密煉機供電系統(tǒng)的諧波治理措施

孫 亮 張琦俊

（1.浙江省天正設計工程有限公司，杭州 310012； 2.浙江城建煤氣熱電設計院有限公司，杭州 310012）

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展及輪胎廠生產規(guī)模的不斷擴大，輪胎行業(yè)大量使用大功率的橡膠工藝設備，如密煉機、雙復合擠出生產線、冷喂料擠出機等設備，多數(shù)采用直流調速或變頻調速裝置。然而這類裝置的使用在供電系統(tǒng)中產生大量的諧波，且功率因數(shù)偏低，造成電能浪費的同時還危及到工藝、電力設備的安全運行及產品質量。以下就輪胎行業(yè)密煉機供電系統(tǒng)的諧波治理進行分析。

1 密煉機供電系統(tǒng)諧波分析

1.1 密煉機運行工況

輪胎工廠的密煉機是一種捏煉強度極大的混合設備，主要用于橡膠的塑煉和混煉。在混煉物料的過程中要消耗大量的電能，其功率曲線圖如圖1所示[1]。從圖中可以看出密煉機工作過程中負荷量大且波動劇烈。

密煉機負荷以交流變頻電機為主，其變頻調速裝置的整流部分采用晶閘管整流技術，在工作時產生大量的高次諧波。由于變頻調速裝置多采用六脈動整流技術，所以產生的諧波以5 次、7 次、11 次、13 次為主。

圖1 密煉機功率曲線

1.2 諧波的危害

由于大功率變頻調速裝置在密煉機供電系統(tǒng)中產生大量諧波，供配電系統(tǒng)如果長期處于此運行狀況，將對用戶自身、供電電網(wǎng)的電能質量及電力系統(tǒng)造成極大的危害[2]，具體表現(xiàn)為以下方面：

1）大量的諧波電流造成并聯(lián)電容器無法正常投入使用，甚至發(fā)生電容器燒毀、爆炸等現(xiàn)象，致使功率因數(shù)嚴重偏低，電力罰款數(shù)額增大。

2）變壓器在較低負荷率時溫升達到額定值，變壓器使用容量大大降低。

3）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產生附加的諧波損耗，造成無功沖擊嚴重，供電母線電壓波動、壓降較大。

4）諧波使系統(tǒng)各類繼電保護和自動控制裝置誤動和拒動，電氣測量儀表計量不準確。

5）諧波對鄰近的通信系統(tǒng)造成干擾，輕者降低通信質量，重者使系統(tǒng)無法正常工作。

目前在橡膠工廠工程設計中，多數(shù)業(yè)主電氣管理人員要求對諧波進行抑制，由此表明橡膠工廠諧波的影響越來越嚴重，影響了企業(yè)的安全、經(jīng)濟運行。

2 諧波治理及國家相關標準

從以上分析可知，密煉機供電系統(tǒng)產生的諧波嚴重影響供電電網(wǎng)的電能質量。且根據(jù)國家標準GB/T14549-93《電能質量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，用戶注入公共連接點的諧波電流不得超過表1所列值（部分標準）。因此采取必要的治理措施消除諧波對供電電網(wǎng)、電氣設備、裝置等造成的影響是十分必要的。

從表1可以看出注入公共連接點的諧波電流允許值和基準短路容量有關，即與系統(tǒng)阻抗有關。系統(tǒng)短路容量越大，系統(tǒng)阻抗越小，諧波電流引起的電壓畸變就越小，允許諧波電流值越大。當電網(wǎng)的公共連接點的最小短路容量不同于表1中基準短路容量時，應按照式（1）進行修正：

式中，S1k為公共連接點的最小短路容量，MVA；S2k為基準短路容量，MVA；Inp為表1中第n次諧波電流允許值，A；In為短路容量為 1kS時的第n次諧波電流允許值，A。

表1 注入電網(wǎng)公共連接點的諧波電流值

3 諧波治理工程實例

3.1 系統(tǒng)概況

某工程密煉機供配電系統(tǒng)電源引自10kV 系統(tǒng)，共設有2 臺變壓器1T1、1T2，容量分別為4000kVA、2000kVA，聯(lián)結方式分別為Dyn11、Dy11d0，阻抗電壓Uk%為6%，電壓變比為10/0.69kV。1T1 變壓器向1#密煉機供電，1#密煉機由2×1250kW 交流變頻電機驅動。1T2 變壓器向2#密煉機供電，2#密煉機由1250kW 交流變頻電機驅動。配電系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 配電系統(tǒng)圖

考慮到密煉機系統(tǒng)的功率因數(shù)達不到供電部門要求的不低于0.92，因此在供電系統(tǒng)變壓器低壓側裝設容量為600kvar 動態(tài)電容補償柜3 臺進行無功功率補償。

