基于諧波治理的應(yīng)用與分析

中國石油化工股份有限公司天然氣分公司 孟昭宇

1 引言

假如電氣設(shè)備的使用是企業(yè)生產(chǎn)的基石，設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行是企業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的重要因素，而系統(tǒng)有源濾波裝置就是所有用電設(shè)備的凈化系統(tǒng)，可以為配電系統(tǒng)輸入潔凈的電能，防止由于諧波[1]原因?qū)λ褂玫碾姎庠O(shè)備導(dǎo)致的不可逆轉(zhuǎn)的損傷。可以降低用電生產(chǎn)成本，提高了電能利用率，從而節(jié)省了能源和減少了排放。

2 電能質(zhì)量問題帶來的危害

本次設(shè)備改造的目的是消除唐官屯分輸站新增300kW 電加熱器在不同工況條件下帶來的諧波隱患、功率因數(shù)低以及三相不平衡的問題[2]，減少變壓器的線損、銅耗、鐵損等電能損耗，確保低壓配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行[3]。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)公共點(diǎn)的最小短路容量與表格參考短路容量不同時(shí)，表格的諧波電流公差值根據(jù)公式修改：

式中：Sk1為公共連接的最低容量（MVA）；Sk2為基準(zhǔn)短路容量（MVA）；Ihp 為表2中h 次諧波電流允許值（A）；Ih 為短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允值（A）。

通過測(cè)定信息，該配電網(wǎng)絡(luò)低壓側(cè)存在三相電流輕微的不平衡、諧波分量超出國標(biāo)允許值、功率因數(shù)不合格等情況。

2.1 諧波電流的危害

諧波[4]的定義及產(chǎn)生：在電力系統(tǒng)中除基波（50Hz/60Hz）外，任一周期性之訊號(hào)，稱之為諧波。電網(wǎng)中有一些特殊的用電設(shè)備，如大功率整流器、中頻爐、變頻器、劣質(zhì)節(jié)能燈等，這類設(shè)備的工作電流與電壓[5]不成正比，稱之為非線性的負(fù)載。

諧波產(chǎn)生的主要原因：正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。

諧波的危害：增加線路損失，電纜發(fā)熱，隔離效果低下，減弱供電效率，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)共振；無功補(bǔ)償裝置中的電容器快速高熱，加速老化，甚至損壞擊穿；影響電設(shè)備的常規(guī)運(yùn)行、平均壽命和穩(wěn)定性；會(huì)出現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行失靈，造成區(qū)域故障、各用電負(fù)載的進(jìn)一步加劇損失和損壞；對(duì)通信控制系統(tǒng)、電梯、顯示裝置等產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致控制系統(tǒng)故障或損壞；零序諧波會(huì)使中性線電流過高，導(dǎo)致發(fā)熱，甚至火災(zāi)。

2.2 天然氣分輸站應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)量數(shù)據(jù)見表1，通過測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，測(cè)試周期內(nèi)諧波電壓畸變率隨著電加熱器功率的提高而變大，主導(dǎo)諧波電流為5th、7th、11th 和13th，測(cè)試點(diǎn)功率因數(shù)隨著電熱器的啟動(dòng)迅速下降。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

3 解決方案

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，測(cè)試點(diǎn)電能質(zhì)量問題在諧波含量較大和功率因數(shù)較低。需配置專用有源濾波器對(duì)諧波環(huán)境下的電力電容器進(jìn)行治理，以滿足GB/T 14549-1993 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)。

用于濾波的容量計(jì)算：測(cè)試期間檢測(cè)到的最大基波電流340A，此時(shí)的諧波電流總畸變率38%。

將功率因數(shù)從0.74補(bǔ)償?shù)?.95。

根據(jù)公式：

式中：P為低壓系統(tǒng)有功功率，φ1為自然功率因數(shù)角，φ2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)角，無功功率補(bǔ)償如圖1所示。

圖1 無功功率補(bǔ)償

鑒于測(cè)試時(shí)系統(tǒng)負(fù)載量不同，而且按照設(shè)備大容量啟動(dòng)及無功功率補(bǔ)償?shù)刃枰瑸V波器選型需要留有一定裕量，最終配置為200A的有源濾波器和100kVar 的無功補(bǔ)償。

治理后測(cè)試數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 治理后測(cè)試數(shù)據(jù)表

一是根據(jù)治理后測(cè)試的數(shù)據(jù)分析，電加熱器啟動(dòng)后，主導(dǎo)諧波電流5th、7th、11th、13th 大幅度降低。二是根據(jù)治理后電加熱器啟動(dòng)電壓電流波形圖中顯示的數(shù)據(jù)，電流波形畸變改善明顯。三是根據(jù)三相功率因數(shù)cos? 變化時(shí)域圖中顯示的數(shù)據(jù)，測(cè)試點(diǎn)功率因數(shù)隨著電加熱器的啟動(dòng)迅速下降，電容投入后三相功率因數(shù)cosφ提升到0.93左右。

