不平衡问题。 功率因数补偿方案的优点： 降低无功电流的网间传输，减少损耗； 提高供配电设备容量的利用率； 提高功率因数，免除功率因数罚款； 稳定母线电压，优化设备运行环境，提高使用寿命，降低损耗； 平衡三相电流，提高系统运行安全性； 抑制波动负荷和冲击负荷造成的电压波动和闪变 （二）、谐波治理方案 采用专门的滤波装置可以有效滤除高次谐波，从根本上解决谐波造成的危 害。常见的滤波装置是无源滤波器，无源滤波器利用电容和电感组成的滤波支 路对高次谐波低阻抗的特性，可以滤除电网中的特征谐波。而新一代的滤波产 品有源电力滤波器（APF）因其滤波效果好、滤波范围宽、不发生谐振等优势， 在工业企业应用的越来越广泛。 谐波治理方案的优点： 滤除高次谐波能够净化用电环境，降低视在功率，减少谐波电流在用 电设备和输配电设备中的发热，直接节省有功功率； 消除由于谐波产生的震动，延长电器的使用寿命； 提高供配电及用电设备使用寿命，提高系统可靠性； 有效的消除对敏感元件的影响。 （三）、供电可靠性方案 对电能质量日趋敏感的工业自动化设备不断增加：精密仪器、半导体制造、 石化、冶金、纺织、玻璃、医疗等重要行业。短时的电压突降或供电中断会造 成敏感设备停机，进而造成严重的后果。供电连续性技术包括不间断电源 （UPS）、快速切换开关（ SSTS）等。 供电可靠性方案的优势：负荷重要等级越高，因为供电事故造成设备停运 导致的后果也就越严重，不仅会造成经济损失，还可能危及到人的生命安全。 因此保障设备的供电连续性，防止电压突变、供电中断等情况对设备安全运行 的危害具有重要意义。 （四）、电机节能方案 针对于实际运行中，电机额定功率高，机械功需求变化大等原因，造成电 机运行效率低，损耗大。选用变频器、智能节电器等装置，可以根据实际需要， 使电机始终工作在最佳工作状态，大大降低电机损耗，节能量可达 20%。 电机节能方案的优势： 安装简单，即在原开关柜与电机之间安装电机节能装置，对原有接线 改动不大； 节电效果显著，节电率在 20%以上； 13 显著降低电机启动冲击电流，提高电机使用寿命，减少电网造成的危 害； 改善电网供电品质，内置滤波电路，稳定电机输入电压，滤除谐波。 表 3-1 节能产品选型表 产品名称 电压等级 主要功能特点 适用场合 典型应用 静止型动态无功补偿装置（SVC） 635kV （通过升压变压 器可接入高电压 等级电网） 1、 动态无功补偿，提高功率因数； 2、 稳定电压，治理电压波动闪变； 3、 治理三相不平衡； 4、 滤除谐波 5、 实时监测系统电能质量； 适用于负荷变化快、功率因数低、 电压波动和闪变频繁、补偿容量大、 电压等级高的场合。 交直流输电、中心变电站、 冶金、电力机车、石化等 静止无功发生器（SVG） 0.435kV （通过升压变压 器可接入高电压 等级电网） 1、 动态无功补偿，提高功率因数； 2、 稳定电压，治理电压波动闪变； 3、 治理三相不平衡； 4、 实时监测系统电能质量； 适用于负荷变化快、功率因数低、 电压波动和闪变频繁、安装面积小 的场合。 风电场、煤矿、电力机车、 地铁、冶金、港口等 晶闸管投切电容器（TSC） 0.40.69kV 1、 无功补偿，切换速度20ms； 2、 分相补偿，治理三相不平衡； 3、 无源谐波； 适用于负荷变化快、谐波含量高、 电容器无法正常投切、功率因数低 的场合。 电焊机、提升机、大型电机 等冲击性负荷 15 有源滤波装置（APF） 0.40.69kV 1、 滤除谐波； 2、 分相补偿，治理三相不平衡； 3、 具有无功补偿能力； 4、 实时监测系统电能质量； 适用于负荷变化快、谐波含量高且 频谱范围宽的场合。 变频器、大容量 UPS、中频 炉、铸锭炉、焊机、可控硅 调光系统、大型直流电机、 电梯、精密仪器和敏感设备 等 稳压滤波装置（AVF） 0.220.4kV 1、稳定母线电压 2、隔离谐波； 3、提供可靠保护； 4、备用电源主动切换 适用于电压波动范围、谐波含量超 出负载可靠运行的条件，威胁到电 力系统设备安全运行。 