硅工業園區電能質量評估與治理

李海，覃日升

(1.云南電網有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

硅工業園區電能質量評估與治理

李海1，覃日升2

(1.云南電網有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

隨著云南硅工業園區越來越多，硅工業園區的非線性負荷引起電能質量污染問題也越來越嚴重，電能質量評估和治理研究也越來越受各個方面的關注。本文針對硅工業園區引起的電能質量污染進行評估，在此基礎上提出了合理的治理措施。

硅工業園；電能質量；評估；治理措施

0 前言

硅廠主要的負荷特性均為交流電弧爐 (EAF)。EAF爐是沖擊性負荷，其冶煉過程分為熔化期和精煉期。電力負荷在熔化初期 (起弧、穿孔、到塌料階段)變化劇烈，而在精煉期負荷逐漸趨于穩定。從大量測試數據分析可知，該類負荷會引起較大的無功負荷波動，產生電壓波動及閃變；另外EAF爐作為非線性負荷，在運行中將產生2次及以上的諧波電流；EAF爐是不對稱負荷，最嚴重狀態為二相短路，一相開路，在此工況下，將產生很大的負序電流，造成三相不平衡。即EAF引起的主要電能質量問題是：

1)諧波電流超標；

2)三相電壓不平衡度超標；

3)閃變超標。

因此進行硅工業園區電能質量評估與治理研究對云南電力市場的發展有實際指導作用。文中對怒江硅工業園區的電能質量開展現場測試，在測試的基礎上搭建仿真平臺，開展對應的評估和治理研究，提出相應的改進措施，有效地改善硅工業園區電能質量污染問題，為其他硅工業園區的建設有提供的可供參考的技術方案。

圖1 2010年怒江硅工業園區供電方式

圖2 2016年怒江硅工業園區供電方式

測試時，怒江硅工業供電方式圖1所示，硅工業園區負荷全部由110 kV金嶺變提供，分別為宏鑫 (2臺)、金盛 (1臺)、宏盛 (3臺)三戶硅廠共6臺電弧爐供電。針對硅工業園區各供電專線路進行電能質量檢測，測試的主要電能指標包括諧波電流含、諧波電壓、閃變及負序等，測試結果如下表所示：

表1 不同類型容量的電爐參數諧波電流含有率匯總

電弧爐在工作過程中，產生大量的諧波，針對測試數據分析可知：8 000 kVA和12 500 kVA的電弧爐工作過程中產生的諧波電流以2和3次諧波為主，4次和5次諧波電流次之；如果不采取治理措施，電弧爐所產生的諧波向高一級電網滲透，將導致上一級電網諧波電壓、電流超標的同時，引起母線電壓波動和閃變超標，危及電網安全及經濟運行。

1 硅工業園電能質量評估

按照怒江硅工業園區的規劃方案，16年間怒江硅工業園區將增長到7戶，分別為宏鑫、宏盛、金盛、金志、康華、瑞巍、鼎盛硅廠共39臺冶煉爐，總負荷將達556 MW。其中，220 kV 5戶硅廠13回線路共15臺電弧爐，110 kV金嶺變供4戶硅廠12回線路共24臺電弧爐，規劃中硅工業園區的負荷發展情況如圖3所示。

參照電網運行方式，本文將根據硅工業園的運行方式開展電能質量評估，評估的內容主要包括：諧波潮流，三相不平衡度以及電壓波動和閃變等，涉及的運行方式為：

1)對220 kV崇仁站1#進線運行，崇仁站220 kV母聯運行，崇仁站1#變和2#變并列運行，共同負擔19萬kVA的硅工業園區負荷，崇金線備用，110 kV稱金線供金嶺變；

2)崇仁站除負擔19萬kVA的硅工業園區負荷外，崇金線運行送110 kV金嶺變35 kVⅡ段母線，負擔1/2金嶺變負荷，110 kV稱金線供金嶺變35 kVⅠ段。

圖3 硅工業園區的負荷發展情況

1.1 諧波潮流評估

參考 《規程》中對同次諧波疊加的相關規定，建立諧波電流源，從而進行仿真。根據不同運行方式，諧波潮流的評估如表4所示：

由表4可知：當金嶺變12回硅工業園區負荷投運后，110 kV稱金線的3、5次諧波電流將嚴重超標。與稱金變相比，崇仁變的情況要好很多，這主要是由于崇仁變的系統短路容量較大。即使這樣，當崇仁變負擔13回硅工業園區負荷后，也還會出現3、5次諧波電流超標的情況。當崇金線運行負擔金嶺變35 kV一段母線負荷后，也會出現3、5次諧波超標的情況，會對與崇金線同一條母線的其它回路產生影響?？傊?，無論采用何種運行方式，崇仁變和金嶺變諧波電流超標的情況都比較突出，應當采取合適的治理措施解決。

