冶金企业电力系统谐波分析及治理VIP

使用与维护 第3第164期) 冶金企业电力系统谐波分析及治理 高辉李国军 (1鞍钢工程技术有限公司 2鞍钢集团鞍凌钢铁有限公司 鞍山 114003) 【摘要】对谐波源及谐波产生进行了分析，有针对性地装设滤波补偿装置，对电网谐波进行综合治理，以 确保供电系统电能质量。 【关键词】冶金电力 谐波分析 治理 1o， 2o， 14003) 【he is in to of of 【 引言 理想的电力系统是单一恒定的频率与规定幅 值的稳定电压的供电系统。近年来随着科学技术 的不断发展，在冶金企业电力系统中大功率整流设 备和调压装置的使用、大量非线性负荷的出现以及 供电系统本身存在的非线性元件等，使系统的电压 闪变、电压波形畸变、电压不平衡越来越严重，对电 力系统造成了很大的危害，如供电系统中的元件损 耗增大、降低用电设备的使用寿命、干扰通信系统 等；严重时甚至还能使设备损坏，自动控制失灵，继 电保护误动作，因而造成停电事故等及其他问题。 因此，要对电网谐波等进行综合治理，采取相应的措 施限制和消除谐波，从而改善供电系统供电质量和 确保系统的安全经济运行。 2谐波源 (1)系统中的各种非线性用电设备(如整流设 备、调压装置、调速控制装置、变频器、电弧炉、荧 光灯、电焊机以及各种电子节能控制设备等)是电 力系统谐波的主要来源。即使供给这些设备理想 的正弦波电压，产生的电流也是非线性的，即有谐 波电流存在，使系统各处电压产生谐波分量。 (2)供电系统本身存在的非线性元件是谐波 的又一来源。这些非线性元件主要有变压器激磁 支路、交直流变流站的可控硅控制元件、可控硅控 制的电容器电抗器组等。 (3)如荧光灯等的单个容量不大，但数量很大 且散布于各处，所以这些设备的电流谐波含量过 大，也会对电力系统造成严重影响。 3谐波和无功功率的产生 在工业用电负载中，阻感负载占有很大的比 例，异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻 感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率 在电力系统所提供的无功功率中占有很大的比 例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些 无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常 工作，这是由其本身的性质所决定的。 近年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使 得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力 电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常 用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或 二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整 流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的 谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。而直 流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的 一5一 第3第164期) 使用与维护 谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位 与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接 近1。但其输入电流的谐波分量却很大，而这些谐 波电流不但给电网造成严重污染，还要消耗大量 的无功功率，使得系统总的功率因数很低。另外， 采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器 等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电 流，因此，也消耗一定的无功功率” 。 4谐波抑制 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污 染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波抑制与 滤波装置，这对各种谐波源都是适用的；另一条是 对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波， 并且使功率因数达到096以上，但这只能适用于 作为主要谐波源的电力电子装置。 装设谐波抑制装置的传统方法就是采用无源 调谐滤波器(简称这种方法既可抑制谐波，又 可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使 用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗 和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐 波放大，使外，它只能补偿 固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。