某炭素厂配电系统谐波治理节能改造方案..

设计编号 设计编号 客户名称 客户名称 项目名称 项目名称 设设 计计 方方 案案 目目 录录 一 项目概述一 项目概述 2 2 二 企业实施电能质量管理的必要性二 企业实施电能质量管理的必要性 2 2 1 1 谐波对设备及生产的影响 谐波对设备及生产的影响 4 4 2 2 谐波治理是企业发展需求 谐波治理是企业发展需求 5 5 3 3 电能质量改善带来的效益 电能质量改善带来的效益 5 5 三 谐波治理改造方案要求三 谐波治理改造方案要求 5 5 四 谐波治理技术方案四 谐波治理技术方案 6 6 1 1 测试目的及仪表简介 测试目的及仪表简介 6 6 2 2 数据测试及分析 数据测试及分析 1313 3 3 谐波治理解决方案 谐波治理解决方案 1414 五 产品介绍五 产品介绍 1818 六 六 无源滤波 有源滤波及与其他进口品牌的比较无源滤波 有源滤波及与其他进口品牌的比较 2727 七 工程概要七 工程概要 2929 八 质量保证和售后服务八 质量保证和售后服务 3030 九 应用案件例介绍九 应用案件例介绍 3131 2 一 项目概述一 项目概述 1 1 编制的依据 编制的依据 根据碳素厂煅烧车间 新焙烧车间 成型车间提供的用电数据及我方技术人员现场采集电气 数据编制此方案 2 2 改造单位的基本情况 改造单位的基本情况 碳素厂煅烧车间和新焙烧主要用电设备为 风机 混捏机和电焊机等动力设备 其中大 部分设备使用了ABB变频器 产生了大量的谐波 考虑到生产工艺的安全保障及电力品质改造 的方向 根据设备用电情况及生产工艺要求进行谐波治理改造方案的设计 3 3 供电系统情况分析 供电系统情况分析 碳素厂煅烧车间 新焙烧 成型用电设备以电机为主 由于生产工艺要求的复杂性 对用电设备的供电质量的可靠性要求较高 在现场用电设备中 变频负载所占比例较大 产生大量的谐波 影响供电系统的稳定性 极大地恶化了线路和系统的电力品质 对线路系统中的其他设备及PLC系统的正常运行产生 了不良影响和安全隐患 同时造成不必要的电力能源额外损耗 二 企业实施电效管理的必要性二 企业实施电效管理的必要性 1 1 谐波对设备及生产的影响 谐波对设备及生产的影响 1 谐波对电机的影响 谐波对电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩 由于集肤效应 磁滞 涡流等随 着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加 在供电系统中 用 户的电动机负荷约占整个负荷的绝大部分 因此 谐波使电力用户电动机总的附加损耗 增加的影响最为显著 由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整 由谐波引起电 动机的发热效是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的 相关试验 表明 在额定出力下持续承受为 3 额定电压的负序电压时 电动机的绝缘寿命要减少一 半 谐波电流所产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大 但谐波会产生显著的 脉冲转矩 可能会出现电机转轴扭曲振动的问题 2 谐波对变压器的影响 谐波电流使变压器的铜耗增加 特别是谐波会在其绕组中形成环流 使绕组过热 对全星形连接的变压器 当绕组中性点接地 而该侧电网中分布电容较大或者装有中性 3 点接地的并联电容器时 可能形成谐波谐振 使变压器附加损耗增加 3 谐波对工厂自动控制系统的影响 随着自动控制的普及 工厂大量使用了如PLC DCS等电子设备的自动控制系统 此类 设备对供电电压的谐波畸变很敏感 这种设备常常须靠电压波形的过零点和其它电压波 形取得同步运行 电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个 相间电压的位置点 这两点对于不同类型的自动控制设备是至关重要的 控制系统对这 两点 电压过零点与电压位置点 的判断错误可导致控制系统失控 谐波还严重干扰仪表 信号的幅值 进而造成生产或运行中断或误动作 引起设备和生产事故 导致较大的经 济损失 4 谐波对供电线路的影响 优于供电线路阻抗的频率特性 线路电阻随着频率的升高而增加 在集肤效应的作 用下 谐波电流使输电线路的附加损耗增加 在供应电网的损耗中 变压器和输电线路 