铁路变电站二次电源、电子 行业、重要负荷电源等 固态切换开关（SSTS） 0.410kV 1、 主备电源无缝切换，防止敏感 设备断电； 2、 切除短路电流； 适用于供电电压短时电压波动、跌 落频繁，容易因此造成严重损失的 场合，确保重要负荷供电不受影响。 石化、冶金、半导体工厂、 医院、实验室、商务中心等 重要负荷。 智能节电装置 0.410kV 1、 稳定母线电压； 2、 变频调速，保持电机运行在最 经济状态； 3、 提高供电质量； 4、 软启动功能； 适用于负载变化大，启动冲击大， 电能质量差的，设备损耗高的场合 风机、水泵、空压机、抽油 机等 四、节能产品简介 4.1、静止型动态无功补偿装置（SVC） 在冶金、化工、铁道及城市供电系统中，大容量非线性冲击性用电设备越 来越多，它们的运行将产生大量谐波电流馈入电网，引起供电系统电压波形畸 变；同时伴随的大量无功功率冲击，导致供电母线电压波动和闪变；有的甚至 可能引起三相不平衡，对供电系统及相邻用电设备产生不良影响。 SVC（Static Var Compensator）静止型动态无功功率补偿成套装置，采用了 传统的 LC 无功功率补偿与滤波技术和静止动态无功补偿技术相结合的技术方 案，既解决了高次谐波问题和无功功率补偿问题，又解决了无功功率波动导致 的供电电压波动、闪变和三相线路不平衡问题。该技术的方案和产品广泛适用 于冶金工业的电弧炉、轧钢机和电气化铁路及输配电站的动态无功功率补偿和 谐波治理，限制电压波动和闪变，也适用于分相运行的电力系统，做三相不平 衡调整。 SVC 技术原理 如图所示，SVC 以并联方式接入电网中，本装置主要由滤波补偿支路 FC 和动态无功调节装置两部分组成。其中动态无功调节装置提供动态感性无功， 其与并联提供容性无功的 FC 支路配合，具备从容性到感性区间的动态无功调 节能力。FC 支路还可以滤除系统中存在的谐波。 17 数字控 制系统 光纤 P T C T F C 滤波补偿支路 动态无功调节装置 电力 电容 滤波 电抗 电抗器 晶闸管 阀组 负 载 电 阻 器 SVC 单线系统图 目前成熟的动态无功调节技术主要为晶闸管相控电抗器技术（TCR）和磁 阀式可控电抗器技术（MCR ） ，两种技术各有特点，可以根据用户现场情况选 用，TCR 技术补偿响应速度快，单套补偿容量大， MCR 技术直挂电网电压等 级高，占地面积小。 晶闸管相控电抗器 TCR 原理 如图所示，TCR 由若干个晶闸管级（每级由一对反并联的晶闸管 Th1、Th2 和辅助电路组成）和电抗器串联组成。通过改变晶闸管触发延迟角 的大小，控制流过相控电抗器电流的大小，就能使 TCR 支路吸收的感性无功功 率连续变化。 i i - i + U S u T h 2T h 1 L 单相 TCR 接线原理图 TCR 电流电压波形 磁阀式可控电抗器 MCR 原理 磁阀式可控电抗器（MCR）基于极限磁饱和原理和磁阀技术。 MCR 是一 种铁芯中具有多种面积的电抗器，截面积较小的部分被称为磁阀，磁阀部分可 以在极限饱和区连续调节，使得电抗器的感抗可大范围连续变化，从而输出可 变的感性无功。 N kN T 1 T 2 U MCR 结构原理图 MCR 等效电路图 SVC 应用案例 以钢铁有限公司 60 吨超高功率竖式电弧炉设备工况举例说明，电弧炉变压 器高压侧电压 35kV，低压侧 10kV，该电弧炉生产时影响电网质量：无功功率 剧烈波动造成电网电压波动和闪变、向电网注入谐波电流、三相电压不平衡。 为解决上述问题，假设我们采用 TCR 型 SVC 静止型动态无功补偿装置在 10kV 侧进行改造，总补偿容量 25Mvar，电容器安装容量为 48Mvar，装置由 2、3、4、5 次滤波器(FC)加相控电抗器(TCR)组成，总造价 375 万元。 