3.2 諧波電流計算

用于電動機調速的單臺變頻裝置，一般是6 脈動裝置，其諧波電流含有率[3]如表2所示。

表2 電動機調速驅動用變頻裝置的諧波電流含量（In/I1） 單位：%

諧波源的各次諧波電流的方均根值即為總諧波電流含量，計算公式為

式中，In第n次諧波電流（方均根值）。

如果兩個諧波源的同次諧波電流在一條線路的同一相上疊加，當相位角不確定時，計算公式為

式中，I1n為諧波源1 的第n次諧波電流，A；I2n為諧波源2 的第n次諧波電流，A；nK為系數(shù)按照表3選取。如果兩個以上同次諧波電流疊加時，首先將兩個諧波電流疊加，然后再與第三個諧波電流相疊加，依此類推。

表3 系數(shù)Kn 取值

由于供電系統(tǒng)中密煉機變頻裝置采用六脈動整流技術，結合公式（2）、（3），計算出1#、2#密煉機的各次諧波電流值及總諧波電流值，且根據(jù)式（1）可計算出低壓0.69kV 的諧波電流允許值，如表4所示。

表4 1#、2#密煉機各次諧波電流值

由計算結果可以看出，整流變壓器低壓側（0.69kV）5 次、7 次諧波電流值超過國家標準規(guī)定的允許值，11 次、13 次諧波電流值未超過規(guī)定允許值。

3.3 諧波治理措施

目前治理諧波的主要方法是裝設濾波器以濾除非線性設備所產生的諧波。濾波器的類型主要包括無源電力濾波器、有源電力濾波器、混合電力濾波器等[2]。由于無源濾波器的設計大多針對特定頻率的諧波，只能濾除特定次諧波，存在著與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性，并且對電網(wǎng)阻抗和頻率變化十分敏感等。為此采用有源電力濾波器對本系統(tǒng)進行諧波治理。

有源電力濾波器（APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，對沖擊性負載、負荷變化劇烈的供電系統(tǒng)進行諧波補償具有特別明顯的技術優(yōu)勢。其工作原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與諧波電流或電壓大小相等相位相反的補償電流或電壓，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。有源濾波器與非線性負荷并聯(lián)安裝，注入與非線性負荷產生的諧波反相的電流（Ih=-Iact），使得線路電流Is保持為正弦波，工作原理圖如圖3所示[4]。與其他濾波技術相比，其主要優(yōu)點：

1）具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。

2）具有高度可控性和快速響應性，響應時間小于10ms。

3）安裝位置靈活，可以對單個非線性負荷、集中非線性負荷進行補償。

4）補償對象的諧波電流超出電力有源濾波裝置的額定輸出電流，不會出現(xiàn)電力有源濾波裝置過載，保證設備實時安全運行。

5）受系統(tǒng)電網(wǎng)阻抗變化影響小，消除濾波器與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，克服傳統(tǒng)LC 無源濾波器的缺點。

6）選型時只需要考慮諧波電流大小，與負荷類型無關。

圖3 有源電力濾波器工作原理

3.4 有源濾波器選型及系統(tǒng)配置

結合表4中的諧波電流數(shù)據(jù)，根據(jù)需要濾除諧波電流的大小，考慮一定的裕量選擇正確的有源電力濾波器規(guī)格，如表5所示。

表5 有源電力濾波器規(guī)格

本工程密煉機供電系統(tǒng)中的變頻裝置屬于大功率非線性負荷，采用單獨治理方式，有源濾波器就地安裝，當非線性負荷產生諧波時就地治理，可以有效降低線路損耗。采用有源電力濾波器的系統(tǒng)配置圖如圖4所示，兩臺有源濾波器并列運行。

圖4 密煉機供電系統(tǒng)配置圖

4 結論

非線性負荷大量應用于工業(yè)生產、電力系統(tǒng)等領域，由此產生的電力諧波給電力系統(tǒng)的安全運行和供用電設備造成極大的影響和危害。結合輪胎工業(yè)電氣設計，分析了密煉機供電系統(tǒng)諧波的特點及危害性，介紹了諧波電流的計算方法，探討了諧波治理的濾波措施。分析提出，采用有源電力濾波器能實時、動態(tài)地跟蹤大容量沖擊性負荷的諧波變化，實現(xiàn)最佳的濾波效果。

[1] 邱立武,等.用功率曲線輔助分析密煉機膠料混煉過程[J].輪胎工業(yè),2004(11):689-692.

[2] 王兆安,楊君,等.諧波抑制和無功功率補償(第二版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[3] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院組編.工業(yè)與民用配電設計手冊(第三版).北京:中國電力出版社,2005.

[4] 施耐德公司.電氣裝置應用(設計)指南(第二版).北京:中國電力出版社,2007.