的损耗占了大部分 所以谐波使电网网损增大 谐波还使三相供电系统中的中性线的电 流增大 导致中性线过载 输电线路存在着分布的线路电感和对地电容 它们与产生谐 波的设备组成串联回路或并联回路时 在一定的参数配合条件下 会发生串联谐振或并 联谐振 一般情况下 并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性 较大 当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时 会激励电感 电 容产生部分谐振 形成谐波放大 在这种情况下 谐波电压升高 谐波电流增大将会引 起继电保护装置出现误动 以至损坏设备 与此同时还可产生相当大的谐波网损 对于 电力电缆线路 由于电缆的对地电容比架空线路约大 10 20 倍 而感抗约为架空线路的 1 2 1 3 因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大 造成绝缘击穿的事故 5 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性 谐波对电力系统中以负序 基波 量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重 这是由于这些按负序 基波 量整定的保护装置 整定值小 灵敏度高 如果在负序基础 上再叠加上谐波的干扰则会引起发电机负序电流保护误动 若误动引起跳闸 则后果严 重 变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动 母线差动保护的 负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护 高频保护 故障录波器 自动准 同期装置等发生误动 严重威胁电力系统的安全运行 6 干扰通信系统的工作 电力线路上流过的 5 7 11 13 等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合 4 在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压 干扰通信系统的工作 影响通信线路通话 的清晰度 而且在谐波和基波的共同作用下 触发电话铃响 甚至在极端情况下 还 会威胁通信设备和人员的安全 另外高压直流 HVDC 换流站换相过程中产生的电磁噪 声 3 10kHz 会干扰电力载波通信的正常工作 并使利用载波工作的闭锁和继电保护装 置产生动作失误 影响电网运行的安全 7 对用电设备的影响 谐波会使如照明设备 通信设备 电视及音响设备 电脑设备 载频遥控设备等 都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命 8 谐波对人体的影响 从人体生理学来说 人体细胞在受到刺激兴奋时 会在细胞膜静息电位基础上发 生快速电波动或可逆翻转 其频率如果与谐波频率相接近 电网谐波的电磁辐射就会 直接影响人的脑磁场与心磁场 2 2 谐波治理是企业发展的需求 谐波治理是企业发展的需求 电能管理 电力分配和电力品质 负载设计等问题已成为影响企业生产经营的又一重要因 素 因电能管理 电力分配不合理和电力品质不佳等问题造成的设备故障率上升 产品品质下 降 设备增容成本增加的问题已成为企业又一制约发展和赢利的成本 同时 中国企业侧的电能使用效率却极低 我们每创造一个GDP单位的收益 所用去的电 耗 是发达国家的3 5倍 电能使用密度过大 电耗高度密集 使得一些企业的成本过高 产 品不具备国际和市场竞争力 三 谐波治理改造方案的要求三 谐波治理改造方案的要求 目目 的 的 在满足生产工艺的情况下 以消除谐波为目的 全面考虑节能降耗的方法和途径 降 低用电系统电费成本 提升设备使用效率 选择设备简洁 种类尽量少是这次方案设 计的一个基本目标 本次设计方案的优劣直接会影响相关设备的操作和维护 而系统 的复杂程度也随之会有变化 因此 设计的每一个细节都需考虑到将来实施 操作 管理 维护的每一个层面 兼容性 兼容性 考虑到生产工艺的需要 电效控制柜设备独立 不依赖于原有系统 出现问题能及时 5 脱离原操作系统 维护性 维护性 操作简单 设备安装维护简洁 以并联方式进行连接 保证控制系统的相互操作性 关联性 并易于维护 管理和扩充 综合效益 综合效益 包括可以提高电机的实际功率因数 降低线损 减少电机的损坏率 