功率因数罚款 SVC 投运前 60 吨超高功率电弧炉在熔化期功率因数低于 0.7，为此，供电 部门每月进行功率因数低罚款，2011 年 10 月至 2012 年 2 月份平均每月罚款 30.85 万元。 TCR 型 SVC 投运后，功率因数达到 0.92 以上，避免了因功率因数过低造 成的罚款电费，按投运前每个月罚款数据可得出一年节省罚款电费： 30.85 万元12=370.2 万元 19 并且由于提高了功率因数，减少了无功电流，也减少了相应的电能损耗。 稳定一次侧母线电压(35kV)，缩短冶炼时间 高功率电弧炉的无功冲击大而且急剧波动，最大的无功波动值一般可达到 电炉变的额定容量的 1.5 倍，无功急剧变化引起电网电压急剧变动。 投入 SVC 装置后，35kV 母线电压波动限制在1kV 之间，无功冲击引起 的电压波动被有效抑制，由于电压稳定，电弧炉工况好，使电弧炉每炉钢的冶 炼时间缩短，冶炼效率提高。 TCR 型 SVC 投运后的社会效益 改善无功冲击引起的闪变指标 减少高次谐波的危害 降低负序电流的危害 4.2、静止无功发生器（SVG） SVG 静止同步补偿器 （Static Synchronous Compensator, 简称 STATCOM） 是一种用于电气系统无功功率补偿领域，面向二十一 世纪，突破无功补偿传统理念的高技术产品。该产品 采用半导体电力电子器件来搭建整流和逆变电路，可 实现对感性、容性负荷双向补偿，连续调节，实现功 率因数全程补偿接近 1。作为新一代的无功补偿设备， SVG 在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、 增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减小 占地面积等多方面具有优越的性能。 SVG 技术原理 SVG 的基本原理是，将电压源型逆变器， 经过电抗器并联在电网上。通过调节逆变桥中 IGBT 器件的开关，可以控制直流逆变到交流 的电压的幅值和相位，因此，整个装置相当于 一个调相电源。通过检测系统中所需的无功， 可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实 现无功的就地平衡，保持系统实时高率因数运 行。 SVG 的技术特点 SVG 相对于传统的固定电容补偿、机械开关投切电容、晶闸管投切电容为 主要代表的补偿方式，有着无可比拟的优势： 1、具备抗谐波功能，更保障系统安全 SVG 是可控电流源，只补偿基波无功电流，系统谐波电流不会造成补偿设 备损坏，使其使用寿命延长、维护工作量少。 2、动态连续平滑补偿，更高的响应速度使对电压闪变的补偿效果更好 SVG 可以跟随负载变化，动态连续补偿功率因数，可以发无功，也可以吸 21 收无功，彻底杜绝了无功倒送的情况。 3、可以实现分相补偿，解决负荷的不平衡问题 4、电流源特性，输出无功电流不受母线电压影响，补偿能力更强 应用案例 以金属制品公司为例，该公司每月因功率因数过低导致每月电费的无功罚 款 2 万元。经过现场考察及电能质量测试评估，结果如下： 由接触器控制投切电容补偿装置经常无法投运，每次电容器跟换后只能用 三个月到半年，部分电容器出现涨肚、漏油的情况。该企业氩焊机工作时无功 不够，而不工作时则过补，因此过补和欠补的情况都很严重，导致功率因数很 低，且造成了谐波放大。 经改造，安装 SVG 系列低压动态无功发生器后，取得了以下治理效果： 免除无功罚款，节电率达到 8%，为企业创造直接效益； 解决了因谐波放大引起的电容无法正常投切的问题，彻底杜绝了电容器 损坏的情况； 治理谐波，延长电气设备使用寿命，保障电气安全。 4.3、晶闸管投切式电容器（TSC） 晶闸管投切式电容器（TSC）采用晶闸管串 联组成交流无触点开关，可实现对多级电容器组 的快速过零投切，克服了传统无功补偿装置的接 触器触点容易烧损、电容器易损坏、功率因数低 等缺点。 