冶金工业中典型非线性负载的动态无功补偿及谐波抑制.pdf

冶金动力 8M E Y A LLU RG IC ALPO W ER 2012年第4期 总第152期 冶 金 工 业 中 典 型 非 线I生 负 载 的 动 态 无 功 补 偿 及 谐 波 抑 制 陈然 中冶华天工程技术股份有限公司，江苏南京210019 【摘要】总结了冶金工业中的感性负载、容性负载和电弧炉负载的谐波状况，并针对这些负载所产生的 谐波和无功功率，详细阐述了如何抵消负基波无功功率、谐波无功功率，以及如何解决三相不平衡负载的平衡 化问题．同时根据工程案例，对几种不同的治理方案做出了比较。 【关键词】负载谐波；无功功率；功率因数 一 【中图分类号】TM 531．4 【文献标识码】B 【文章编号】10066764201204- 0008-04 D ynam i c R eact i ve Com pensat i on andH ar m oni c Suppressi on of Typi cal N on- l i nearLoadi n M et al l urgi cIndus t ry C HENR an 删删蛔Engi aeer lng＆Technol ogyCorporat i onM C C, N t m j i ng, Ji angsu210019, C hina 【Abstract】Thehar m onic st at usofreac t i ve10ad。eondensiveloadandar cfurnace10矗i n m etal lur gicindustr y issum m ari zed．Int he l i ght ofhar m onicandreact i ve pow er caused bythe 10ad．i tset sfort hi ndet ai lhowt ooffsetreac t i vepow erof negat ive basew aveandreact i ve pow erofhar m oni c。andhow to sol vebal ancedis sueoftheunhalaneed t hree-pha舱l oad．hI te肌softheengineer ingca舱．sever aldi fferenttr eatm ent pl ans ar e com par ed． 【Keywor ds】load；har m onic；r eact ivepower ；, power fact or 1 冶金工业中各负载类型的谐波状况 1．1可控硅整流器带感性负载 例如直流调速系统；交一交变频调速系统；直 流电弧炉等。其特点是5次谐波量的20％；7次谐波 量约占14％；11次谐波量约占9％；13次谐波量约 占8％。对谐波滤除率要求不严格的场合可选用标 准无功功率补偿装置。标准无功功率补偿装置内部 由若干路按8421比例配置的谐波滤波器，每路滤波 对5次及5次以上谐波均呈感性，因而不会产生谐 波放大现象。对谐波的电抗值随投人的基波无功量 的增大而减小，使滤波效果变好。换句话说．单位电 容器流人的谐波量大量基本一定，投入的电容器越 多，滤波的效果越好。这种标准无功功率补偿装置可 以不用事先测量负载谐波电流实际值。对谐波滤除 率按国标要求的场合，就要设计对谐波接近谐振的 各次滤波器。这种滤波器投入电网可以吸收负载 95％以上的谐波电流。因此必须根据用户提供的最 大可能的谐波电流值选择电容器及电抗器的电压及 电流参数。 1_2二极管整流器带容性负载 典型的是电压变频器。其特点是，只包括5次及 5次以上的谐波。并且随进线电抗大，h不同，各次谐 波比重也不同，但是，高频谐波含量往往超过可控硅 整流器带感性负载的情况。这类负载的另一个特点 是功率因数在0．97以上，基本不需要补偿。当变压 器所接触这类负载外还有较大的基波无功功率负载 时，可以采用上述的补偿方案，在补偿基波无功功率 的同时。滤除谐波电流。