换修率 延长 设备的维修周期和使用寿命等 从而提高设备使用效率 提升企业的竞争力 四 谐波治理技术方案四 谐波治理技术方案 第一部分 测试目的及仪表简介 第一部分 测试目的及仪表简介 谐波测试目的 谐波测试目的 了解无功 谐波的基本情况并进行电气数据分析 测测 试试 仪仪 器器 FLUKE43B电能质量分析仪 监测及记录电力质量 当问题出现时分析它产 生的原因 电力质量故障诊断功能最全面的仪器 测量功率因数 突升 突 降 闪变 谐波分析到50次 高频瞬态测量 检测及波形显示 设备技术参数 电压精确度 0 2 0 1 电流精确度 0 5 0 1 第二部分 数据测试及分析第二部分 数据测试及分析 1 煅烧车间配电系统由2台容量800kVA变压器供电 电压等级为400V 各变压器配电系统下负 荷基本相同 三相运行电流 电压基本平衡 系统有变频器12台 各配电系统负载设备有锅炉 引风机132KW 2台 大窑引风机45KW 2台 小窑引风机55KW 2台 还有一些小功率设备和照 明设备 变压器根据生产需要提供3种供电方式 1 开一备一运行 闭合母线 2 2台同时独立运行 断开母线 3 开一备一运行 断开母线 这种运行方式较少出现 6 煅烧车间配电系统示意图煅烧车间配电系统示意图 2008年5月5日煅烧车间1 变压器母线各测试电气数据图表如下 1 A相现场测试数据如下 A A相相5 5次谐波电流和谐波含量次谐波电流和谐波含量 A A相相7 7次谐波电流和谐波含量次谐波电流和谐波含量 7 负荷平均功率和功率因数负荷平均功率和功率因数 负荷平均谐波含量和电流负荷平均谐波含量和电流 C C相相5 5次瞬时谐波电流次瞬时谐波电流 C C相相7 7次瞬时谐波电流次瞬时谐波电流 8 2 测量的数据表明该配电系统主要以 5 7 次谐波为主 其谐波电流含量18 系统功率因 素 0 83 左右 需要进行治理 2 2 新焙烧配电系统由2台160kVA变压器供电 电压等级为400V 各变压器配电系统下负荷基本 相同 三相运行电流 电压基本平衡 安装有8台这频器 配电系统负载设备有排烟风机 315KW 3台 开2台备用1台 多功能卷扬机45KW 2台 罗茨风机90KW 1台 大行车2台 变频器1拖2 小行车2台 变频器1拖2 还有一些小功率设备和照明设备 变压器根据生 产需要提供3种供电方式 1 开一备一运行 闭合母线 2 2台同时运行 断开母线 3 开一备一运行 断开母线 这种运行方式较少出现 煅烧配 1 1 进线进线 谐波参数 容量 电压等级短路阻抗 最大负载电流负载功率总和 800KVA400V4 54 680A650KW Uan v A 相功率 THDFu RMS 电压 V 基波电压 V 3次电 压 V 5次电压 V 7次电压 V 9次电压 V P KW Q Kvar S KVA COS f HZ 2 5226 4222 35 63 73 33 163 7852 6889 125 0 80 0 83 50 谐波含量 2 4 1 81 5 1 3 Ia A THDF i RMS 电流 A 基波电 流 A 3次电 流 A 5次电 流 A 7次电流 A 9次电 流 A 11次电流 A 13次电流 A 15次电流 A 17次电流 A 19次电流 A 24 5 370 430 350 510 4 2 9 8 56 68 26 33 5 1 9 86 8 5 53 24 3 谐波含量 1 7 15 18 8 7 1 4 2 7 1 7 1 3 0 6 1 0 9 新焙烧车间配电系统示意图新焙烧车间配电系统示意图 2008年5月5日新焙烧2 变压器母线各测试电气数据图表 1 A相现场测试数据如下 A A相相5 5次瞬时谐波电流次瞬时谐波电流 A A相瞬时基波电流相瞬时基波电流 新焙烧配新焙烧配 2 2 进线进线 谐波参数谐波参数 10 2 测量的数据表明该配电系统主要以 5 7 次谐波电流为主 其谐波电流含量19 3 有必 要进行治理 系统功率因素 0 93 左右 达到国家标准 3 3 成型车间配电系统由2台160kVA变压器供电 电压等级为400V 各变压器配电系统下负荷 基本相同 三相运行电流 电压基本平衡 配电系统负载设备有风机132KW 1台 磨机 132KW 1台 除尘风机45KW 2台 破碎机37KW 2台 振动筛37KW 2 除尘风机22KW 4台 大行车30KW 2台 还有一些小功率设备和照明设备 功率总和大约865KW 该车间有变频器6 台 变压器根据生产需要提供3种供电方式 