谐波治理和有源滤波无功补偿装置及应用

1、 19河南科技2010.8下一、引言随着电力半导体器件的不断更新和发展,供电系统中增加了大量的非线性负载,大功率的整流器、变频器、UPS、计算机、复印机、节能灯等设备会产生大量谐波电流注入电网,使电压波形产生畸变,从而对电网和所有后端用户造成严重危害,因此谐波问题及谐波治理问题随着电力系统的发展愈来愈引起人们的重视。本文以项目实例介绍一种新型无功补偿装置有源滤波器,该装置可有效抑制电网谐波,使电网电压保持稳定,避免了电容器与系统发生谐振的现象。二、项目应用实例1. 项目概况。某项目为年产10万吨过氧化氢项目,项目拟建一10/0.4KV变电站,电源进线引自原110/10KV变电站,采用专线架空敷

2、设,该10/0.4KV变电站设变压器2台,装置内用电负荷均由该变电站供电。2. 电网现况。过氧化氢项目与原离子膜项目紧邻,共用同一电网。现有装置电容器使用过程中,发生数次电容击穿、烧毁等事故,经初步分析事故原因为:由于离子膜整流装置产生高次谐波注入电网,该谐波电流流入电容器,使之过流发热,同时电容器与电网电感发生并联谐振,导致谐波的放大, 造成电容器烧毁事故。在现场采用谐波检测器对电网中一个支路进行检测。该支路变压器容量为1600kVA,电压等级为10kV/0.4kV,采用D,Yn11联结方式,阻抗电压百分比为4.5%,短路容量为35 MVA。图1为现场测试时所抓拍的电压畸变图和电流频谱图。从

3、图中可以看出,谐波成分以5次和7次为主,根据测试数据分析出5次谐波电流大小为238.6A,7次谐波电流大小为162.2A,5次、7次谐波电流均已超出国标值所规定217A和154A范围,电压畸变率为5.2%,超出国标规 定值5.0%。图 1滤波装置使用前电网侧电压畸变图和电流频谱图由此可见,现场电网中存在多次谐波,并且谐波污染十分严重。通过对现场调研,离子膜项目中使用的多台整流器,产生大量谐波电流,进而影响电网质量。该项目中无谐波治理装置,仅在离子膜项目的变配电站内设有无功补偿电容器,虽补偿后全厂功率因数已达0.9以上,满足国标要求,但这种传统无功补偿方式通过配置固定电抗率的电抗器,仅能抑制相应

4、次数的谐波电流,对治理电力系统中存在的多次谐波效果不佳。这会导致多种安全问题,如变压器温度过高,输出功率降低;电机产生脉动,噪声增大;中性点温度过高导致保护跳闸等,这些问题都会影响电网的安全运行。3. 设计方案。针对项目中使用整流器较多,谐波污染严重的情况,经论证比较,可采用有源滤波装置进行治理,故在企业内部电网的主电路上装设一套有源滤波装置。有源电力滤波器能实时监视线路中的电流,将谐波与基波分离后,对谐波电流进行补偿或抵消,主动消除电力谐波。有源滤波器有很快的响应速度,对变化的谐波和无功功率都能实现动态补偿,可以同时滤除多次谐波,特别是高次谐波,其补偿特性受电网阻抗参数影响较小。本项目中有源

5、滤波装置采用并联方式,它主要适用于电流源型非线性负载的谐波。并联的有源滤波器特性不受系统阻抗影响,不会与电网发生谐振,可以适应各种复杂的工况,且在装设过程中便于安装。图2为并联有源滤波器的原理框图。图中Is系 统电流;It检测电流;Ic补偿电流分量。图 2并联有源滤波器原理框图有源电力滤波器通过并联的方式连接到该项目电网的主电路中,在主电路中实时检测并分离出谐波电流,然后控制逆变电路产生一个与该谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流分量,注入到主电路中抵消原谐波电流,达到实时补偿谐波电流的目的。有源滤波设备投运后,原有的变压器和电机出现的温度过高和噪声较大的现象均得到明显改善。再对装设有源电力滤

6、波装置后的电网进行了现场检测,检测结果表明:治理后5次、7次谐波电流分别下降为76.2A、55.3A,电压畸变率下降为1.3%。如图可见(图3电压电流波形变得比较光滑,波形畸变也得到很大改 善,各主要次数谐波均实现有效滤除,滤波效果明显。图 3使用并联有源滤波器后电网侧电压畸变图和电流频谱图谐波治理和有源滤波无功补偿装置及应用黎明化工研究院牛辰卉郭超华李超摘要:电力电子元件在工业及家用电器领域的普及应用,产生非线性谐波,使电网畸变日益严重,影响电气设备的正常运行。本文介绍一种有源滤波补偿无功功率的方法,该方法用于非线性冲击负荷较大的工业企业和电网,有效滤除电网中高次谐波,使电压畸变率由5.2%

