電網電能質量的優(yōu)化方案

摘要：文章介紹了宣鋼電網目前的供電情況和電能質量現狀，通過APF和LCF串聯使用的HAPF方案，徹底消除系統(tǒng)的諧振問題，大幅提高諧波電流濾除，減小了線路損耗，提高電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

關鍵詞：電能質量；諧波；系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號：TM864文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2012）08-0098-02

宣鋼是國家重點大型鋼鐵企業(yè)，有自己獨立的供電網絡系統(tǒng)，現有110 kV變電站4座、35 kV變電站15座，年供電總量約為22億kW時，本電網覆蓋宣鋼各部門的生產、生活范圍。但隨著電網中大功率整流設備等非線性負載日趨增加，諧波電流和諧波電壓給電網造成的危害已經到了不容忽視的地步。

1目前現狀及數據分析

隨著近年來宣鋼規(guī)模的不斷擴大，產品種類增加和產品質量要求的不斷提高，使得宣鋼的電網布局也隨之發(fā)生了重大改變。在可持續(xù)發(fā)展觀念的引領下，“節(jié)能減排”也成為了我們企業(yè)乃至社會的重要工作重點。電能質量直接關系到電力系統(tǒng)的供電安全和供電質量，而供電質量的提高正是為安全、高效的生產和節(jié)能減排提供了前提。

諧波會造成電網損耗增加、電容器諧振、繼保誤動作、電能計量誤差等危害，為維護電網安全、高效運行必須治理諧波污染。而且大量無功電流在電網中的流動會導致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落嚴重等問題。

根據現場了解的情況，我們宣鋼配電系統(tǒng)大體情況如下：

①在容量為10000～40000 kVA主變壓器下采用6脈波整流方式，其產生的諧波電流以奇次為主。

②從檢測數據中可以看出，變壓器正常工作時，在主電機啟動時功率因數低時，含有奇次諧波。各變壓器下的諧波電流值已經超過了中華人民共和國國家標準電能質量公用電網諧波 GB/T 14549-93所規(guī)定的諧波電流允許值。且諧波電流嚴重超標。

③由于我公司在2008年1月只在一些沖擊性負荷較大的35 kV變電站安裝了電能監(jiān)測儀，主要監(jiān)測軋線、高速線材、棒材、中型材和精煉爐等諧波含量較為突出明顯的系統(tǒng)，現就1月到6月的監(jiān)測數據和現場的大體情況進行分析：

其一，軋線變電站、高速線材變電站、棒材變電站、精煉爐變電站、中型材變電站都曾出現過電壓短時中斷，同時又有頻率為0的情況，說明在該時段曾出現過三相短路現象，造成電壓中斷，根據變電站下屬的負荷，可能是電磁爐在運作；在其他時段五個站也有不通程度的電壓偏差，而且大多都在7%以上，觀察其發(fā)生的時間，一般都是白天的上班時間，這說明電網存在負荷峰谷差的變化或大容量負荷率的變化影響較大，或是無功負荷沒有遵循就地平衡的原則，無功補償裝置尚不能隨負荷變化分組自動投切或按需自動投切，故不能減小無功在電網中的流動，再有因為這些變電站下屬的負荷中大多存在大型電機，而電機大多使用了變頻器，這將造成電網電流波形的強烈畸變，產生高次諧波電壓；如精煉爐的大型電弧爐及焊接機單相負荷的應用，將造成三相電壓的不平衡，使供電系統(tǒng)電壓波動和產生電壓閃變，造成電壓偏差。

其二，五個變電站都存在不通程度的電流諧波總畸變率超標的情況，嚴重的甚至達到了1473%。

2具體實施方案或措施

2.1綜合治理方案

我公司目前在電網阻抗與負載變化較大的情況下，單獨使用LC無源濾波器(LCF)不能很好的解決諧波無功治理問題。一是濾波不徹底，沒有達到治理目的；二是LCF容易與電網發(fā)生諧振，諧波電壓和諧波電流將成倍增加，導致LCF過載而燒毀。

本綜合治理方案利用有源電力濾波器(APF)的領先技術優(yōu)勢，提供一種APF和LCF串聯使用的混合式有源電力濾波器(HAPF)治理方法，該方案可以很好的限制補償電流過載、防止諧振現象，保護各次無源濾波支路安全、可靠的運行。

使用HAPF治理方案，可以達到比單純LCF更好的濾波效果，并且從根本上杜絕LCF與電網發(fā)生諧振的危險性，即使在負荷與電網系統(tǒng)阻抗均發(fā)生較大變化時，仍然可以保證整個濾波裝置中LCF部分的安全、可靠的運行，保護發(fā)電機的正常運行，將諧波問題對系統(tǒng)的影響減至最低。

2.2治理方案原理

本方案的設計思路是：針對系統(tǒng)的諧波電流，即奇次諧波電流，設計APF和LCF串聯使用的HAPF方案。該方案投入使用后，可以很好地抑制6～35 kV母線的諧波電壓與諧波電流，濾波效果優(yōu)于GB/T14549和IEEE-519標準。

系統(tǒng)主要由三部分組成，一是無源濾波器LCF；二是有源電力濾波器APF；三是耦合變壓器T以及與其并聯的小電抗La。對于常見6脈波整流器來說，主要的諧波成分是奇次諧波，所以系統(tǒng)設置了奇次LCF進行特定次數的諧波補償。

HAPF的關鍵技術有兩方面：一是通過APF和耦合變來控制LCF中流過諧波電流大小，防止諧振；二是的通過APF的諧波電流源特性提高LCF的濾波效果。在一般情況下，LCF電流可以分為兩部分，一是基波無功電流，二是諧波電流，因此HAPF的工作原理就體現在以下的幾個方面。

對于基波無功電流來說，APF相當于是一個高阻抗，而La電感量很小，對基波來說阻抗很小，所以大多數的基波無功電流都從La通過而不經過耦合變，因此耦合變和APF上的基波電壓就很低，大部分是諧波電壓，達到了降低APF耐壓的目的。

對于諧波電流來說，APF阻抗為零，甚至可控制APF對諧波阻抗為負，從而大多數的諧波通過耦合變流過，而不經過La。由于整個HAPF對諧波的阻抗等于有、無源二者諧波阻抗之和，如果控制APF對諧波阻抗為負值，就可以降低整個HAPF的諧波阻抗，達到提高LCF濾波效果的目的。由于諧波電流極少流過La，因此LCF中的流過的諧波電流完全取決于APF的輸出電流，而APF輸出的諧波電流都是可控的，因此只要控制APF輸出的電流大小就可以防止系統(tǒng)出現諧振。

3實施后效果分析

實施后可以達到以下預期效果:避免系統(tǒng)諧波對其它用電設備和上級電網的污染；徹底消除系統(tǒng)的諧振問題；總體濾波效果優(yōu)于GB/T 14549-93對諧波電壓和諧波電流的規(guī)定，優(yōu)于IEEE std 519標準規(guī)定，諧波電流濾除率大于60%。

4實施后效益分析

電能監(jiān)測設備與有源電力濾波器（APF）的安裝，明確了電網電能質量污染的程度，并使我們的電能質量有了準確的數據報告，AFP的接入將大幅度減少無功電流在電網中的流動導致的線路損耗，提高變壓器利用率，減小用戶電壓跌落程度及現象。還可以有效的避免繼電保護的誤動，使電能計量誤差減小到最小，為電網安全、高效的運行提供進一步保障。

參考文獻：

[1] 韋永忠，鄭愛霞，袁曉冬，等.江蘇電網電能質量評估方法及應用[J].江蘇電機工程，2011，(5).