1 开一备一运行 闭合母线 2 2台同时运行 断开母线 3 开一备一运行 断开母线 这种运行方式较少出现 容量 电压等级短路阻抗 最大负载电流负载功率总和 1600KVA400V4 86 1300A950KW Uan v A 相功率 THDFu RMS 电压 V 基波电压 V 3次电 压 V 5次电压 V 7次电压 V 9次电压 V P KW Q Kvar S KVA COS f HZ 2 5226 4226 4 6 5 3 83 3 3 4 140651470 9550 谐波含量 2 8 1 61 5 1 5 Ia A THDF i RMS 电流 A 基波电 流 A 3次电 流 A 5次电流 A 7次电 流 A 9次电 流 A 11次电流 A 13次电流 A 15次电流 A 17次电流 A 19次电流 A 23 5587 6115851611368325307188 谐波含量 2 519 311 10 44 14 71 12 71 3 11 2008 年 5 月 18 日成型车间 1 变压器母线各测试电气数据图表如下 单相测试数据图表 12 成型车间成型车间 2 2 进线进线 谐波参数谐波参数 2 测量的数据表明该配电系统主要以 3 5 7 9 次谐波为主 其谐波电流含量10 7 需 要进行治理 系统功率因素 0 91 左右 达到国家标准 4 4 数据分析 从供电系统的测量结果来看 电机的变频负载在正常运行中存在的谐波电流是 三次 五 次 七次 十一次和十三次谐波电流 由于这些谐波的存在 一方面增加很多电能的损耗 另 容量 电压等级短路阻抗 最大负载电流负载功率总和 1600KVA400V 4 89 1150A890KW Uan v A 相功率 THDFu RMS 电压 V 基波电压 V 3次电压 V 5次电 压 V 7次电压 V 9次电压 V P KW Q Kvar S KVA COS f HZ 0 8225 92250 221 120 6711158197 40 9150 谐波含量 0 10 50 3 Ia A THDFi RMS 电流 A 基波电流 A 3次电流 A 5次电流 A 7次电流 A 9次电流 A 11次电流 A 13次电流 A 15次电流 A 26 2650 880905 23899 12 9625 10526 210 045 02 谐波含量 4 5 10 71 82 52 61 30 5 13 一方面还会增加变压器的负担 势必会给整个电网系统和生产设备造成一定的危害 供电系统正常运行时奇次谐波电流已经逼近国家管制的标准 由于谐波量偏大 将引起额 外的线路损耗 接触损耗 铁心损耗 易于造成线路和设备发热从而引发安全事故并损害设备 的正常工作和正常使用寿命 大量的谐波电流不仅仅给供电系统的稳定性造成严重影响 同时 影响电网的供电安全 从测量谐波电流数据可以看出 变频负载产生比较大的谐波电流从而引起严重的电流畸变 从电压 电流谐波表中可以看出 谐波电流最大畸变率为241A 24 6 从测量的数据可以 看出电流谐波比较大 谐波的存在 严重地影响了各种电气设备的正常运行 并不可必免地给 用户带来附加损耗 从调查的结果来看 碳素厂变频负载在客观上产生各次谐波 由于谐波含量大 电流总 畸变率偏大 导致波形发生明显畸变 造成很大的能源浪费 影响设备的安全和使用寿命 第三部分 谐波治理技术解决方案第三部分 谐波治理技术解决方案 1 1 设计依据设计依据 根据从碳素厂现场采集的数据 见非标产品现场谐波参数表 和现场调查的情况 以及将 要达到的改造要求来编制本方案 从现场采集到的数据可以看出 配电系统的功率因素还可以 但3次 5次 7次 11次谐 波电流含量较高 整个配电系统的电力品质恶化程度比较严重 从谐波治理角度分析 碳素厂 的谐波干扰已非常严重 影响设备的安全运行 所以谐波治理已到了急需治理的程度 从节能 的角度分析 提高畸变功率因数 减少谐波畸变功率 从测量的数据计算需要增加两台有源电 力滤波器 降低视在功率从而达到变压器增容的目的 降低基波电流有效值从而达到保护及节 能的双重功效 2 2 设计方案设计方案 设计选择英国萨梅特 SAHF 有源电力滤波器进行治理 作为世界上较早从事节能和电能质 量产品研发和生产的专业制造厂商 英国萨梅特具有强大的研发和生产能力 一直引领业界技 术的发展 具备傲视同侪的领先自主技术 并且依靠强大的规模生产优势 所供应的产品具有 无与伦比的性价比 性能卓越 有源电力滤波器的成功挂网运行预示着该装置在解决了谐波危 