低壓配電室電網諧波分析及改造

　　摘要:隨著電力電子技術的發展和廣泛應用，供電系統中增加了大量的非線性負載，引起了電網電流、電壓波形的崎變，高次諧波顯著增加，成為電網中的“公害”。結合實際對低壓配電室諧波電壓、電流及分布進行了實測，提出了采用動態混合有源濾波器進行改造的方案，并給出了具體的計算。

　　隨著 電 力 電子技術的發展，供電系統中增加了大量的非線性負載，從低壓小容量的家用電器到大容量的工業變流裝置的廣泛應用，引起了電網電流、電壓波形的畸變，高次諧波顯著增加，成為了電網中的“公害”。這些非線性負載產生高頻諧波有3次、5次、7次、9次等更高次，而在這些高次諧波中，對于工業用戶，5次、7次，11次、13次成為最大含量的諧波分布。如果供電系統長期處于這種運行狀況，將可能導致變壓器過熱故障，能量損耗增加，功率因素降低;干擾電子設備(UPS、發電機、電容)，造成電能和設備利用率不足，出現過流、過壓、過熱，絕緣老化現象，最終導致整個電網處于一個不安全的運行狀態。

　　1 低壓配電室技術數據測量

　　測試 工 具 為FULKE4 3B型電能質量分析儀。測試對象為變壓器(S10一1u一1000/10型號，1000kVA,10/0.4 k V,DY nI1)。非線性負載共計6臺，功率為550 kW。現場實測技術數據見表1。表1中的數據表明，諧波電流超過國家標準3倍以上。

　　2 電網系統凈化改造方案

　　目前 ， 國 內先進的低壓電網凈化裝置是動態混合有源濾波器，它由有源濾波器和無源濾波器及自動控制系統組成。

　　(1 )無 源 濾波器。無源濾波器組成主要由電容器、電抗器、電阻器串聯而成。工作原理及特點:濾波器并聯在含有諧波的電網上，根據需要補償無功功率和濾除諧波。該濾波器對基波頻率補償無功功率，對諧波呈現低阻抗，從而濾除各次諧波電流。它采用特殊設計的電容器、電抗器的參數和結構，濾波效果顯著，結構緊湊，操作方便，保護齊全。同時解決電流諧波與無功補償問題。

　　(2 )有 源 濾波器。有源濾波器組成主要由控制器、IGBT組成的逆變器、電容器組成。工作原理:通過實時地檢測負荷電流，并將所測量的諧波在高性能的控制器中處理，輸出負荷中諧波信號，用于控制PWM(脈寬調制)的IGBT功率模塊，并通過線路電抗器注人反相位的諧波電流，精確地把諧波電流互相抵消。

　　(3) 動 態 混合有源濾波器。動態有源濾波器性能優越，但價格高，無源濾波器雖然存在一定缺點，但價格優勢明顯，兩者有機結合，則會在技術、價格、性能指標、工作效率等方面有明顯的優勢。無源濾波器和有源濾波器容量比例，取決于負載的種類、補償的目的、負載諧波的特點。一般情況，混合濾波器在采用了無源濾波器后，有源濾波器主要用來補償無源濾波器沒有補償的其他次諧波電流，其中較大的是3次諧波電流及少量的其它次諧波電流。無源濾波器容量占整個濾波容量的70%一80%，有源濾波器容量占整個濾波容量的20%一30%。動態混合有源濾波器采用并聯有源濾波器與無源濾波器串聯的混合濾波器系統(見圖1)。

　　圖 1 動 態 混 合 源濾 波 器 系 統

　　動態 混 合 有源濾波中無源濾波器的多目標優化設計的主要原則如下:

　　(1) 系 統 的L,C參數必須滿足不產生串、并聯諧振的要求;

　　(2) 系 統 運行后，基波無功容量應滿足系統無功補償的要求;

　　(3 )系 統 運行后，電網的諧波含量應符合國家標準(GB/T14549一93);

　　(4) 考 慮 背景諧波，一般將各次諧波電流加大10% ;

　　(5 )確 定 電網頻率的最大正負偏差量，選擇合適的調諧銳度(Q值);

　　(6 )各 次 單調諧濾波器的Q值相等。

　　對于 無 源 電力濾波器參數的優化，單憑一項指標難以*價其設計質量的優劣，在實際的工程設計中應考慮多個指標。本改造方案中采用遺傳算法對混合電力濾波器的L,C參數進行優化設計，全面的考慮動態混合有源濾波器的諧波濾波、無功補償、諧振和成本等綜合問題。

　　3 動態混合有源濾波器容量計算

　　根據 現 場 測試的無功功率因數及總諧波電流，確定諧波濾波及無功補償的容量。由于變壓器的負載大小在實際負荷波動時總是變化的，三相負載的諧波電流、諧波電壓、功率因數也是變化的，測試記錄的數據只是一個瞬間數據，是一個典型值。考慮到變壓器所帶負載中有部分負載在測試時沒有投人運行，且負載變化時電流、功率有進一步增加的可能，據此，在數據計算時考慮一定的負荷變化系數，以1.35倍數據進行計算。由于均為三相平衡負載，所以只以A相數據進行計算。即:
　　A相 總 電 流:528A x 1 .35 = 713A
　　A相 基 波 電流:514Ax1.35=694A
　　A相 諧 波 電流:713A x 2 2.8%=163A
　　A相 有 功 電流:694A x O .80 = 555A
　　A相 無 功 電流:/6942一5552

= 4 17A
　　變壓 器 供 出的總容量:
　　3x 2 2 9. 5 V x 7 13 A = 490 kVA
　　負載 的 有 功容量:
　　3x 2 29 . 5 V x 55 5 A = 382 kW
　　濾波 器 只 補償諧波的容量:
　　3x X 2 9 .5 V x 1 63 A = 112k VA
　　濾波 器 只 補償無功的容量:
　　3 x2 2 9. 5 V x 4 17 A = 287 kVar
　　濾波 器 補 償總容量:
　　/1 12 2 +2 8 72

= 30 8 k VA

　　　考 慮到 變 壓器現在負載還不到額定負載的一半，今后還有負荷擴展的可能。另外，經驗的混合濾波器選型應為設計計算結果的1.25一1.35倍，并靠大一檔為最佳容量選型方案，故此本設計擬選動態混合濾波器補償總容量為450 kVA

　　4 效益分析

　　(1) 改 善 電能質量。電網凈化裝置能全面改善電網質量，能濾除電網諧波，補償無功，防止電網串并聯諧振，防止電壓波動和閃變，提高設備運行的可靠性，減少事故率，減少電器設維修費用和維修時間。

　　(2) 降 低 電能損耗。由于補償了諧波電流和無功電流，使變壓器和輸電栽路的電流減少，變壓器和輸電線路的損耗減少，節能約10%.

　　(3) 提 高 配供電能力。進行諧波補償后，功率因數由0.8提高到0.95，諧波電流由22.8%下降到接近于零，使變壓器的實際負荷大大下降，有更大的供電富裕能力。