表4 諧波潮流評估匯總

1.2 三相電壓不平衡度評估

由電弧爐工作特性可知，EAF爐是不對稱負荷，電爐運行時三相電極點弧很不穩定，如一相電極斷開，其余兩極點弧 (即二相短路，一相開路)時，將向電網注入負序電流。可能會引起母線各節點三相電壓不平衡度超標。為了充分了解硅工業園引起電網各節點的不平衡度程度，對4臺電弧爐運行情況下，進行三相電壓不平衡度評估如表5所示：

表5 三相電壓不平衡度評估

由上表得出：電弧爐對電網不平衡度影響程度主要與接入點的短路容量、系統阻抗及電弧爐短網阻抗等有關。即：爐變至各母線的系統阻抗越大，影響越??；爐變接入點短路容量越大，影響越??；短網阻抗越小，影響越大?？傊?，多臺及以上電弧爐發生弧光相間短路時，均會引起220 kV崇仁變電站110 kV母線和35 kV母線三相電壓不平衡度超標，因負序電流流入電動機或發動機，會引起震動和發熱，可能會引起該地區小水電機組跳機，威脅到該地區供電的可靠性和穩定性。

1.3 電壓波動和閃變評估

電弧爐引起的閃變與短網阻抗大小、電弧爐爐變檔位、電弧爐運行工況等有關，進行的電壓波動和閃變評估如表6所示：

表6 電壓波動和閃變評估

由上表可以看出：220 kV崇仁變電站35 kV母線帶4臺電弧爐運行時，該電弧爐群引起220 kV崇仁變電站的閃變值為：0.94(110 kV母線)、0.33(220 kV母線)。即：在3臺及以上電弧爐同時運行運行工況下，會引起220 kV崇仁變電站110 kV母線電壓閃變超標。

2 評估分析與治理措施

2.1 評估分析

通過對硅工業園進行電能質量測試分析，結合仿真分析得出以下結論：

1)隨著建設規模的不斷增加，怒江硅工業園產生的諧波向上一級電網滲透，引起諧波電流和諧波電壓超標程度逐步上升。

2)電弧爐對電網不平衡度影響程度主要與接入點的短路容量、系統阻抗及電弧爐短網阻抗等有關。即：爐變至各母線的系統阻抗越大，影響越??；爐變接入點短路容量越大，影響越小；短網阻抗越小，影響越大。隨著電弧爐群規模的上升，而積數上升。因負序電流流入電動機或發動機，會引起震動和發熱，可能會引起該地區小水電機組跳機，威脅到該地區供電的可靠性和穩定性。

3)110 kV金嶺變電站12回線、220 kV崇仁變電站35 kV4回線滿負荷運行后，引起220 kV崇仁變電站和110 kV金嶺變母線電壓波動和閃變嚴重超標。

2.2 治理措施

針對以上評估暴露的質量問題，采取分兩步加以解決：

1)減小主要次諧波 (3次)向上一級電網滲透

據現場可知，當前已投入運行的各臺電弧爐采用的無功補償方式多數為在爐變35 kV側裝設安裝容量為1 080 kVAR，串抗率為12%或6%的無功補償裝置，其濾波的效果較差。針對硅工業園諧波特點及現場安裝地點限制等因數綜合考慮，把無功補償裝置配置為3次濾波裝置，減小3次諧波電流向上一級電網滲透。 (康華、瑞金)參照配置如下：

表7 濾波器參數一覽表

濾波器投入后的濾波效果如下：

3次 4次 5次諧波電流(A) 9.6 4 4.6濾除后諧波電流(A) 2.61 3.6 4.27濾除率(%) 72.81 10.00 7.17國標限值 1.56 2.25 1.81