害的同时 将同时带来大大降低电网的无功损耗 节约大量电能的益处 并为清洁电网做成重 大贡献 使电网绿色环境成为一种可能 有源电力滤波器 根据最新的瞬时无功功率理论 应 14 用数字信号处理技术 DSP 脉宽调制技术 PWM 智能化功率单元技术 IPM 触摸屏技术 GP 等前沿科技 可实现动态消除谐波 平衡三相负荷 是一种高技术含量 滤波效率好的 新型产品 根据各配电系统的状况所选用的有滤波器产品型号如下表 1 煅烧车间基波电流为 350A 510A 5 次谐波电流较大 在 56A 68A 范围 谐波含量 18 功率因素 0 83 考虑到如果该配电系统负载设备增加 不必另外增添滤波器装置 所以选 用 2 台容量为 100A 的三相三线有源滤波装置 型号 SAHF 04 A100 380V 并联安装于 配电系统母线上 吸收 200A 以下谐波 吸收率达到 90 以上 功率因素达到 95 以上 2 成型车间基波电流 905A 左右 5 次谐波电流最大为 99A 谐波电流较大 功率因素 0 95 达到国家考核指标 考虑到如果负载设备增加 不必另外增添滤波器装置 所以选用 2 台容量为 100A 的三相三线有源滤波装置 型号 SAHF 04 A100 380V 总容量为 200A 源滤波装置并联安装于配电系统母线上 吸收 200A 以下谐波 吸收率达到 90 以上 功率 因素达到 95 以上 3 新焙烧车间基波电流 580A 左右 5 次谐波电流较大 在 113A 范围 谐波含量 19 3 功 率因素 0 93 达到国家考核指标 谐波治理设计考虑到如果该配电系统负载设备增加 不必另外增添滤波器装置 所以选用 2 台容量为 150A 的三相三线有源滤波装置 型号 SAHF 04 A150 380V 总容量为 300A 源滤波装置并联安装于配电系统母线上 吸收 300A 以下谐波 吸收率达到 90 以上 功率因素达到 95 以上 以上三个配电系统的有源滤波装置方案 适应于变压器的各种供电方式 无论供电系统采取 哪种运行方式都能达到理想的谐波治理和无功补偿效果 15 有源滤波器安装示意图如 3 3 设计说明设计说明 因本系统的主要谐波源设备是变频设备 消除线路和系统各次谐波是谐波治理节能改造的 主要目标 从而干净吸收谐波和浪涌 改善系统电力品质 提高功率因数 保障设备安全和正 常运行 提高系统运行效率和电力能源使用效率的角度出发 进行本项谐波治理方案的制作 4 4 设计原则设计原则 目 的 以改善电力品质 综合提升设备运行效率和电力能源使用效率为目的 兼容性 设备独立 不依赖于原有系统 出现故障时能及时脱离原操作系统 维护性 操作简单 设备安装维护简洁 5 5 改造后预计达到的效果和经济效益改造后预计达到的效果和经济效益 SAHF SAHF 有源滤波器具有 滤波 动态补偿 抑制谐振 补偿无功功率等四大功能有源滤波器具有 滤波 动态补偿 抑制谐振 补偿无功功率等四大功能 通过技 16 改 并联安装于配电系统母线上 以上这些低压配系统的电流谐波将会被大大吸收 谐波问题 的影响基本消除 可达到以下效果 1 有源滤波装置投入后用电能质量可明显改善 可改善冲击负载引起的电流冲击 减 少电压波动和抑制电压闪变 提高稳定性 改善电压质量 功率因数可提高到功率因数可提高到 0 950 95 以上以上 线 损降低后可提高配电变压器的承载效率 经济效益明显 2 有源滤波器对配电系统自动实时跟随 动态 VAR 补偿 抑制电压波动和闪变 降低 损耗 提高用电效率 消除电网各次谐波 可同时滤除滤除 2 2 次到次到 6060 次次的谐波电流 提高设备安全 降低设备损耗 满足国家 国际 标准 总谐波电流吸收率 总谐波电流吸收率 90 90 3 采用高性能防涌流接触器投切各滤波支路 完善的控制系统 保护功能齐全 具有短 路保护 过压保护 过流保护等 运行可靠 操作简单 防止系统谐振 预防电气设备故障 保证供电安全 4 改善系统功率因素 降低电网损耗 提高设备效率 电路月平均功率因数 电路月平均功率因数 0 95 0 95 5 安装谐波治理装置后 有效的降低了谐波电流 增加了变压器的有效容量 可增加 相应的带载能力 减少扩容所需的投资 6 安装谐波治理装置后 可有效的降低变压器的损耗 提高变压器的安全运行系数 保证 对谐波敏感的保护装置和器件不发生误动作 起到节能降耗的目的 节能率达 10 30 减小 集肤效应 热损 铜损 铁损 磁损 噪音 大为下降 符合国家对能源节约和降耗的指示和 