本产品具有降低网损、节约电能，提高供电 质量等显著特点，广泛应用于电力、冶金、石油、 化工、农村、小区、船厂、楼宇、银行、电信等广大领域。TSC 柜体外形与普 通电容柜一致，是传统投切式电容器的换代产品。 本产品应用于电力系统中可起到： 改善配电网络的电压质量，稳定母线电压； 分相投切，治理三相不平衡； 滤除谐波，提高用电安全性、可靠性； 动态补偿系统无功，提高功率因数，免除功率因数罚款，降低网损； 就地补偿，防止电能质量问题影响到上级电网。 TSC 技术原理 TSC 装置由控制器实时监测系统情况，电容器组由晶闸管投切。当控制器 检测到的无功电流超过整定值时，自动判断出需投入电容器组的级数，控制器 对指定的晶闸管输出触发信号，使之导通将电容器组投入运行。当负载无功电 流值低于整定值时，控制器给出控制信号，触发器停发触发信号而将电容器组 退出工作。以上工作状态完全自动进行，确保投切电容器无冲击、无涌流、无 过渡过程。 23 零电流投入波形 零电流切除波形 技术特点 过零投切 电容器的投入与切除均不会产生冲击电流和过电压，减少装置功率损耗， 大大提高了设备的安全性和使用寿命； 投切速度快 精确控制投切时刻，响应速度20ms，实现多级电容器组快速过零投切， 可以对无功剧烈波动负荷进行高效补偿； 分相补偿功能 采用全数字化智能控制系统，可进行分级分相补偿，适用于不平衡系统； 谐波治理 装置在运行中不仅不产生谐波，选择适当的电抗器可以抑制系统谐波； 控制系统功能全面 保护系统采用数字保护和传统继电器双重保护；采用光电隔离技术，一 次系统和二次系统完全隔离，无干扰、可靠性高；具有串行通讯功能，可实 现联网远程群控。 柜体外形与普通电容柜一致，是传统投切式电容的换代产品。 应用案例 以钢铁企业棒材生产车间为例，该车间 15 套轧机采用 15 套直流驱动，由 15 套整流变压器供电。经现场测试，整流变压器输出平均功率因数 0.7，电流 总谐波畸变率 29%。5、7、11、和 13 次谐波含量分别是 26%、5%、8%和 6%。谐波指标不能满足国家标准。轧制时，6000V 网压跌落 4.5%，低压侧跌 落 5.3%。由于大量的基波无功功率和谐波功率，使整流变压器输出视在功率较 大，整流变压器温升较高，不仅加大了供配电损耗而且降低了供配电设施的运 行可靠性。 TSC 型动态无功补偿及滤波装置，能实时跟踪负荷无功变化，20ms 内完全 补偿负荷所需无功，同时滤除或抑制谐波，稳定系统电压，改善系统不平衡度。 该企业在变压器二次侧安装了 TSC 产品后，为该企业带来了显著的效益： 免除功率因数罚款，节能降耗，功率因数提高到 0.96 以上，供电视在 功率下降 26%，仅此一项就为企业每个月降低了 6 万的电费支出； 抑制在轧机在轧制过程中对母线电压造成的无功冲击，防止电压波动 和闪变； 滤除谐波，电流总畸变率下降到 7%，5、7、11、和 13 次谐波含量分 别是 3%、1% 、3%和 1%，6000V 侧谐波畸变率达到国家标准； 因为母线电压的稳定，吨钢能耗降低 5%。 25 4.4、有源电力滤波装置（APF） 如今广泛使用的负载大部分都是非线性 的，如整流器、变频器、转换电源、焊接设 备、UPS、电梯、空调、打印机等，这些非 线性负载在使用中会产生大量的谐波电流注 入到电网中，给电网用户带来严重的危害。 有源电力滤波器 APF（Active Power Filter）是目前解决电网谐波污染的最佳解 决方案。APF 可应用于不同类型的场合，并同时适用于商业和工业环境，为客 户提供谐波滤除、相平衡和无级容性或感性无功补偿。从几十安培到几千安培 的丰富的滤波方案可以为每个系统提供最优化的解决方案。 APF 有源动态滤波器可安装在低压电网中，也可通过合适的升压变压器联 入中压系统使用。