測(cè)試點(diǎn)經(jīng)過APF 諧波治理后諧波含量大幅度降低（由原來的120A 左右諧波電流降低為30A 左右），主要諧波頻次，5次、7次、11次、13次諧波含量明顯降低，已降至國標(biāo)要求內(nèi)。功率因數(shù)提升明顯（提升到0.93左右），治理后用電系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)滿足GB/T 14549-1993 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)。

4 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益估算

4.1 損耗效益估算

降低電路和變壓器的能量消耗。在全國范圍內(nèi)，線路損失非常高，主要是由于無功功率的損失，如果將其從30%減少到50%，將在一年內(nèi)節(jié)省大量能源。不需要一次能源的損耗就可以提高電力效率，這是一個(gè)較好的綠色項(xiàng)目。

根據(jù)線損計(jì)算公式：

安裝低壓電力有源濾波裝置后，（以電加熱器50%功率）運(yùn)行為例，原始功率因數(shù)為0.74，通過達(dá)到0.95的補(bǔ)償，平均減少了約100kVar 線路的功率損失（諧波電流等于無功電流計(jì)算），并減少了因無功電流造成的線路損失39.3%。

投資不增加且實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。無功補(bǔ)償可提高電荷容量并使變壓器滿載運(yùn)行。根據(jù)無功功率對(duì)變壓器容量影響計(jì)算公式：

ΔP=（cosφ2-cosφ1 ）×S （4）

安裝混合式智能電能質(zhì)量綜合治理裝置后，（以電加熱器50%功率）運(yùn)行為例，線路功率因數(shù)由平均值0. 74提高到0.95以上，變壓器和線路的有功功率傳輸容量可提高21%。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益估算

在50%的電熱設(shè)備中，經(jīng)濟(jì)效益估計(jì)：變壓器的原始功率系數(shù)目前為0.74，相位電流A332.79A，相位B343.21A，相位C339.88A，諧波總含量為38%。

用于無功補(bǔ)償?shù)娜萘坑?jì)算：為補(bǔ)償0.74至0.95的功率因數(shù)。所需無功功率，根據(jù)計(jì)算式（2）當(dāng)前補(bǔ)償將功率因數(shù)提高到0.95以上。無功補(bǔ)償容量如圖2所示。

圖2 無功補(bǔ)償容量

圖中：P 為系統(tǒng)的有功功率（kW）；Q 為系統(tǒng)的無功功率（kVar）；S 為系統(tǒng)的視在功率（kVA）；cosφ為系統(tǒng)的功率因數(shù)。其中：S2=P2+Q2，cosφ=PS，因此：Qc1≈100kVar。

用于濾波的容量計(jì)算。測(cè)試期間檢測(cè)到的最大基流為340A，諧波電流變形率為38%。

Ih=340A×38%≈129（A）

有源濾波裝置濾波輸出容量為：

Qc2=129A×400V×1.732≈89kVar

混合式配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置輸出容量為：

Q= Qc1+ Qc2=100+89=189kVar

按《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》GB/T 12497-2006中無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量的計(jì)算方法：

式中：ΔF為節(jié)省的電費(fèi)支出；QC為無功補(bǔ)償容量；β為有功電單價(jià)；Cb為無功功率的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量；T 是補(bǔ)償裝置的工作時(shí)間；tanδ為補(bǔ)償設(shè)備的損失。

如公式所示，假設(shè)：

QC= 189kVar；Cb= 0.09kW/kVar；tanδ=0.03kW/kVar；β=0.8元/kWh；

ΔF=（0.09kW/kVar-0.03kW/kVar）×189kVar×24h×365d×0.8元/kWh ＝79470元/年，則年節(jié)約電量99338.4kWh，年節(jié)省79470元（電0.8元/kWh 計(jì)算）不包括減低電路損失部分。

4.3 安全效益

低壓電力有源過濾裝置具有各種保護(hù)機(jī)構(gòu)，通過加裝相關(guān)的芯片可達(dá)到短信告知功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障安全解決隱患。對(duì)于企業(yè)，安全也是生產(chǎn)建設(shè)的生產(chǎn)力，安全投資必然會(huì)有安全的產(chǎn)出，這是最基本的經(jīng)濟(jì)規(guī)則。生產(chǎn)安全管理是企業(yè)重要的組成部分，是賴以發(fā)展的主體，是生存與發(fā)展的基石，特別是企業(yè)規(guī)劃和生產(chǎn)直接相關(guān)的重點(diǎn)和危險(xiǎn)地區(qū)。

電力供應(yīng)系統(tǒng)的有效運(yùn)行對(duì)設(shè)施、設(shè)備的安全尤為重要。公司的發(fā)展要重視安全生產(chǎn)。改善企業(yè)供電系統(tǒng)的電力質(zhì)量和防止因電力質(zhì)量問題造成的事故，會(huì)使企業(yè)在平穩(wěn)安全運(yùn)行中受益，其經(jīng)濟(jì)效益是無法估量的。