可持续发展的要求 并且 经过治理后的谐波电流含量不超过电流国标限值 GB T14549 93 电压总畸变率不超过国标限值 如下表所示 国家标准各次谐波电流限值 标准 电压 KV 基准短 路容量 MVA 2345678910111213141516171819 0 381078623962264419211628132411129 7188 616 610043342134142411118 5167 1136 16 85 3104 79 0 10100262013208 5156 46 85 19 34 37 93 74 13 26 02 85 4 3525015127 7125 18 83 84 13 15 62 64 72 22 51 93 61 73 2 6650016138 1135 49 34 14 33 35 92 75 02 32 62 03 81 83 4 110750129 66 09 64 06 83 03 22 44 32 03 71 71 91 52 81 32 5 17 谐波电压总畸变率的国标限值 电网标称电压 KV 电压总谐波畸变率 各次谐波电压含有率 奇次 偶次 0 385 04 02 0 6 10 4 03 21 6 35 66 3 02 41 2 1102 01 60 8 5 5 设备产品清单 设备产品清单 序号设备名称 型号 规格 数量备注 煅烧车间有源滤波器 SAHF 04 A100 380V 2 套英国萨梅特 新焙烧有源滤波器 SAHF 04 A150 380V 2 套英国萨梅特 成型车间有源滤波器 SAHF 04 A100 380V 2 套英国萨梅特 电流传感器 HAL 18 个瑞士 LEM 集团 铜芯电力电缆 50 2 3 350 米无锡远东电缆厂 铜芯电力电缆 70 2 3 200 米无锡远东电缆厂 屏蔽电缆 1 5 2 7 300 米 说明 此配制是根据现场测试及炭素厂要求 将项目原计划装置的三台 75A 容量有源滤波器改为四台 100A 容量有源滤波器装置 主要考虑将来生产需要增添负载设备 不必再增加滤波器 本装置具有消除 谐波的同时补偿无功功率 五 产品简介五 产品简介 1 1 萨梅特萨梅特 SAHF SAHF 有源电力滤波器简介 有源电力滤波器简介 SAHF 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波 补偿无功功率的新型电力电子装置 采用高频电力电子开关变换技术 模拟和数字混合电路技术进行电流检测和电流注入的新型电 力电子装置 能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿 和传统的无源滤波器相比 有突出的优点 1 对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制 且可提高功率因数 18 2 系统阻抗和频率发生波动时 不会影响补偿效果 并能对频率和幅值都变化的谐波进 行跟踪补偿 且补偿特性不受电网阻抗的影响 3 不会产生谐振现象 且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化 4 用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿 5 不存在过载问题 即当系统中谐波较大时 装置仍可运行 无需断开等 由以上可看出 它克服了传统的无源滤波器的缺点 具有良好的调节性能 因而有很大的 发展前途 2 2 SAHF SAHF 有源电力滤波器系统结构有源电力滤波器系统结构 SAHF SAHF 有源电力滤波器系统结构如图 l 所示 SAHF 有源电力滤波器的基本工作原理是 实时检测补偿对象的电压和电流 经指令电流 运算单元计算出补偿电流指令信号 该信号经补偿电流发生电路放大产生补偿电流 补偿电流 与负载电流中需用补偿的谐渡及无功等电流抵消 最终得到期望的电源电流 在图 1 中的体现 是 当需要补偿负载所产生的谐波电流时 有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流 iL 中的 谐波分量 iLb 后 将其反极性作为补偿电流的指令信号 iC 再由补偿电流发生电路产生补偿 电流 ic 其中补偿电流 ic 与负载电流中谐波分量 iLh 大小相等 方向相反 因而两者相互抵 消 使得电源中电流中只含基波 达到消除电源电流中谐波的目的 19 图 1 为有源滤波器的系统框图 