石化電網諧波抑制與無功補償技術的應用

楊國峰，侯延軍，劉憲利

（中國石油吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林 132022）

0 引言

描述石化公司某車間采用可控硅整流裝置供電的直流傳動控制系統，控制觸發角引起電流的畸變，產生諧波。采用KWWB-400 系列高壓補償及調壓控制裝置對無功和電壓進行綜合調節改造，改造后取得明顯的經濟效益。

1 現狀分析

石化公司某車間35 kV 供電系統由甲乙線兩路組成，高壓配電系統是2 臺一用一備35 kV 主變壓器（35 kV/6kV，16 000 kVA），降壓變壓器分別是6 臺6 kV 動力變壓器（6 kV/400 V）和8 臺6 kV 整流變壓器（6 kV/600 V，6 kV/400 V）。低壓配室有3 部分：各類輥道、傳送鏈、設備，為輔傳動低配室；整流變壓器給軋線供電設備為主傳動低配室；各種泵類、風機、照明類負載供電設備為MCC 室。

1.1 諧波的產生及其危害

車間的傳動設備是16 組ABB 公司DCS600 和2 組DCS800 系列直流轉動控制系統，都是使用可控硅式整流裝置進行供電。送到整流電路的電壓是正弦交流電壓，流過的電流已不是正弦交流電流，而是與控制角α 相關的函數，所以控制觸發角必然會引起電流的畸變，產生諧波。晶閘管作為非線性原件，在電路中的應用中也會產生諧波。

1.2 無功功率的產生及其影響

其他電氣設備運行時會產生大量的無功功率。這就導致了電力設備與電網之間大量的無功功率交換，這將導致輸電線路和變壓器輸送大量無功功率而造成大量的功率損耗，這是不經濟的。

1.3 提高功率因數的必要性

車間供電系統濾波補償裝置1 套，分5、7、11 次3 個支路。隨著電氣設備的不斷擴建和滾筒電機變頻改造，大量感性負載的使用使得變壓器容量不足，長期處于超負荷工作狀態，特別是在夏季，變壓器工作在60 ℃以上的高溫下，加速變壓器的老化。

近幾年來，由于諧波原因，中小型生產線的供電系統、保護裝置和電氣設備遭受巨大損失。有功功率因數達不到電力管理部門規定的0.9，影響經濟效益的創造，被有關部門罰款。因此，有必要對車間諧波治理和無功補償技術進行改進。

2 改造方案

2.1 中小型供電網絡圖（圖1）

圖1 中小型供電網絡

2.2 項目可行性分析

國家規定6 kV 電網月平均功率因數應≥0.95，現在平均功率因數約為0.83，將現有功率因數提高到0.95 以上，需在原有基礎上增加電容。由測試結果可知，平均有功功率為9295 kW，功率因數為0.83，要提高到0.95 需增加無功功率3191 kvar。

2.3 方案確定

隨著產能提升，對交流異步電機大量進行變頻拖動改造，經過對軋線主機設備的擴容改造，尤其是17#、18#主機擴容后車間電能質量明顯下降，通過及時對TF 變壓器的擴容，已經能夠達到車間正常用電的需求。需要在這個基礎上進一步來提升電能穩定性，以此來提升變壓設備和濾波設備整體使用效率。對6 kV 濾波系統進行整體的集中動態補償，在車間整個供電網絡中，這些中小型降壓變壓器有8 臺6 kV 整流變壓器（6 kV/600 V，6 kV/400 V），6 臺6 kV 動力變壓器（6 kV/400 V）。前者的供電范圍為主傳動室，服務于軋線設備。由于有功功率與無功功率隨時間變化速率快，電壓波動巨大，波形畸變，功率因數較低，因此采用靜止無功功率補償器（SVC），其補償過程是動態的，可以根據系統無功功率的需求或電壓變化自動跟蹤補償；后者供電范圍為輔傳動和MCC 室，控制輥道電機和照明、泵類及風機負載。由于負載沖擊小，采用性價比較高靜態無功補償技術（并聯電容器）即可滿足要求。改造的技術核心是諧波抑制和無功補償。

改造的主體電氣設備為高壓無功功率自動濾波補償裝置，主要對系統中5 次、7 次諧波進行治理，改造方案采用KWWB-400 系列高壓補償及調壓控制裝置對無功和電壓進行綜合調節，輔以JHA651 數字式電容器保護裝置實施全面的保護。

3 改造措施

3.1 濾波補償裝置工作的理論基礎

工頻狀態下濾波器的阻抗為式（1）：

基波電流為式（2）：

安裝容量為式（3）：

在工頻狀況下，濾波器阻抗呈容性，可以提供超前無功功率，補償電網中的感性無功。

在測試的時候相繼投入5、7、11 次支路，經過測得5 次支路所發射的基波是870 kvar，7 次支路所發射的基波是870 kvar，11 次支路所發射的基波是1929 kvar，這3 個支路總共發射的基波是3669 kvar。依據現場資料，5 次電容值為94 μF，電抗值為4.5 mH，7 次電容值為87 μF，電抗值為2.2 mH，11 次電容值為182 μF，電抗值為0.5 mH，由式（1）、（2）、（3）可推算出5次安裝容量約為1500 kvar，7 次安裝容量約為1500 kvar，11 次安裝容量約為3000 kvar。