由上表可知，當濾波器投入后，濾波器對3次諧波電流有明顯的濾波效果。

2)電壓波動與閃變、三相電壓不平衡度及諧波集中治理

就硅工業園各廠實際情況，要求各廠對每一臺電弧爐進行單獨治理，受資金、安裝場地等因素限制，治理的難度較大。綜合考慮各種條件優化后，硅工業園宜采用集中治理的方法較為經濟。即在220 kV崇仁變電站和110 kV金嶺變35 kV各段母線上加裝一套SVG動態無功補償裝置，該裝置響應時間小于5 ms，對三相電壓不平衡度、電壓波動與閃變抑制有很好的效果，同時對7次及以下的諧波有較好的濾波效果。其安裝容量確定為：

1)220 kV崇仁變電站35 kV母線SVG安裝容量的確定：同一條母線向多臺電爐同時供電時，引起的綜合無功沖擊按四次方經驗公式計算：

因此，根據公式，確定濾除4臺電弧爐產生的諧波電流 (疊加值為24.5 A)安裝容量為1. 45 MVA；4臺電弧爐引起的無功波動綜合效應值為4.24 MVA；為了確保SVG投入后，35 kV母線閃變值在國標限值 (0.9)內，可計算出SVG (動態無功補償部分)的計算安裝容量 2.12 MVA；因此，該母線上SVG的綜合安裝容量為2. 56 MVA，考慮一定的冗余后取SVG最終安裝容量為3 MVA。

2)110 kV金嶺變電站35 kV母線SVG安裝容量的確定：110 kV金嶺變電站35 kV各有6條出線共12臺電弧爐。確定SVG安裝容量如下：

諧波次數 35 kV 6回出線2次(A) 11.269 3次(A) 51.840 8 5次(A) 23.077 3總諧波電流(A) 57.8

由上表可確定濾除諧波所需要SVG計算安裝容量為3.5 MVA。

每一條母線6臺電弧爐引起對最大無功波動值為4.69 MVAR；為了確保SVG投入后，35 kV母線電壓閃變值在國標限值之內，可得SVG的安裝容量為3.75 MVA。兩者綜合考慮可確定SVG計算安裝容量為5.13 MVA，考慮一定的冗余后取SVG最終安裝容量為6 MVA。

3 結束語

對硅工業園區的電能質量以及非線性負荷(如電弧爐)對電網諧波的影響，進行了評估，掌握了第一手的穩態電能質量數據，來提出整改措施和建議，有效地減小用戶的二次投資，同時也能夠滿足電力市場對電能質量要求。在電力市場發展過程中，為了能夠有效治理電能質量污染問題，可以根據電能質量等級合理地制定電價，實現電能的 “按質論價”。這樣，用戶可以針對不同的需求選擇不同的電能特征水平交納不同的購電費用，以期引導供電企業根據用戶的需求，給予最為經濟、可靠地供電，又能夠有效地控制好電能污染等一系列問題的發生。

[1] 程浩忠.電能質量概論 [M].中國電力出版社，2008-04 -01.

[2] 陳海昆，董瑞安.地區電網電能質量測試及評估 [J].上海電力，2005(3).

[3] 顧偉，蔣平.地區電能質量評估及綜合治理研究 [J].電力需求側管理，2003，4，5(2)

[4] 鄧霏，周有慶，等.電弧爐諧波電流的產生和抑制 [J].電氣開關，2000(1).

[5] 劉穎英.智能化電能質量綜合評估方法分析與比較研究[D].北京：華北電力大學，2007.

[6] 陳磊，徐永海.淺談電能質量評估的方法 [J].電氣應用，2005，24(1).

[7] 韋永忠，鄭愛霞，等.江蘇電網電能質量評估方法及應用[J].江蘇電機工程，2011，9.

Evaluation and Management of Power Quality in Typical Silicon Industrial Park

LI Hai1，QIN Risheng2
(1.Lijiang Electric Power Supply Bureau，Yunnan power grid co.，LTD，Lijiang，Yunnan，674100，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

With the increasing number of silicon industrial parks were build in Yunnan，the problem of pollution caused by nonlinear load power quality in silicon industrial park is becoming more serious，power quality evaluation and management research is also getting more attention by all aspects of governance research.Based on the evaluation of the pollution caused by silicon industrial parks，this paper presents same rational control measures.

silicon industrial parks；power quality；evaluation；control measures

TM73

B

1006-7345(2015)04-0022-05

2015-02-10

李海 (1986)，男，助理工程師，云南電網有限責任公司麗江供電局，主要從事調度運行、電能質量研究工作 (e-mail) 499780792＠qq.com。