通过传感器检测非线性负载的电流 iLa iLb iLc 经电流 信号调理后送入指令电流产生电路 指令电流产生模块是由 TI 公司的 DSP TMS320LF2407 为核 心建立的 DSP 计算出需要补偿的谐波和无功电流后 通过外部 D A 送入电流跟踪控制电路 霍尔传感器检测有源电力滤波器主电路的电流 ica icb icc 经电流信号调理后也送入电流 跟踪控制电路 电流跟踪控制电路对主电路补偿电流与指令电流进行滞环比较后送出栅极开关 驱动信号 驱动电路接受来自前级电流跟踪控制电路的 PWM 信号 并经隔离放大后驱动主电路 的开关管 以控制主电流的电路跟随指令电流的变化 最终达到实时补偿谐波与无功功率的目 的 电压传感器检测变流器直流侧总电压 经电压信号调理后送入指令电流发生电路 通过合 理的控制以凋节直流侧电压的稳定 启动 关断和保护模块按一定的时序控制装置的启动和关 断 并提供装置的过流 过压 过热 缺相等故障保护功能 3 3 有源电力滤波器主电路设计有源电力滤波器主电路设计 有源电力滤波器主电路的形式绝大多数采用电压型 SAHF 有源滤波器选择主电路为并联 电压型 单个变流器的形式 SAHF 有源滤波器主电路设计需要解决的问题是 主电路容量的计算 开关器件的选择及 其参数的确定 对补偿电流的跟踪特性起决定作用的参数 输出电感 L 直流侧电容电压 Ud 滞环宽度 的设计 按所选器件要求的驱动电路的设计以及整个装置的各种保护电路设计 1 1 主电路容量的计算主电路容量的计算 有源电力滤波器的容量 SA 由式 1 确定 式中 E 为电网相电压有效值 Lc 为补偿电流有效值 如果所设计装置的容量为 15 kVA 则 Ic SA 3E 15x103 3x220 22 7 A 2 2 功率开关器件的选取功率开关器件的选取 SAHF 有源滤波器选取适用于 APFP 中的全控型开关器件主要有 GTR IGBT IGCT 等 器件 3 3 主电路滞环宽度的选取主电路滞环宽度的选取 有源电力滤波器的指令电流包含高次谐波和暂态电流 实际输出的电流对指令电流有很高 的跟踪能力 下面以 A 相为例 分析采用滞环控制时逆变器的工作频率 f 与电网电压 ea 变 20 流器直流侧电压 Ud 及主电路电感值和滞环宽度 间的相互关系 对于 A 相半桥逆变电路 可得电路方程为 式 6 为正 即电感电流在上升 设 UC1 UC2 Ud 2 假定逆变器的工作开关频率较高 在一个开关周期内可认为电压 ea 基 本不变 则滞环控制时补偿电流的波形如图 2 所示 其中 为滞环宽度 由图 2 以及式 4 和式 6 可分别计算出电流的上升时间 Tu 和下降时间 Td 即 21 由式 9 知 逆变器的最小工作频率和最大工作频率分别为 取电流滞环宽度 为 1 2A 直流侧电压 Ud 为 l000V 主电路电感 L 为 5mH 则由上述 公式可得 最小开关频率为 12 767 kHz 最大开关频率为 20 833kHz 平均开关频率 16 8 kHz 4 4 直流侧电压的计算和电容的选取直流侧电压的计算和电容的选取 主电路的工作模式及相应的开关系数 如表 1 所列 等效电路图如图 3 所示 22 当 Ka 1 3 时 电流 ica 上升 即要求如果直流侧电压不能满足大于有源电力 滤波器与供电系统连接点的相电压峰伉 Em 的 3 倍 即 同理 当 Ka 1 3 时 电流 ica 下降 即要求 也不会永远成立 所以直流侧电压应满足如下条件 即 23 意味着主电路直流侧电压值应大于有源电力滤波器与供电系统连接点的相电压峰值 Em 的 3 倍 在此基础上 直流侧电压值越大 补偿电流的跟随性能越好 但器件的耐压要求也就 越高 因此 SAHF 有源电力滤波器的设计是综合考虑的 由式 15 得 由此选取直流侧参考电压 Udref 为 1000V 在某一 PwM 周期内电容始终处于充电或放电状态 直流侧电容电压最大允许偏离设定值为 Udmax 则 5 5 输出电感值的选取输出电感值的选取 有源滤波器的补偿特性丰要取决于输出补偿电流对于补偿指令电流的跟踪控制能力 而输 出电感值直接决定了补偿电流的跟踪速度 从而很大程度地影响电力有源滤波器的工作性能 电感值过大 则系统不能适时跟踪指令电流信号 而且电感值的增大也会造成设备成本的增加 反之 如果太小 则补偿后的纹波电流过大 SAHF 有源电力滤波器设计时合理选择主电路交 流侧输出电感值 6 6 电感的最大取值电感的最大取值 由主电路的模型 对于 A 相有 