有源动态滤波器为供电系统带来以下好处： 减少停机时间 提高系统运行效率，减少二氧化碳排放 满足严格的供电局要求，避免罚款或断电 无需对电网的特殊分析，方案实施快而简单 不会过载，特别适用于负载变化快的低压系统 APF 技术原理 APF 有源电力滤波器并联于系统电网，对系统电网电流、电压进行采样,并 跟踪分析采样电流,当系统电流中含有谐波时，APF 可计算并输出与谐波等大反 向的电流进行补偿,使得总的输出电流为基波。 交流电网 负载 （ 谐波源 ） A P F i s i L i F 工作原理 APF 可主动消除电力谐波，从而实现对电力谐波的动态快速彻底治理。 APF 还可以根据需要提供基波无功电流，实现动态无功补偿，改善电网的功率 因数。 技术特点 APF 装置具有以下特点： 基于瞬时无功理论的控制算法，采用独特的闭环控制系统实现卓越的 滤波效果。2 到 50 次谐波可随意选择，滤波效率超过 97%，不存在与系统发 生谐振的问题，满足谐波规范中的任何参数要求； 可为负载提供动态无功补偿。降低有功损耗，防止无功过补，提高功 率因数避免供电局罚款； 为三线和四线系统提供相平衡功能。降低电压不平衡给负载带来的影 响，减少供电电缆和零线电缆上的电流，降低零对地电压，提高系统的安全 性； 保护功能齐全，软件保护有直流过电压保护，装置输出过电流保护， IGBT 故障保护等多种保护;硬件保护有直流过电压保护电路，最大输出电流 限制电路; 具有友好的人机界面，智能监控系统具有对系统内部各部分的运行状 态监测、诊断并完成在各种异常情况下进行可靠保护； 能耗小，运行费用低，更节能环保； 27 具备冗余功能，滤波系统中任何一个单元故障，其他单元还能正常运 行，在可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。 产品应用案例 汽车生产企业主要用电设备有冲压机、焊接生产线、风机、流体泵、车床、 压力机等，电网谐波污染严重，谐波畸变率高达 30%以上，整个用电系统效率 低，电力浪费严重，设备寿命大大缩短。通过对全厂用电系统和部分低压配电 系统进行布控节能改造，达到了优化电力品质、降低电耗、保护用电设备的功 效。 根据改造前后用电情况对比，该改造项目取得 18.5%的节电率，在两年内 用户即可收回投资成本，并在后续设备使用寿命内持续受益。 4.5、稳压滤波器（AVF） 稳压滤波器是最新型的电力电子设备，为负载提供可靠的供电电源，防止 不合格的供电质量危害到设备的运行。本套装置串联于负荷进线侧，在装置输 入端电压发生大幅波动和电流波形畸变的情况下，输出电压稳定、波形完美的 正弦波，满足负载稳定运行的要求。 技术原理 稳压滤波装置如图所示，整套装置主要包含浪涌吸收器、滤波器、整流器 和逆变器 4 个功能部分。首先将市电经整流变成直流电源，然后进行脉宽调制 将直流电经逆变器重新转换成正弦波交流电源，经滤波后向负载供电。 稳压滤波装置结构简图 这种结构，使得负载端与市电输入端处于优良的“电隔离”状态，输出波 形好、输出电压质量高，即使输入端突变也能保持优异的带载特性。它可以实 现对负载的稳频、稳压供电，真正给用户提供优质的稳压、稳频的纯净正弦波 电源，提供符合网络系统需要的电源保护。 产品特性 AVF 系列稳压滤波装置是针对于电压波动大、谐波污染严重的场合研发出 来的产品，具有以下特性： 触摸屏 LCD 中文显示，工作模拟流程图显示； 在线式设计，采用 DSP 技术，具有完善的保护功能和高可靠性； 经过严格的短路测试及 2.5kV 高压绝缘测试； 装置波形输出完美，使负载正常运行不受系统谐波电流和电压波动的干 扰； 全数字控制技术，使控制精确、快速、可靠、稳定； 29 智能监控功能，提供 RS232、RS485 。 高性能：输入电压范围宽，输出电压稳定性好。 高抗干扰能力：控制系统光电隔离，整套抗干扰能力满足国家电磁干扰 标准； 应用案例 以铁路牵引变电站为例，牵引变电所典型供电方式由 2 台牵引变压器供电， 2 台变压器 1 主 1 备，正常工况下变压器 1 台运行，故障跳闸后备用变压器自 动合闸运行。