无源滤波装置在电网中的应用及实施

1、交流滤波装置在宁夏石嘴山地区电网中的应用及实施摘 要本文针对工业电石炉非线性负荷在运行过程中，负荷电流电压急 剧变化，其交流电源侧产牛大量的谐波电流和无功问题。根据对电源系统电能质 量的分析与研究，并设计出相对应的交流滤波补偿装置，介绍其滤波原理与模型 仿真，经过理论分析与实际运行，该装置运行稳定，可靠性高，滤波效果好，完 全满足公用电网系统运行对谐波含量和功率因数的要求。主题词电石炉 谐波抑制 无功功率功率因数 无源滤波器 防真 引言为认真落实国网公司营销会议提出的“要加大对冶金、轧钢、电气化铁路等 谐波、负序源的监测力度，督促客户进行谐波、负序治理，加强客户无功补偿装 置运行管理，实现客户

2、无功就地平衡”的精神要求，宁夏石嘴山供电局本着为客 户优化用电，挖掘电能的潜在效益和节约用电的空间。通过对石嘴山地区传统工 业铁合金、电石、碳化硅等非线性负荷入网后对电能质量的影响进行测试评定后, 将具体的治理落实在电石冶炼型负荷上。对宁夏凌云化工新上的31500kva电石 炉工程项fi的电能质量进行了背景测试后，根据测试数据，经过精细缜密的计算 和分析比对，方案论证、提出了具体详细的电能质量治理方案-一安装 tal35-18000/13841bl型交流滤波装置，并予以实施，并对该装置运行后对终端 需求侧电网及石嘴山地区电网的影响进行了比对测试与效能评估分析，通过测试 后发现此治理方案无论对需

3、求侧电网述是地区电网的效果都十分明显，对进一步 优化客户用电、节约生产成本以及确保电网的安全、经济、优质、可靠运行都具 有显著的促进作用和电能质量治理工作的带头示范作用，同时对指导其它传统工 业进行治理也具有积极的实际指导意义。1、系统情况介绍系统供电主接线示意图如下：35kv电炉31500kva进线电压:35kvo35kv母线短路容量：按基准容量250mva计算。电炉变容量：31500kvao目前系统自然功率因数为0.7,要求补偿至0. 9302、系统谐波测试与分析2. 1谐波测试现场对用户一期电石炉的谐波电流电压进行测试，以此数据作为参考，可估算二期新建电石炉的电流电压情况，测试的负荷约为

4、新建负荷的一半。测试仪器：ps-6s电能质量分析仪测试波形如下图：凌云化工岀逆"1/（电殊i若势分析/基注电a）时i日:2co9-02-18 k 00 00 3 200xx2-18 15 42 0015* affl巧 *1 7 y-r ci8«274 333269 533264 533259 533棊波电流2s4 3332009-2-18 14 03 54 2009-2-1814 15032009-2-1814 27 212009-2-1814 39 392009-2-1814 51 542009-2-18 15 04182009.2-18 1516:332009-2-18

5、15:28 512009-2-1815 41 06凌云化工岀钱小/（电总）势分折as谐童电流（a）州目：2009-02-18 h 00 00至2009-02-18 15 42 00总谐波电流2009-2-1814:(»54 2009-2-18 14 14 572009-2.18 14 27 032002-1814 39 092009-2-18 14 51 182009-2-18302ow-2-181&15 362ocb-2-1815 27 4520»2-1815:»51废云化工出线/"/(电和折计菲和綁iff!】: 2009-02-18 14 0

6、0 00至20040218 15 42 005224谐波电流值47244 22437243 2242 7242224172412240.7240x42 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2$ 26 27 26 29 » 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50根据现场测试情况及理论评估计算，结合长期以来进行滤波器设计经验，给出谐波电流的发生量如下：1.不投滤波器的情况下注入系统35kv侧的各次谐波电流值（a）谐波次数注入系统

7、35kv侧的谐波电流值（a）允许值（a） k为系数2& 7215xk321.8312xk44. 987. 7xk532.4412xk63. 15. lxk73. 1& 8xk81.543. 8xk91.544. lxk100. 933. lxk110. 935. 6xk120.612.6xk130. 624.7xkuthd2.投入滤波器的情况下注入系统35kv侧的各次谐波电流值(a)谐波次数注入系统35kv侧的谐波电流值(a)允许值(a) k为系数212.8115xk33. 0312xk40. 177.7xk50. 7312xk60.95. lxk71. 158.8xk80.