24 式 23 中 对于不同的谐波源和不同的补偿要求 指令电流 ica 是不同的 其最大电流变化 率与补偿参考电流的具体表达形式密切相关 其经验公式为 7 7 电感的最小取值电感的最小取值 如果电感取值太小 则会使补偿电流的纹波过大 影响有源电力滤波器的补偿效果 因此 电感的最小值主要由主电路开关器件所产牛的纹波决定 电感的作用是将其在补偿电流上产生 的纹波限定在一定范围内 有源电力滤波器的实际输出电流偏离指令电流的最大允许值为 imax 25 SAHF 有源电力滤波器以根据式 23 和式 29 并结合实际情况对交流侧电感值进行选取和调 整 从而选择合适的电感值 4 4 SAHF SAHF 有源滤波装置的应用有源滤波装置的应用 SAHF 有源滤波装置并联于系统电网中 通过实时检测非线性负载产生的谐波电流和无功 电流 快速产生与其大小相等 方向相反的补偿电流 IF 并注入系统 达到滤除谐波并改善功 率因数的目的 是用于动态抑制谐波 补偿无功功率的新型电力电子装置 能对大小和频率都 变化的谐波及无功功率进行补偿 和传统的无源滤波器相比 有突出的优点 1 对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制 且可提高功率因数 2 系统阻抗和频率发生波动时 不会影响补偿效果 并能对频率和幅值都变化的谐波进行跟 踪补偿 且补偿特性不受电网阻抗的影响 3 不会产生谐振现象 且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化 4 用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿 5 不存在过载问题 即当系统中谐波较大时 装置仍可运行 无需断开等 具有良好的调节性 能 萨梅特 SAHF 有源滤波装置优点 无需现场检测数据 即装即用 适合快速变动的负载情况 以及其他无源滤波无法治理的场合 在特殊情况下还可作为性 能优异的动态无功补偿装置 使功率因数稳定在设定值 而不是像常规的动态或静态无功 补偿 只是将功率因数控制在一定范围内变动 与其他进口同类产品比较 性能更加优越 更加集成化 具有价格竞争优势 性价比高 性能及参数 性能及参数 取样电流 A 0 5A CT 二次电流 单次电流谐波限值 2 温升 电感 40K 模块 20K 高频滤波器 5K 总电流谐波畸变率限值 4 THD 单模块电流峰值限制 84A 动态响应 20ms 防护等级 IP20 噪音 30dB 26 自动限流 不发生过载 保证不与系统发生谐振 可根据需要设置为 只补偿谐波 只补偿无功 同时补偿谐波和无功 采用智能型 IGBT 模块 内置保护有 短路 过流 过热 驱动欠压 直流母线过压 可 靠性极高 执行 IEEE 519 标准 国际标准 GB T1459 93 和 GB Z 17625 6 2003 柜体规格 单柜宽度柜体规格 单柜宽度 1000mmX1000mmX 深度深度 800mmX800mmX 高度高度 2260mm2260mm 注明注明 也可根据现场需要订制也可根据现场需要订制 六六 无源滤波 有源滤波及与其他进口品牌的比较 无源滤波 有源滤波及与其他进口品牌的比较 1 性能比较 性能比较 项目无源 SAHF 有源 谐波滤除率 50 60 95 滤波次数固定2 到 41 次 体积大小 27 容量扩展不能方便 负载特性的适应性弱强 现场实测数据需要不需要 维修麻烦模块化 热拔插方便 噪音 55DB55DB 项目达标率 80 100 动态响应 5 s20ms 自动限流无有 系统谐振容易产生不发生 功率因数稳定度波动大稳定在设定值 降低线损 10 10 运行模式滤波 无功 可设置为只补偿谐波 只补偿 无功或同时补偿谐波和无功 保护过流 雷击 过流 两级 雷击 过压 两 级 驱动欠压 轻载封闭 过 热 三级 模块故障报警 适 中保护 2 2 与其他进口品牌的比较 与其他进口品牌的比较 萨梅特有源滤波装置与国外其他知名品牌比较 性能指标基本完全一致 在某些方面甚至 更加优越 1 萨梅特低压电力有源滤滤装置采用模块化设计 每个模块完全独立 单模块故障不影 响其他模块的正常工作 维修更方便 由于支持热拔插 直接拔出损坏的模块 插上新的 模块即可 前后只需几秒钟时间 维修成本也更低 只收取单模块的成本即可 某些牌由 于采用单柜大电流的形式 维修需要更换功率大得多的功率器件 还需寻找故障点 所以 维修相当麻烦 费用也高得多 2 萨梅特低电