变压器低压侧额定电压为 27.5kV，由于电力机车的运行特性，会 给牵引变电站及沿途分区所、AT 所带来严重电能质量问题，主要危害体现在 27.5kV 侧及所用电侧电压波动剧烈、谐波畸变率严重超标和频繁出现的电压暂 降骤升现象。电压波动范围高达-50%+180%，并且谐波电压畸变率达到 18%， 牵引变电站、AT 所和分区所所用电电能质量不达标严重威胁电站的安全运 行： 继保失效造成严重电力事故； 直流供电模块频繁烧毁； 谐波加剧变压器、互感器铁性磁饱和，增加损耗，过电流烧毁设备 电流、电压采样准确度下降，保护及计量采样误差。 由于牵引变电站电压波动范围已远远超出一般稳压器的工作范围，并且谐 波电压含量高，之前投运的稳压器均不能长时间持续运行。牵引站所用电源改 造后，经 LGAVF 稳压滤波装置接入所带负荷，保护的装置主要包括、交直流屏、 继电保护装置、在线监测装置、监视装置及其他重要低压负荷，截止目前已安 全运行超过 1 年。 4.6、固态切换开关（SSTS） SSTS 固态切换开关（ Solid-State Transfer Switch）适用于双电源供电线路中， 在主电源出现中断或其它不正常情况时， 能自动将重要负荷快速切换到备用电源上， 是提高供电可靠性、保护敏感用电负荷的 重要措施。 SSTS 系列固态切换开关采用半导体 开关器件，开关速度快，且开关过程中不 产生电弧，大大提高了切换速度和开关的使用寿命，满足了重要敏感负荷对供 电可靠性的苛刻要求。本装置可全面替代现有的备自投开关，给企业带来良好 的经济效益和可靠的安全保证。 产品原理 对于具有两路独立电源的供电系统，当正在供电的电源出现异常，采用固 态切换开关（SSTS），将负荷快速切换至备用电源回路，从而保证敏感负荷不 受电压异常的影响。 目前 SSTS 有主备电源式和分裂母线式两种连接方式，每只开关臂由串联 晶闸管阀体（Th1 Thn）与高速真空开关 S 并联组成。晶闸管开关仅做快速切 换之用，正常运行时电流通过快速切换开关，整个装置效率99%。 主备电源式 31 分裂母线式 技术特点 高速切换，不影响负载供电 继电保护与开关一体化设计 输入源优先级设置 远程监测与控制 手动/自动切换 可作为大容量高速开关使用，在 12ms 内断开 60200kA 之间的任意 短路电流，防止事故扩散，不影响上游电网供电安全，同时保护本地 设备安全。 应用案例 石化企业相间短路、雷击、接地等故障往往导致 6kV 段母线电压“晃电” ，进而导致所连接的西门子高压变频器发生欠压保护。母线电压低于额定电压 的 70之后，无延时执行欠压保护。变频器停机后导致空压机停车，进而造成 汽化炉工艺流程中断，每次损失高达 1000 万元之巨，且该现象近几年发生频次 较高，带来较严重的经济损失。 配 6kV SSTS 方案如下图所示，其中红色部分为我方安装设备，其中 P1、P2、P3 为由反并联晶闸管和高速断路器并联而成的复合开关， Ki1、Ki2、Ki3、Ki4 为隔离开关，Kb1、Kb2 为旁路开关，使用高压断路器或接 触器。 配电系统经改造后已稳定运行 2 年，未发生过晃电造成的设备故障停机现 象。 K b 2P S 1T S 1 总降 6 k V I 段 K b 1 P S 3 T S 3 K i 1 K i 3 P 1 P 3 6 1 0 3 高配 6 k V I 段 原液 1 变 8 1 0 2 P S 2T S 2 K i 2 K i 4 P 2 高配 k V I I 段 C T 3 总降 6 k V 段 6 2 0 7 纺丝 1 、 3 、 5 、 7 、 9 、 1 1 变 西门子 变频器 原液 2 变 纺丝 2 、 4 、 6 、 8 、 1 0 、 1 2 变 西门子 变频器 33 4.7、智能节电装置 智能节电装置是我团队专门针对于风机、水泵、压缩机等通用机械拖动设 备能耗严重，能源利用率低的情况研发的。此类设备大部分设计为固定功率运 行，但实际运行时所需的压力或流量并不固定，且大多数低于电机额定功率供 给的压力或流量，电能浪费严重。 