随着科 技的发展，新型调谐的谐波吸收器和非调谐的谐 波吸收器弥补了传统滤波器的不足。 调谐的谐波吸收器是由一个扼流线圈和一个 电容器串联组成的谐振电路，调谐后对谐波电流 具有极小的阻抗。该调谐的谐振电路用于精确地 清除配电网络中的主要谐波成分。 非调谐的谐波吸收器是由一个扼流线圈和一 个电容器串联组成的谐振电路，调谐为低于最低 次谐波的频率，以防止谐振 。 5无功补偿 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻 认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路 中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时， 至今尚无公认的无功功率定义。但是，对无功功 率这一概念的重要性以及对无功补偿重要性的认 识，却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功 率补偿和对谐波无功功率的补偿。 无功功率对供电系统和负荷的运行是十分重 要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性 的，而电力系统中大多数负载也主要是电感性的， 一6一 这些电感性元件和负载在运行过程中需要消耗大 量的无功功率，而这些无功功率必须从网络中某 个地方获得。从整个供电系统角度讲输送有功功 率要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在 相当宽的范围内就可以实现；而输送无功功率则 要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围 内实现。并且这些无功功率如果都要由发电机提 供，并且经过长距离线路输送是不经济的，通常也 是不允许的。因此，合理的方法应是在需要消耗 无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补 偿。无功补偿的作用主要有以下几点： (1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低 设备容量，减少功率损耗。 (2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质 量。在长距离输电线中的合适地点设置动态无功 补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输 电能力。 6谐波治理 61谐波治理标准 国家标准对不同电压等级的各次谐波允许注 入值都作了具体规定，规定了公用电网谐波电压 (相电压)的限值62谐波治理 621滤波器的种类 谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近 吸收谐波源产生的谐波电流，现在广泛采用的滤 波器为无源滤波器。另外还有利用时域补偿原理 的有源滤波器，这种滤波器的优点是能做到适时 补偿，且不增加电网的容性元件，但造价较高。无 源滤波装置，吸收高次谐波，而所有滤波支路对基 波呈现容性，正好满足无功补偿要求，不必另装并 联电容器补偿装置，这种方法经济简便，国内外广 泛采用。 滤波器大致可分为以下六种类型 I： (1)单调谐滤波器：单调谐滤波器通频带窄， 滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一 种类型。 (2)双调谐滤波器：双调谐滤波器可替代两个 单调谐滤波器，只有一个电抗器(受全部冲 击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统 中使用。 (3)一阶高通滤波器：一阶高通滤波器因基波 损耗大，一般不采用。 使用与维护 第31卷2013年第2期(总第164期) (4)二阶高通滤波器：二阶高通滤波器通频带 很宽，滤波效果好，既可调谐振点，又可调谐曲线 锐度，并可防意外共振与放大，因此，也有以二阶 宽通带做低次滤波器。 (5)三阶高通滤波器：三阶高通滤波器一般用 电弧炉滤波。 (6)“C”式高通滤波器：“C”式高通滤波器，用 于电弧炉滤波，对二次谐波特别有效。 622有源滤波和无源滤波比较 目前国内对谐波污染治理常用无源滤波和有 源滤波。下面就谈谈这二种方法的优缺点、市场 前景及其经济效益。 (1)有源谐波滤除装置：有源谐波滤除装置是 在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果 好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果达98 以上。它主要是由电力电子元件组成电路，使之 产生一个和系统谐波同频率、同幅值但相位相反 的谐波电流，与系统中的谐波电流抵消。但由于 受到电力电子元件耐压、额定电流发展的限制，成 本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成 本也就高得多了。