7、降低至1.3%,改善电压质量,提高供、用电设备效率,实现节能降耗。关键词:谐波有源滤波无功补偿电网畸变 (下转第48页电子信息技 术有4.59V,所以对电压要求不高,本着尽量降低成本而不损失系统稳定性的原则下,选择经桥式整流,再经滤波后直接输出。这样,既降低了系统的成本,又不失系统的稳定性。图中的VCCPP 即为对传感器的供电接口;而VCCP接口是对LED显示电路进行供电的,这是由于大型LED显示器要求较大的电流,所以专门给它 提供电源。图 3系统电路图图中霍尔传感器的脉冲输出经过光电隔离送入单片机;长度的显示采用动态显示方法以节约硬件成本。通讯采用传统的RS-232转换成RS-485实现远距

8、离的通讯,将测量的长度信息传输到上位计算机便于管理。由于上位计算机的数据库管理软件较为成熟,故不叙述。三、鉴向与长度测量的软件设计为正确测量长度,必须测量被测物的运动方向,也就是测量轮的正反鉴向。传统的方法是硬件鉴向3,4,5,如图4所示。随着单片机在测控仪表中的广泛应用,也出现了软件鉴向方法,但其程序设计通常是列举出各种情况下的两相脉冲状况,如文献3枚举了4种情况的8种计数方式下软件鉴向的方法。显然这在程序设计中比较复杂,本文分析硬件的基础上,用软件来实现其硬件功能。从图4的a图的硬件鉴向和b图正、反转时序图可看出,关键是在B向的上升沿时,A相的电平情况。在B相出项上升沿时,A相如为低电平,

9、则判断为正转。同时也可以判断出现了一个计数脉冲;反之,当B相出现上升沿时,A相为高电平,则判断为反转,同时也表示出现一个计数脉冲。而判断B相是否出现上升沿,在单片机中只要用到位指令,当然,还必须有记录B相电平状态的寄存器,只有当B为高电平,同时电平状态寄存器存放着上次采样时的电平状态,如为低时,才表示出现脉冲;如高,则还是处于高电平状态,不是上升沿,即不能计数。显然用这种方法易于编程。由于上述的传感器硬件设计上使得测量轮转动3圈产生15个脉冲,在将脉冲数转化为长度的计算中,程序设计上摒弃了浮点运算,而是采用3个脉冲计算0.2m,又由于精度要求为0.1m,故3个脉冲计算2个计量单位(0.2m可以

10、满足精度要 求而不必进行浮点运算。图 4方向辨别原理图和波形图四、结论本系统通过对传统机械计米器的智能化改造,并应用于纺织企业的布匹长度测量,结果表明系统可以有效的克服了机械式计米器的机械惯性作用导致测量误差,通过采用计算机管理布匹的信息,减少了厂家与经销商之间的摩擦,提高了产品信誉,是将现代电脑技术与传统工业有机结合起来的成功例子。参考文献:1 胡汉才.单片机原理及其接口技术M. 北京:清华出版社. 1996.2 强锡富.传感器M. 北京:机械工业出版社. 1994.3 张福学.传感器应用及其电路精选M. 北京:电子工业出版社,1992.4 方佩敏.新编传感器原理?应用?电路详解M. 北京:

11、电子工业出版社. 1994.5 刘君华.智能传感器系统M. 西安: 电子科技大学出版社. 2000.6 徐惠民,安德宁.单片微型计算机原理接口、应用M. 北京: 邮电学院出版社.1990.(上接第19页装设有源滤波装置后,系统中的各项电能质量指标均达到国标标准,所有的电力负载运行正常,整个生产线设备运行稳定。三、结论本项目采用有源滤波器补偿效果较好,达到了设计要求。(1补偿各次谐波,还可抑制闪变,补偿无功,实现动态补偿和精确补偿;(2滤波特性不受系统阻抗等的影响,消除与系统阻抗发生谐振的危险;(3具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,具有高度可控性和快速响应性,实现平滑调节。四、结束语有源电力滤波器具有反应及时、连续可调、动态跟踪补偿等优越性,成为一种有效的谐波抑制和无功补偿装置。随着我国对电网谐波污染治理的日益重视,“绿色电力电子”的呼声愈来愈高,有源电力滤波器以巨大的技术优势、强大功能、逐渐下降的价格,最终必将取代传统的电