3.2 自動濾波補償裝置工作過程

靜止性無功功率補償器SVC 的核心是晶閘管控制電抗器（TCR），依靠調節晶閘管的觸發延遲角實現感性無功的快速、平滑調節。單獨的晶閘管可控電抗器只能吸收感性無功功率，功能單一，因而常與并聯電容器配合使用組成FC+TCR 型SVC 系統。工作原理如圖2 所示。

圖2 靜止性無功功率補償器SVC 工作原理

QC為并聯電容器組發出的超前無功功率，QL為補償電抗器吸收的無功功率，QF為負荷側所需要的無功功率，QS為系統所提供的無功功率，QLC為TCR調諧系統輸出的無功功率。當負載變化滯后于QF時，連續控制滯后無功功率QL，引起（QL-QC）變化，使系統供給的無功功率QS=QF+QL-QC為接近常數，達到限制電壓波動的目的。

3.3 改造的措施

改造的方案是在原設備基礎上增加設備，在3 組電抗器上增加適當的阻尼，來實現消除諧波，同時提升功率因數至0.9 效果。將現有功率因數提高到0.95 以上，需在原有基礎上增加電容。但是，由于現有電容室場地有限，且原5 次濾波器經長期運行后諧振頻率有所偏移，不能滿足需要，因此應對原有5 次及7 次濾波器進行更換。現有5、7 次濾波器停用后，減小基波無功功率1740 kvar，則改造后的5、7 次濾波器應發出無功功率4931 kvar。5 次和7 次濾波系統整體更換所需設備見表1。

表1 濾波系統改造所需設備

改造后能5 次諧波發出基波無功功率2551 kvar，7 次諧波能發出基波無功功率2500 kvar。

另外，原控制保護屏經過幾年運行后性能有所下降，經測試柜內電流互感器電流值與實際值相差很大，應該更換。新研制的控制保護裝置在性能、可靠性、人機界面上均有很大程度的提高，因此用新的控制保護屏對濾波支路進行控制保護能達到更好的效果。

3.4 KWWB-400 系列高壓補償和調壓控制的裝置

保護控制系統使用中國電力科學院研發的高壓濾波回路式自動控制器，對這3 條回路達到自動投切的控制。提升有源濾波的動態無功補償，以及增加和無源濾波技術相結合的一種實時諧波濾除及動態無功自動補償的裝置，高壓無功功率自動濾波補償裝置由真空接觸器、補償電容器、空心電抗器、隔離接地開關以及放電線圈等適當組成，可吸收系統中5 次諧波，裝置同時使用KWWB-400 系列高壓補償及調壓控制裝置對無功和電壓進行綜合調節。

3.5 JHA651 數字式電容器保護裝置實施全面的保護

二段式過流保護；零序電流保護，跳閘或告警；過電、欠電壓保護；故障顯示和記憶功能；不平衡電流、電壓保護；裝置中具有光電隔離式高速RS485 通信接口的通信功能，能夠通過RS485通信網絡進行數據上傳。

4 實施效果

改造后，電能質量明顯提高。穩定系統電壓，降低負荷電壓降，抑制電壓閃變，提高供電質量；補償系統無功功率，保證處理后用戶功率因數提高到0.95 以上，節約電費；濾除部分系統諧波，減少諧波對供電系統、保護裝置和電氣設備的危害，系統噪聲明顯降低。

4.1 實現的經濟效益

經過濾波系統裝置改造后，電氣功率因數能夠提升至0.95。這就避免因功率因數達不到要求而被電力部門罰款，同時也節省電費支出費用。

電力部門7 個月罰款35 萬多元，每月高至5 萬多元。進行改造后每年就能夠降低因功率因數不達標而多支出的電費50多萬元。綜合計算得到，每年預計能夠得到經濟效益60 多萬元。因為功率因數提升，每年能夠節省電費300 多萬元。

4.2 改造效果

利用PSCAD 仿真軟件，檢測系統功率因數變化和5 次諧波濾波及補償效果明顯改善。

5 后續措施

通過對電流、電壓的檢測，進一步完善系統性能，我們對整個系統加了許多監測點，充分利用動態補償基礎裝置并加以擴展。如從監測點引一信號至主電室，并設某一定值、當電壓急劇變化時引起蜂鳴器報報警裝置啟動。

為了加強PSCAD 仿真軟件的研究和應用，可以利用PSCAD 軟件發現系統中斷路器操作過電壓、故障和雷擊等。該方法可以精確地模擬含有復雜非線性元件（如直流輸電設備）的大型電力系統。其輸入輸出界面非常直觀方便。它還可用于電力系統的時域或頻域計算與仿真，電力電子領域的電力系統諧波分析與仿真計算。