其主要的应用范围是计算机控 制的供电系统，尤其是写字楼的供电系统、工厂的 计算机控制供电系统。对单台的装置而言，其利 润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，认为 谐波量能不危害其他用电器也就可以了。 但在钢铁企业中，尤其是电弧炉和连轧整流 机组，谐波分量非常大时常造成电压波动，使部分 电气设备保护动作跳闸，造成停产事故。因此，必 须采用有源滤波装置，目前在市场上有源谐波滤 装置一般采用态补偿及滤波装置)有源滤波器)。 由于再需要 电容作为补偿使用，而且开关元件均为可关断高 频开关器件，如可关断可控硅功率变频开 关以、响应速度快、无谐波污染、对电网呈现电流源 特性(电网电压对设备容量，尤其是无功容量的影 响呈线性关系)等优点，是当今最先进的无功补偿 与谐波治理装置。但是由于设备复杂程度高、稳 定性差，开关器件可靠性低、价格昂贵等原因，并 且这种方案性能价格比较低，基本上不具备工业 现场运行的条件。因此，有源谐波滤除在工业现 场应用，其性能还有待于进一步提高u 。 (2)无源谐波滤除装置：无源滤波的主要结构 是用电抗器与电容器串联组成联 于系统中，谐波频率上，例如3，5，7，11次谐振点上，以达到 滤除这几种谐波的目的。这种滤波装置成本低， 滤波效果不理想，如果谐振频率设定得不好，会与 系统产生谐振。不过，目前市场上采用滤波方法 较多的通常就是这一种，虽滤波的效果较差，但只 要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功 补偿的要求就行了。由于其低成本，用户容易接 受，所以市场的需求量也就大。一般而言，10下电压等级系统几乎都是采用这种方式对谐波 进行治理特别是在中小型私有企业，业主对谐 波的危害认识不足，一般不愿意拿出大量的经费 来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量高，无功 消耗太大，常规的无功补偿不能凑效，但电力部门 又对力率(功率因数)的要求十分严格，达不到就 采用罚款的方式制裁，业主不得不安装滤波装置 进行无功补偿，因此，其市场的前景可观。 为了解决钢铁企业中电弧炉和连轧整流机组 等产生谐波分量大而造成的停产事故，目前常采 用无源谐波滤除装置行无功补偿和滤波。 单纯无功的补偿是很容易通过并联电容器实 现的，而在需要治理谐波时，还需要投入滤波装 置，而在实际中真正实用的滤波方案还是无源滤 波，因此，在同时需要这两种功能的场合，它们被 合二为一组成波器)网络。而电压闪变、无 功变化动态补偿以及不对称治理也都需要通过动 态无功补偿装置来实现。 62统为了主要的动 态无功补偿装置，解决了大量的动态无功补偿问 题。它响应速度快、技术相对成熟、高压可靠性高于是，即使是经过了20 来年的发展，还是无法克服装置本身所固有的缺 点： (1)硅塔可靠性低。由于硅塔由单只而成，任何一只，因此，传统的水平。 (2)谐波污染大。传统的另外一个问题就是引入了大量的谐波，因此，即 使系统自身不存在谐波，也需要安装滤波装置，增 加了造价与占地面积。 一7一 第31卷2013年第2期(总第164期) (3)体积庞大。由于采用的是空心电抗器，而 且滤波装置容量大，硅塔的安装需要专门的厂房， 而且硅塔需要水冷装置，诸多原因导致传统占地面积非常庞大。 624新型着控制技术的不断发展和对电抗器工艺与 结构的突破性改进，在克服了传统饱和电抗器响 应速度慢、损耗大、噪音大、谐波大等缺点之后，一 种基于磁阀式饱和电抗器的新型响应速度快特点的同时，克服了传统缺陷，成了传统传统比，这种新型控制回路而不直接安装在主回路中，受的电压仅为主回路的l左右，正因如此，新 型结起来，新型的 (1)极高的可靠性。 (2)较低的谐波含量，三相角接系统的电流 符合国家规定的相关标准。 (3)体积小，可调电抗器部分体积仅为传统 功补偿)的15左右。 (4)响应速度快，可以达到20常好，是无功补偿和谐波治理的首选。 使用与维护 7结束语 随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统 中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备 的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算 机、电视系统等电子设备正常工作。因此，谐波问 题不但涉及供电部门、电力用户，而且对设备制造 商也提出了更高的要求，谐波问题已引起了人们 的高度重视。应合理规划电网，电力电子设备(特 别一次设备)在制造时应考虑如何抑制谐波，电子 设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。 参考文献 11耿毅工业企业供电北京：冶金工业出版社，1991： 302【2】刘介才实用供配电技术手册北京：中国水利水电 出版社2002：123 1454993 电能质量公用电网谐波 4】叶青，徐政电力系统间谐波及其检测方法综合分 析，浙江大学电机系，2007 5力系统谐波分析，007 从目前应用看，新型201208 靖 菏 蠕 矗蛞、 、 _、! ； ! 、呤 、 = 、 、 、! 、 一 ! 、!# 上接第4页 力的上下限范围，当初冷器前吸力低于下限时，令 ，使鼓风机直接 升速进行吸力调整。等待一段时间后，如果吸力