8、633.8xk90. 674. lxk100.413. lxk110. 425. 6xk120. 292. 6xk130. 294.7xkuthd2.2谐波电流计算分析电石炉在运行过程中，工作电流极不稳定，变动也极为剧烈，其产生的谐波 成分非常复杂，且频谱连续，主要为2、3、4、5、6、7次谐波。电流变化的程 度及速度与诸多因素有关，如原料的大小、成分、电极的位置、变压器分接头的 位置等，以及操作人员的技术水平等因素都可能引起电流的随机变化，从而引起 谐波的变化。综上所述，一台电石炉产牛的谐波按表1所示进行评估。表1 一台电石炉产生的谐波电流含有率谐波次数234567含裤厶/|(%)1.63.

9、60.95.30.60.6-台电石炉的基波电流有效值为：(35kv侧)i产s/ ( v3u)二520a根据表1可知，力次谐波电流有效值如表2所示。表2 台电石炉产生的谐波电流值谐波次数234567谐波电流(a)8. 3218. 724.6827. 563. 123. 123、治理方案的设计3.1设计目标滤除系统的大部分谐波电流，使系统的月平均功率因数达到0. 93。3. 2装置选型根据系统测试无功功率和补偿容量的分析计算可以看岀，取系统的补偿容量 为isookvar，可以满足系统无功的需求；由表2的谐波分析可以看出系统主要 的谐波电流为3、4、5次，同吋还兼有7、11次及以上的高次谐波电流，根

10、据系 统工况频繁波动，综合考虑性价比，选用无源电力滤波装置，即可满足系统对谐 波和无功的需求。设备型号:tal35-18000/13841bl3. 2滤波装置设计采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有 效措施。通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置 进行滤波。其工作原理如下图所示：交流负载电网ic(谐波源)i;无源滤波器也称为lc调谐滤波器，它利用电容、电感在某一谐波频率时发 生谐振，呈低阻抗，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤 波器。能够同时补偿电网中的感性无功功率。由于无源滤波器具有投资少、效率 高、结构简单、运行可靠及

11、维护方便等优点，因此无源滤波器是目前广泛采用的 抑制谐波及无功补偿的主要手段。3. 3滤波支路分配1)容量分配支路安装容量 (kvar)基波容量 (kvar)额定电容 (uf)额定电感 (mh)3次600040779. 421204次6000494012. 0352. 75次6000482412. 0333. 7合主要设备参数元件参数组别h3h4h5滤波电容器单台容量kvar250250250台数242424单台额定电压kv75.755.75每相额定电压282323滤波电抗器额定电感12052.733.7额定电流a758586基波品质因数302525绕组结构干式空心，

12、膜包铝线调感范围±5%3. 3建立数学模型为建立模型方便，先做一些假设：负载（整流变压器）为理想谐波电流源;分析负载谐波屯流与流入电网谐波电流吋，电压源可等效为短路。根据这些条 件，分别建立一条滤波支路、两条滤波支路、三条滤波支路、四条滤波支路的数 学模型，分析电网电流与负载电流的关系。单条滤波支路的电路原理图为：5l图3.1单条滤波支路电路原理图 电网电流与负载电流的传递函数为：l（s）_z（s）以 s） zs（s） + z（s）滤波器电流与负载电流的传递函数为：%）二 zs（s） 茹 _zs（s） + z门（s）两条滤波支路的电路原理图为:s/ i mas2mzss / i t

13、4图3. 2两条滤波支路电路原理图电网电流与负载电流的传递函数为：z 门（s）*z/2（s）l（s）讥s）z 门（s） + z/2（s）zs（s） +z 门（s）*z/2（s）z 门（s） + z2（s）z2（s）zs（s） + z2（s）滤波器电流与负载电流的传递函数为:zs（s）us）z,.（s） +z（s）*z/2（s）z 门（s） + z/2 z/】2（s） + zs（s）三条滤波支路的电路原理图为:图3. 3三条滤波支路电路原理图ssf3(s z屯网屯流与负载屯流的传递函数为：z/i2（5）*z/3 （s）z/23（s）zs（s） + z/23（s）l（s） _z/2（s） + z/