如果变压器只接这类负载。 就要设计专用的滤波装置，它能吸收较大的谐波电 流，而输出基波容性无功电流较小，不会出现过补偿 现象。这种滤波器由于c小L大，因而成本较高。 1．3交流电弧炉负载 其特点是2次、3次、4次、5次及6次谐波电流 含量较大，为避免谐波放大，2次、3次、4次、5次、及 6次谐波器几乎工作在谐波状态，并且要按客户提 供的实隔皆波情况设计各次谐波滤波器。 2动态无功功率补偿装置的功能 2．1降低供配电系统的损耗 供配电系统的损耗与供配电系统通过的总电流 的平成正比，系统总电流下降到0．707，损耗将下 篙 糅 。 嚣 冶L金URC动ALW力E R l 52M E TA LL U R G ICA LPO W E R 9 总钔期 y 降50％。 例如一台315kVA 的供电变压器，高峰负荷 时，电流达到额定使，功率因数cosp。-o．7，如果通过 无功功率补偿将功率因数提高到cosq-O ．93 I改善功率因数以后，电能损耗下降的百分数 为43．35％。计算如下 因为负荷有功功率不变 ．。．Sl*co孵s2c唧BP1211 兰 鲁 损耗与电流平方成正比，故其下降值为 22 毕 100％---43-3j％ ‘ 2挖掘出变压器容量潜力△_s为78kVA，计 算如下 因为负荷有功功率不变 ．．Sl co叩lS2．cos‘p2即 潮 罴 血幽 母1罟5l1昔x31578 kV A 3变压器及线路每年减少损失为41867kW h。计算如下 变压器额定输出时，自身损耗在3％～5％左右， 那么变压器每年减少损耗为365243154％ 43．35％- -47848kW h。 根据华北电管局统计资料，线损耗一般为5％， 那么线路每年减少损耗为365243150．75％ X43．35％41867kW h。 注动态无功功率补偿装置的有功节能只是降 低了补偿点至发电机之间的供配电的损耗。所以高 压网侧的无功补偿不能减少低压阀侧的损耗，亦不 能使低压供电变压器的利用率提高，根据最佳补偿 理论，就地动态无功功率补偿节能效果最为显著。 2．2提高供配电系统的利用率 增容 由于供配电系统中无功功率的存在，使得供配 电系统利用率下降，当供配电系统功率因数从 co印。提高到cos亿时，供配电系统的增容率 竺竺 二 竺 100％。 c08妒I 例1某供电系统通过无功功率补偿将功率因 数由eos_pl -0．7提高到eos‘pl -0．95．那么增容率 塑岳呸100％35．7％。 例2某一独立的供配电变流系统动态功率因 最低为cosq，O ．2，通过动态无功功率补偿将功率 因数提高到c。叩2_0．9，那么动态增容率0．9矿-0．2 100％350％。 由此可见动态无功功率补偿的效果非常显著。 2．3稳定供配电系统的网压 供配电系统的电压下降是由于系统内阻抗上的 压降造成的。供配电系统内阻抗一般可以认为是变 压器漏抗和系统阻抗组成，变压器漏抗一般大于系 统阻抗，低压远距离供配电系统反之。 下面从三个方面来分析系统输出电压与电压降 的关系 根据公式EU AⅣ 式 中， 卜 系 统开 路 电 压； 【卜-系统运行电压； △￡7一系统电压降； 卜一系统视在电流。 分析1负载为纯阻抗时，变压器最大输出电 压￡陪V 矿一I Io．}或lJ哪lI J岫I 时，均称为n谐波 电流大。 其中LⅥ次谐波流人变压器的电流； L71次谐波流入补偿电容器的电流； J抽n次谐波源电流。 漏抗 圈1系统中的曙波电流 电容直接补偿引起的谐波放大现象是如何产生 的呢 当负载中存在I t 次谐波电流，n时，补偿电容器 所在电网上级变压器流人谐波电流k，补偿电容器 所流人谐波电流L，下面是它们的表达式 肛与一，I 1 1-A。ItU ％ o}，I 2 1-A 。f仉％ 。 式中，n诣波次数； Efr一上级变压器短路电压比； A ．电容器静补电力与上级变压器额定电 流比。 公式 1和2 表明当k和，哪大于负载产生的 谐波电流，n时，所造成的谐波放大现象是由于分母 的绝对值小于1导致的。 