我们采集流量、压力、液位等信号进行闭环控制，配合专业的节电模块控 制电机输出功率与负荷需求精确匹配，既保证了设备运行性能的提高，对压力、 液位、流量等控制精确度大大提高，同时也大大减少了电能损耗。智能节电器 还具有软启动功能，可以减少电机启动时 10 多倍的额定电流至 3 倍以下，大大 提高电机对电网的冲击，提高电机寿命。我团队推出的智能节电装置包含风机 系列、水泵系列、空压机系列。 4.7.1、风机智能节电装置 风机在启动时电流对电网冲击很大，使电网不稳定；工作时噪音较大，对 现场工作人员有较大的影响；风机常用的通过调节风门开度调节风量，这种常 用的调节方式，虽然起到了调节风量的目的，但是通过调节阀门的开度来控制 风量的大小，使风机长期处于高管阻运行状态下，这样大大增加了系统的管阻， 使风机实际工作点远离了额定工作点，降低了系统的运行效率，电机的功率因 数较低，存在一定的电能浪费现象。 风机智能节电装置是针对风机的运行特点专为风机类流体输送研制的专用 节电装置，它采用嵌入式智能控制技术、变频调速技术。从根本上消除风机类 设备由于选型或负荷变化普遍存在的“大马拉小车“的动力浪费现象，使风机始 终运行在最佳工作状态，从而节省大量的电能。 基本原理 风机智能节电装置包含软启动、调速、节电模块、提高功率因数、无功补 偿和滤谐波等多种功能，是一个综合型的节电产品，能保证最高的节能效率。 （1）调速节电：通过变频器调节电机在一个最佳转速运行，从而调节电机 的功率，使电动机及设备运行始终保持在最佳的经济当量，达到电动机节电运 行的目的。 （2）无功补偿节电：采用注入电流的补偿方式，即通过向系统注入与需要 补偿的谐波和无功电流相等的电流来实现补偿的。控制器根据采样到的信号分 析除需要补偿的谐波和无功电流分量，然后通过求解微分方程组控制 IGBT 的 空间电压矢量 PWM 控制信号，使得 IGBT 逆变桥的输出的电压作用在装置的连 接电抗后恰好输出需要补偿的电 流，通过无功补偿可大大提高用电效率。 （3）改善电网供电品质节电：内置的瞬变过滤专用器件能对电网电路产生 的瞬变、浪涌、尖峰等干扰杂波有效清除，对电压跌落、下陷、谐波等波形畸 变有效矫正，从而有效提高电力品质，改善供电质量。 （4）轻载降压节电，降低线路损耗，提高用电系统的安全性,轻载降压， 提高效率，且可维持转速恒定。 （5）软启动节电，通常感应电动机采用直接接入电网起动的方法，电动机 的起动 电流为额定时的 57 倍不仅损耗大，对电网冲击也大，机械磨损，振动 都大，如果用 变频调速起动，可以将起动电流限制到很小，如果满载起动，也 只要比额定电流稍大 就可以了，这样起动损耗大大降低，既不冲击电网，又不 冲击机械。 安装方式 风机智能节电装置安装极为简便，即可串联直接取代原有配电回路，也可 并联保留原配电回路，具体按现场实际情况确定。风机智能节电装置带旁路功 能，串联和并联两种方式都可实现市电节电互换，保证系统稳定运行，满足 生产需要。 以锅炉鼓风机，引风机为例： 在原风机配电柜系统上并联上一台智能节电保护系统，引风机节电柜按照 操作台上（控制电路）设定的模拟信号运行，在控制系统中设计了强电联锁电 路（系统只能先启动引风机再启动鼓风机；当引风机失电后鼓风机立即失电） 、 35 弱电联锁电路（当引风机停止时，鼓风机也会停止；当引风机节电系统跳保护 或出现报警后鼓风机立即停机）和引风机故障停机联锁功能及声光报警、状态 显示等功能。连锁控制系统与原有启动系统并联安装，实现两柜手动切换功能， 以便在节电系统有故障时可及时切换于原启动柜工作。 节电联锁控制系统原理示意图如下： 适用范围 风机智能节电装置适用工业生产中各鼓风机、引风机、排烟风机、离心风 机、混流风机、轴流风机、正压送风机、斜流风机、罗茨风机、除尘风机等风 机的节能节电改造。 4.7.2、流体泵智能节电装置 供水系统是国民生产中必不可缺的环节，供水系统水泵必须要求稳定运行 以保持水压恒定，