14、3（s）' zc2（s） + zf3（s）滤波器电流与负载电流的传递函数为:if(s) zs(s) z、.(s)l(s)二 z | z门2(s)*药乔=z(s)+z心(s) s z2(s) + z/3(s)四条滤波支路的电路原理图为：zfsxi% f4 zj s ls(s zsz-%s7f1x图3.4四条滤波支路电路原理图电网电流与负载电流的传递函数为:z/123(s)*z/4(s)l(s) _zg(s) + zf4(s)_z/234(s)茴=7 g i z"(s)*z“(s) =z,(s) + z®(s) s zg(s) + z/4(s)滤波器电流与负载电流的传递

15、函数为:if(s) z$(s) zs.(s)z (s) i z/123 (s)*z(s) =z$(s) + zg4(s) ' zg(s) + z“(s)其中:zm(s) =z 门(s)*z2(s)z 门(s) + zq(s)(s) =z门 2(s)*z/3(s)z/2(s) + zf3(s)心一 zg(s)*z“(s) /1234)_z门 23(s) + z"(s)/1234以上各式屮zs(s)为电网阻抗在频域表达式zs = ls客s + rs ； z门(s)为第一条滤波支路频域表达式z/|(s) = s*s + + ® ； z/2(s)为第二条滤波支路频域 c门*

16、 s表达式z/2（s） =厶/2*s + r/2z/3（s）为第三条滤波支路频域表达式z/3（s）= s*s+=+®z/4（s）为第四条滤波支路频域表达式z/4（s） = lm*s +4、滤波器防真效果分析投入前后母线电压总畸变率投入滤波器前：4. 79%；投入滤波器后:2. 26%；投入滤波器前后波形仿真效果图in； x/、/滤波器不投运£iwj/fx、系僦行方式a虽小运行方式最大运行方式滤波固运行工况 厂漱支路r傲姻厂漱支路杲示电压位置c主受一次側a主交二次侧滤波器投运前的电压波形/、/滤波器投运下卡twj/、f系圻运行方式g最小运行方式最大运行方式濾注器运行工况p 3

17、灶路p &欠支路v 5?欠支路显示电压位置c主费一次侧介主吏二次側退出滤波器投运后的电压波形盘阴抗频率待性- xv显示系统阴抗 打印ii退出系统运行方式17歎支路频率范围从厂次到阪次更改i最小运行方式阻抗频率曲线浣波冊运行工况f沁路p 4?欠支路f $欠支路系统运行方式从厂次到rt次更改v显示系倔抗打印i最小运行方式阻抗频率曲线5>工程应用效果对比分析本套无源滤波装置在凌云化工投入运行后，为了掌握滤波器的滤波效果，分 别在不同滤波器组合情况下对凌云化工进线和新利变电站2#主变35kv侧进行了 测试。检测结果对比如下：从目c相三相电压总畸变率-变化曲线10-29 14:55:00间

18、隔：15 秒起始时间：10-29 13:35:00结束时间:財目b相c相起始时间：10-29 13:30:30结束时间:00 间隔:5抄星大值4 63610-29 14:51建云化工段3、4战减液醫凌云化工35ku进线星小值:2.617%叭f冲二打阿科 屮yswywm新利变2徉主爽35kv恻谑云化工檢3 4、5炊曲竝化不妙黔图1凌云化工进线和新利变2#主变35kv侧电压总畸变率变化曲线三相电压变动-变化曲线b相c相图2凌云化工进线三相电压变动曲线三相电压闪变-变化曲线起始时间：10-29 13:35:00结束时间：10-29 14:55:00 间隔：15秒 摄大值:0.060杲小值：0.019

19、甘目b相图3凌云化工进线三相电压闪变化曲线功率因数-变化曲线起始时间:10-29 13:35:00结束时间:10-29 14:55:00间隔：15秒图4凌云化工进线功率因数变化曲线6、结论1）由于石嘴山供电局新利变另一个炭化硅用户的影响，在凌云化工全退、 投3次、5次、3、4次、3、4、5次滤波器过程中，新利变2#主变35kv侧和凌 云化工进线电压总畸变率电压畸变率超过了国家标准。其中11次、13次和23 次、25次电压谐波较高。2）在整个测试过程中新利变2#主变35kv侧和凌云化工进线电压总畸变率 电压不平衡度、电压波动和闪变都符合国家标准，未发牛超标现象。3）凌云化工不投滤波器时凌云化工进线和新利变2#主变35kv侧电压总畸 变率95%概率值分别为4. 517%和4.