当公式1 和 2的分母等于0时，对应电容器 和变压器漏抗并联谐振，即 ．A。士 3 尼酞％ 这时谐波放大倍数相当大理论上无穷大，实 际上变压器和电容器流入的谐波电流是负载谐波电 流的10。100倍，甚至引起电网谐振颠覆。 例如对5次谐波，当仉o．06，A。-- 67％时，即产 生5次并联谐振。再例如对7次谐波，当以o．06， A 34％时，即产生7次并联谐振。 o谐波放大时，大量的谐波电流在电网与补偿电 容之间往复交换，这些问题是动态无功功率补偿设 计中要考虑的首要问题。 综上所述，作为谐波源负载的补偿装置对谐波 呈容性时必然引起谐波放大，必须用L-C滤波器补 偿，使滤波器对谐波呈感性。卜c滤波器的谐振频率 为仁生一，当电网频率．fiq．时，滤波器呈容 2zr V L C 性，用于补偿负载感性无功功率。 对频率为厂的谐波有以下两种情况 当，锦时，滤波器呈容性，如果电网上并联对谐 波呈感抗的滤波器，由于变压器漏抗的存在，该滤波 器对频率为，-的谐波呈放大作用。 当f≥-f．时，滤波器呈感性，该滤波器对频率为厂 的谐波有滤波作用。滤波效果取决于，．和‘的接近 程度，如果．产靠滤波器呈很小的阻抗，几乎所有的谐 波量都被滤波器吸收，而不流入电网。 选择滤波谐振频率‘，‘接近要滤除的谐波频 率，虽然滤波效果好，但是由于谐波大量进入补偿装 置，将大大提高补偿装置的成本。因此选择谐振频率 二一般要根据用户对谐波滤出的要求，以便解决好 滤除谐波与设备本身成本的矛盾。 当谐振频率工确定后，根据公式．仁；， 2仃V LC 即￡和C的乘积一定。因此大量的设计以选用C 大 工小的案为原则，其优点是电容器较电感器价格 F ●●●●●●●●●●iI 2012年第4冶金动力 总第152期M E TA LLU RG ICA LPO W E R1 1 便宜，降低了设备的造价，同时。提供较大的基波容 性无功功率。但是，在一些基波无功功率很小，谐波 较大的场合，就需要c小工大的，这样当滤波器投 入后，在滤除谐波的同时不会出现基波无功功率过 补的现象。 3几种工程方案的比较 3．1低压侧静态无功功率补偿电容柜 优点造价低。 缺点 1不适合负载急剧变化的工况； 2对谐波电流产生放大作用，增加电网负担； 3电容器容易损坏。 图2低压静态无功补偿原理 3．2高压侧RLC滤波器 此方案滤波器对基波呈容性过补，需要利用电 抗器式高漏抗变压器晶闸管调节。 圈3离压R LC滤波系统原理 优点 1调节电感，电流变化平滑； 2RLC滤波器，滤波效果好； 3无功补偿调节速度快。 缺点 1造价昂贵，不适合应用在低压系统； 2产生高次谐波，增加了谐波滤波器的负担； 3不能解决低压用户负载非对称问题； 4不能解决低压用户的增容阅题，将损节能不 明显 5自身损耗大5％．8％，有功换无功得不偿 失； 6 系统谐波振荡问题 解决振荡是国际上的难 题。目前只有增加系统阻尼损耗。 3．3低压侧就地动态滤波器无功补偿及谐波治理 补偿方式 优点 1 快速投切技术，无电流冲击，并且达到TCR 同等补偿速率； 2 造价可与高压TCR竞争，低压操作安全，维 护容易； 3装置不产生谐波，无射频干扰； 4可以有效减少供配电系统损耗 5可以解决低压用户的增容问题 6可以滤除低压用户谐波70％以上，净化电 网每路电容器配置滤波器； 7定点投切，不会产生振荡现象。 缺点滤波效果依赖无功补偿量的大小，只有补 偿基波无功时才可同时滤除谐波 在使用变流装置 的场合，只要有谐波无功，必然存在基波无功，二极 菅整流器作为特例除外。 滴抗 圈4低压动态补偿原理 4结束语 综合几种工程方案的比较，低压侧就地动态滤 波补偿装置，是一种较理想的动态补偿方案，它可以 在补偿系统基波容性无功的同时跟踪补偿系统产生 的基波感性无功功率，同时滤除谐波。基波无功补偿 与谐波抑制同时在线实时进行。可广泛应用于冶金、 矿山、造船等所有供配电场合。 收稿日期20120113 作者筒介脒然1974-，男．大学学历，高级工程师．现从事电气供 配电及传动设计工作。